Pevné PCB

Čo je tuhé DPS?

Rigid pcb je tlačený spoj vyrobený z tuhých izolačných podložiek, ako je sklolaminát FR-4 zo sklenenej tkaniny prepojenej epoxidovou pryskyřicou, fenolický papier alebo keramická podložka ako jadro. Má pevný tvar, vysokú tvrdosť a nemôže byť ohýbaný ani skladaný. V súčasnosti je to najrozšírenejší typ PCB. Jeho fyzikálne vlastnosti sú stabilné a pri izbovej teplote nemá žiadnu pružnosť. Môže poskytovať pevnú podporu pre komponenty. Hlavným materiálom podložky je FR-4, ktorý má zrelý proces a kontrolovateľná cena. V prípade high-end aplikácií sa používajú keramické alebo polyimidomodifikované tuhé substráty, ktoré spĺňajú požiadavky na vysokú tepelnú vodivosť a vysoké frekvencie. Štruktúra zahŕňa jednostranné dosky, dvojstranné a viacvrstvové dosky, pričom medzivrstvové prepojenie je možné dosiahnuť pomocou metalizovaných otvorov. Je kompatibilná so zložitými návrhmi obvodov, má štandardizovaný výrobný proces a podporuje bežné montážne techniky s vysokou mierou výstupu.

Typy tuhých plošných spojov možno klasifikovať podľa rozmerov, ako je počet konštrukčných vrstiev, materiál substrátu a prevádzkové charakteristiky. Základné klasifikácie sú nasledovné:

Klasifikácia podľa počtu konštrukčných vrstiev

· Jednostranná doska

Má iba jednu stranu s vodivými obvodmi z medienej fólie a druhú stranu ako základný materiál. Má jednoduchú štruktúru a najnižšiu cenu, je vhodná pre nízkoenergetické zariadenia s jednoduchými obvodmi (ako napríklad diaľkové ovládania, hračky, obvody dosky, napájacie adaptéry).

· Dvojstranný DPS

Obidve strany majú obvody z medienej fólie a medzivrstvové prepojenie je dosiahnuté pomocou metalizovaných prechodiek. Zložitosť obvodu je vyššia ako u jednostranných dosiek, ale náklady sú stredné. Je široko používaná v spotrebnej elektronike (nabíjačky mobilných telefónov), priemyselné senzory a iné podobné aplikácie.

· Viacvrstvová doska

Obsahuje 3 alebo viac vodivých vrstiev (bežne 4, 6, 8 vrstiev a až 40 vrstiev u vyšších modelov), pričom vrstvy sú spojené izolačnými podložkami. Prechodky sú rozdelené na priechodky cez celú dosku, slepé a skryté prechodky, čo umožňuje vysokú hustotu zapojenia a je vhodné pre zložité obvody (matičné dosky počítačov, automobilové ECU, riadiace dosky lekárskych prístrojov).

Rozdelené podľa materiálu základne

· Doska plošných spojov FR-4

Základný materiál je sklenené vlákno s epoxidovou živicou (FR-4), ktorá sa vyznačuje vynikajúcou izoláciou, odolnosťou voči teplu a mechanickou pevnosťou pri kontrolovateľných nákladoch. Zaberá viac ako 90 % trhov s tuhými doskami plošných spojov a je vhodná pre bežné oblasti, ako sú spotrebná elektronika, priemyselné riadenie a automobilový priemysel.

· Fenolický papierový PCB (FR-1/FR-2)

Základný materiál tvorí fenolová živica a papierové vlákno. Má nízke náklady, ale slabú tepelnú odolnosť a mechanickú pevnosť, preto sa používa len v zariadeniach nižšej triedy (napr. staršie rádiá, jednoduché ovládacie dosky domácich spotrebičov).

· Keramická doska plošných spojov

Základný materiál tvoria keramiky oxidu hliníka a dusičnanu hliníka, ktoré majú vynikajúcu tepelnú vodivosť, vysokú izoláciu a odolnosť voči vysokým teplotám. Je vhodná pre vysokovýkonové a vysokofrekvenčné aplikácie (napr. nabíjačky pre vozidlá na nové energie a letecké a kozmické zariadenia).

· Kovový PCB (hliníkový/z medi)

Základný materiál je kovová platňa (hliník/mäďar) + izolačná vrstva + medená fólia. Jeho schopnosť odvádzať teplo výrazne prevyšuje bežné FR-4 a je tiež známy ako „chladený DPS“. Používa sa v LED osvetlení, výkonových zosilňovačoch a priemyselných frekvenčných meničoch.

Klasifikácia podľa hrúbky medi/vlastností

· DPS so štandardnou hrúbkou medi

Hrúbka medenej fólie je ≤1 unca (35 μm), vhodná pre bežné obvody s malým prúdom (spotrebná elektronika, moduly s nízkym výkonom).

