Материалы для производства печатных плат

Когда говорят про материалы для производства печатных плат, многие сразу думают о базовом ламинате — FR-4 и всё. Но это лишь верхушка айсберга. На деле, от выбора материалов зависит не только конечная стоимость, но и надёжность, тепловые характеристики, возможность миниатюризации и даже срок жизни изделия. Частая ошибка — гнаться за дешевизной базового диэлектрика, забывая про совместимость с технологическими процессами, такими как металлизация отверстий или пайка бессвинцовыми припоями. У нас, в практике, бывали случаи, когда плата вроде бы прошла электрические тесты, а после термоциклирования в полевых условиях — межслойная расслоилась. И всё из-за несоответствия КТР меди и основы. Вот об этих нюансах, которые в спецификациях не всегда очевидны, и хочется порассуждать.

Базовые диэлектрики: не только FR-4

Да, FR-4 — это классика. Стеклотекстолит на эпоксидном связующем. Но даже здесь вариантов масса. Стандартный TG130, повышенной теплостойкости TG170, безгалогенный. Для большинства потребительских устройств хватает и обычного. Но вот когда речь заходит о силовой электронике или устройствах, работающих в условиях перепадов температур, нужно смотреть глубже. Я помню один проект для уличного телекоммуникационного оборудования. Заказчик изначально требовал стандартный FR-4, но после нашего анализа условий эксплуатации согласился на материал с высоким TG и улучшенной стойкостью к влаге. Разница в цене была, но она с лихвой окупилась отсутствием рекламаций.

А есть же ещё CEM-1, CEM-3 — композитные материалы. Они дешевле, но для многослойных плат не всегда подходят. Использовали их в основном для простых двусторонних плат в бытовой технике. Но тут важно понимать их механические свойства — они более хрупкие при фрезеровке контура.

И совсем отдельная история — высокочастотные материалы. Rogers, Taconic, Arlon. Когда проектируешь плату для СВЧ-диапазона, диэлектрическая проницаемость и её стабильность по температуре выходят на первый план. Ошибка в выборе тут приводит к расстройству параметров всего тракта. Работали мы с заказчиком над антенным модулем. Изначально пробовали использовать адаптированный FR-4 с заявленными высокочастотными свойствами, но стабильность была не та. Перешли на Rogers RO4350B — и параметры сразу легли в допуск. Но стоимость, конечно, в разы выше.

Медная фольга: толщина и профиль — это важно

Казалось бы, медь она и есть медь. Ан нет. Толщина фольги — это не только итоговое сечение проводника для тока. Это ещё и технологичность травления тонких дорожек. Для плат с высокой плотностью монтажа, где дорожки и зазоры менее 0.1 мм, стандартная фольга 35 мкм может создать проблемы — подтравливание и неоднородность краёв. Тут лучше смотреть на фольгу 18 или даже 12 мкм. Но и это не панацея — с тонкой фольгой сложнее добиться хорошей адгезии к основе после химических процессов.

А есть ещё такой параметр, как профиль поверхности фольги. Гладкая или шероховатая. Шероховатость (обычно её создают электрохимическим осаждением) улучшает адгезию к диэлектрику, что критично для надежности многослойных плат. Но для высокочастотных плат шероховатость — это дополнительные потери. Приходится искать компромисс или использовать специальные сорта фольги с низким профилем (low-profile).

На одном из производственных участков, с которым мы сотрудничали через ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии', столкнулись с интересным случаем. Делали партию плат с толстыми силовыми шинами. Использовали фольгу 105 мкм. И при прессовании многослойной заготовки возникли проблемы с заполнением смолой — оставались микропустоты вокруг толстых медных участков. Решили переходом на фольгу 70 мкм с последующим гальваническим наращиванием в нужных местах. Техпроцесс усложнился, но качество стало стабильным. Кстати, информацию о подобных технологических нюансах иногда можно найти в разделах поддержки на сайте производителей, например, на https://www.apexpcb-cn.ru.

Паяльная маска и маркировка: защита и идентификация

Паяльная маска — это не просто зелёная (или любого другого цвета) краска. Её состав и свойства напрямую влияют на качество пайки и долговечность. Основные типы — эпоксидная жидкая (LPI) и фотоотверждаемая плёнка. В индустрии сейчас доминирует LPI из-за лучшего разрешения и плоской поверхности. Но ключевой параметр — стойкость к УФ-излучению и термоциклированию. Дешёвая маска со временем может пожелтеть или потрескаться, обнажая дорожки.