· DPS s hrubou (ťažkou) medenou vrstvou

Hrúbka medenej fólie je ≥2 unce (70 μm), má vysokú vodivosť prúdu a odvod tepla, používa sa vo výkonných zariadeniach (výkonové moduly, systémy elektronického riadenia vozidiel nových energetických zdrojov).

· Vysokofrekvenčný DPS

Základný materiál je polytetrafluóretylén (PTFE) a materiál Rogers, s stabilnou dielektrickou konštantou a nízkymi stratami signálu. Je vhodný pre komunikáciu 5G, radarové a rádiové frekvenčné zariadenia.

Klasifikácia podľa procesu povrchovej úpravy

· PCB s nástrekom cínu

Povrch je pokrytý vrstvou cínu, ktorá má dobrú spájkovateľnosť a nízke náklady, vhodná pre bežné zariadenia.

· PCB s poniklovaním a zlatením

Povrch tvorí niklová a zlatá vrstva, odolná voči oxidácii a s nízkym prechodovým odporom. Vhodná pre vysokopresné konektory a klávesové dosky (napr. hlavné dosky mobilných telefónov a lekárne vybavenie).

· OSP PCB

Povrch je potiahnutý organickou ochrannou fóliou, ekologický materiál s priemernými nákladmi. Široko používaný v technológii SMT pre povrchovú montáž spotrebnej elektroniky.

Hlavný rozdiel oproti flexibilnému PCB

Tuhej tlačený obvod, vďaka svojmu stabilnému tvaru, vysokému mechanickému odolnosti a zrelým technológiám, sa široko používa v rôznych zariadeniach, ktoré kladú nároky na stabilitu obvodu a pevné inštalácie.

V oblasti spotrebnej elektroniky

Používa sa na základné dosky počítačov/grafické karty, základné dosky mobilných telefónov, napájacie dosky televízorov, siete/routerov/set-top boxov a riadiace dosky pre práčky/chladničky atď. Vďaka nízkym nákladom a zrelým procesom substrátu FR-4 je vhodný pre stredné a malé výkony obvodov a spĺňa požiadavky na stabilitu produktov spotrebnej triedy.

Oblasť priemyselného riadenia:

Používa sa v PLC moduloch, základných doskách priemyselných riadičov, frekvenčných meničoch, riadiacich doskách servopohonov a senzorových signálnych doskách. Vďaka vlastnostiam odolnosti voči vibráciám a dobrej odolnosti voči teplote, viacvrstvový dizajn umožňuje komplexnú integráciu obvodov a je vhodný pre náročné priemyselné prevádzkové podmienky.

V oblasti automobilovej elektroniky

Je kompatibilný s riadiacimi jednotkami motora (ECU), palubnými centrálnymi riadiacimi doskami, hlavnými doskami nabíjačiek, riadiacimi doskami systému riadenia batérie (BMS) a riadiacimi doskami automobilových svetiel. Vyznačuje sa vysokou spoľahlivosťou (odolnosťou voči vysokým a nízkym teplotám a nárazom) a hrubá meď dokáže prenášať veľké prúdy, čím spĺňa palubné bezpečnostné štandardy.

Oblasť lekárskych prístrojov:

Používa sa v riadiacich doskách pre CT prístroje/jadrové magnetické rezonancie, monitorovacie dosky, moduly lekárskych zdrojov a hlavné dosky glykometrov. Má vynikajúcu izoláciu a stabilný prenos signálu, čo spĺňa prísne bezpečnostné a spoľahlivostné požiadavky lekárskeho priemyslu.

Letecká oblasť

Vysokorozpočtové tuhé dosky plošných spojov z keramiky alebo vysokofrekvenčných substrátov sa používajú v hlavných doskách satelitnej techniky, riadiacich doskách lietadlových radarov, rozvádzačoch elektrickej energie pre rakety a riadiacich doskách pre lietadlá bez pilota. Dokážu odolávať extrémnym prostrediam, ako sú vysoké a nízke teploty a radiácia, a majú vynikajúcu mechanickú pevnosť.

Oblasť zariadení pre nové energetické zdroje

Tuhe dosky plošných spojov s hrubou medenou vrstvou sa používajú v obvodových doskách fotovoltaických invertorov, riadiacich doskách batérií na ukladanie energie a hlavných doskách meničov veterných elektrární. Majú vysokú nosnosť prúdu a dobré odvádzanie tepla a sú vhodné pre požiadavky vysokovýkonového prenosu a prevodu elektrickej energie.

Oblasť komunikačnej techniky:

Vysokofrekvenčné tuhé dosky plošných spojov vyrobené z PTFE alebo Rogers substrátu sa používajú v RF doskách 5G základňových stanic, hlavných doskách prepínačov a obvodových doskách optických modulov. Vyznačujú sa nízkymi stratami signálu a podporujú rýchly prenos dát.