Важный момент — открытые контактные площадки (например, под покрытие ENIG — иммерсионное золото). Маска должна чётко определять эти зоны, без наплывов и подтравливания. Бывало, получали платы, где маска немного 'сползла' с площадки. Для ручной пайки это не критично, а для трафаретной — уже брак, так как припой растекается не туда.

Маркировка, шелкография. Кажется, что это чисто косметика. Но читабельная маркировка компонентов — это огромное подспорье при монтаже и ремонте. Используемые чернила должны быть стойкими к флюсам, отмывке и высоким температурам волновой пайки. Иногда, чтобы сэкономить, заказывают маркировку только с одной стороны. На сложных платах это потом аукается технологам на производстве.

Финишные покрытия: от HASL до ENIG и дальше

Выбор финишного покрытия контактных площадок — это, пожалуй, один из самых частых вопросов при обсуждении техзадания. Бессвинцовый HASL (горячее лужение) — дёшево и сердито, обеспечивает хорошую паяемость, но даёт неидеально плоскую поверхность, что проблематично для компонентов с мелким шагом (BGA, QFN).

Иммерсионное олово (Immersion Tin) — плоское, но боится длительного хранения, может образовывать 'усы'. ENIG (иммерсионное золото поверх барьерного слоя никеля) — отличный вариант для сложных плат, разъёмов, обеспечивает плоскую поверхность и долгую сохранность. Но дорого. И есть риск возникновения 'чёрной подушки' (black pad) — хрупкого интерметаллида между никелем и золотом, если процесс не отлажен. Мы всегда рекомендуем проверенным поставщикам, таким как ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии', которые контролируют полную цепочку, включая гальванические процессы, что снижает такие риски.

Сейчас набирает популярность иммерсионное серебро (Immersion Silver). Хорошая паяемость, плоская поверхность, подходит для высокочастотных применений. Но чувствительно к загрязнениям и требует особых условий упаковки (антикоррозийные пакеты). OSP (органическое защитное покрытие) — самое дешёвое, но паяемость сохраняется ограниченное время, годится для быстрой сборки.

Выбор часто упирается в бюджет, сроки хранения плат до монтажа и тип используемых компонентов. Универсального решения нет.

Специализированные и вспомогательные материалы

Помимо основного 'пирога' платы, есть куча вспомогательных материалов. Например, материал для заполнения глухих и скрытых отверстий (via filling). Это могут быть специальные пасты или заливочные смолы. Нужны для того, чтобы после нанесения паяльной маски поверхность оставалась ровной, особенно под BGA. Неправильно подобранный материал может дать усадку или пузыри.

Термопрокладки и теплоотводящие диэлектрики. В силовой электронике часто требуется отвести тепло от компонента на радиатор или корпус. Используются металлизированные подложки (IMS), например, на основе алюминия с диэлектрическим слоем. Или керамические подложки (Al2O3, AlN) для сверхвысоких мощностей. Выбор зависит от теплопроводности, диэлектрической прочности и, конечно, стоимости.

Гибкие и жёстко-гибкие платы (Flex & Rigid-Flex). Тут вообще отдельная вселенная материалов. Используются полиимирные плёнки (Kapton), специальные адгезивы. Они должны выдерживать многократные изгибы. Ошибка в выборе толщины меди или адгезивного слоя приводит к растрескиванию дорожек после нескольких циклов сгибания.

В заключение хочется сказать, что материалов для производства печатных плат — огромное множество. И ключ к успеху — не в знании всех марок, а в понимании физики и химии процессов, которые будут происходить с платой при изготовлении и эксплуатации. Нужно задавать правильные вопросы: в каких условиях будет работать? Какие электрические и тепловые нагрузки? Какой планируется срок службы? Часто диалог между инженером-разработчиком и технологом производства, который знает возможности и ограничения материалов, приводит к оптимальному и надёжному результату. Именно на такой комплексный подход, интеграцию знаний по всей цепочке, и ориентирована, на мой взгляд, работа группы компаний, подобных ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии', основанной в 2018 году и развивающей экосистему в этой области. Всё-таки, печатная плата — это основа, и её качество закладывается именно на этапе выбора материалов.