Piirilevyprojektia luotaessa yksi ensimmäisistä vaiheista on piirilevypinon määrittäminen. Tätä varten sinun on tiedettävä, mitä piirilevymateriaalia käytetään. Et voi määrittää dielektristä vakiota, joka on kriittinen impedanssiohjatuille linjoillesi, jos et ole vielä päättänyt piirilevymateriaalistasi.
Lisäksi sinun on otettava huomioon muun muassa kustannukset, mekaaniset/sähköiset ominaisuudet, kestävyys ja lämpöominaisuudet. Näiden vaihtoehtojen vuoksi tarvitset luotettavan piirilevyvalmistajan auttamaan sinua päätöksenteossa. UET-piirilevy (https://uetpcb.com/components-sourcing/) voi auttaa sinua kaikissa piirilevymateriaalien valinnassa ja komponenttitarpeissasi.
Uusi vs. vanha piirilevymateriaaliteknologia vuonna 2026
Innovaatioiden myötä materiaalien valikoima laajenee. Tässä osiossa käsitellään seuraavana aikakautena syntyneitä eri materiaaleja.
FR4
Aikoinaan FR4 oli yleisin piirilevymateriaali. Vuonna 1968 esitelty FR4 on ollut tähän päivään asti yleismaailmallinen standardi piirilevyjen valmistuksessa. Nykyään noin 70–80 % elektroniikan piirilevyistä käyttää FR4:ää.
FR4-ominaisuudet:
- Kustannustehokas
- Mekaanisesti vahva
- Vakaa dielektrinen vakio
- Hyvä sähköeristys
- Hyvä lämmönkestävyys
- Hyvä kemikaalienkestävyys
- Helppo valmistaa
FR4:llä voi kuitenkin olla mekaanisia ja termisiä rajoituksia. Tällä materiaalilla on jäykkä rakenne ja lasittumislämpötila Tg = 130 °C–180 °C. Sen hajoamislämpötila Td = 300 °C–340 °C. Näiden ominaisuuksien ansiosta FR4 ei ole tarkoitettu korkeisiin lämpötiloihin ja ankariin ympäristöihin. Lisäksi FR4:llä on suurempi dielektrisen vakion vaihtelu (Dk, 4.2–4.8) ja suurempi tangentin häviö (Df, 0.015–0.025), mikä voi heikentää signaaleja taajuuden kasvaessa. Siksi nykyään käytetään muita piirilevymateriaaleja, kuten polyimidiä, Rogersia, PTFE:tä jne.
polyimidi
Polyimidikalvo kehitettiin joustavaa elektroniikkaa ja ilmailu- ja avaruussovelluksia varten 1960-luvun loppupuolella. Polyimidi kestää taipumista ja taivutusta säilyttäen samalla korkeiden lämpötilojen ja ankarien ympäristöolosuhteiden kestävyyden. Vaikka tämän piirilevymateriaalin valmistus voi olla kalliimpaa kuin FR-4:n, sillä on useita merkittäviä ominaisuuksia. Polyimidiä käytetään laajalti älypuhelimissa, puettavissa laitteissa, tableteissa ja kannettavissa tietokoneissa taipuisina tai jäykkinä taipuisina piirilevyinä.
Polyimidin ominaisuudet:
- Äärimmäinen lämmönkestävyys
- Erittäin joustava
- Suuri vetolujuus
- Tärinää kestävä
- Sähköinen stabiilius lämpötilan ja taajuuden välillä
- Erittäin ohut ja kevyt
- Korkea eristysvastus
Rogers
1980-luvulla alkoi radiotaajuus- ja mikroaaltoaikakausi. Korkeampien taajuusvaatimusten vuoksi piirilevyjen sähköisten, lämpöön liittyvien ja mekaanisten ominaisuuksien oli oltava vakaat. Tämän seurauksena kehitettiin vähähäviöisiä FR4-, PTFE- ja Rogers-materiaaleja. Jokaisella näistä materiaaleista on etuja radiotaajuusalueeseen verrattuna, ja niillä on paremmat lämpöön, mekaanisuuteen ja valmistukseen liittyvät ominaisuudet. Tämän ansiosta Rogers-piirilevyjä löytyy paljon 4G-, 5G- ja IoT-viestintälaitteista.
Esimerkkejä Rogers-materiaalien ominaisuuksista ovat Dk (dielektrisyysvakio), Df (häviökerroin) ja Rz/Ra (kuparin karheus). Esimerkiksi Rogers-pohjaisilla materiaaleilla on seuraavat ominaisuudet:
Rogersin kiinteistöt:
- Alhainen dielektrisyysvakio (Dk/εr) tarkoittaa, että se pystyy käsittelemään nopeampia signaaleja materiaalilaadusta riippuen (esim. RO4000 – 500 MHz – 20 GHz, RO3000 – 30 GHz, RT/duroid – 40 – 100 GHz)
- Matala tangentti ((Df/tan δ)) tarkoittaa pientä signaalihäviötä korkeammilla taajuuksilla.
- Korkea lämmönjohtavuus ja alhainen lämpölaajenemiskerroin (CTE) – tarkoittavat, että se voi toimia paremmin lämmönlevittäjänä ja laajenee vähemmän lämmön kasvaessa.
- Alhainen kosteuden imeytyminen tarkoittaa, että se toimii hyvin myös kosteassa ympäristössä.
- Pystyy säilyttämään kokonsa ja muotonsa tietyissä rasituksissa
Piirilevymateriaalien kustannukset
Sinun pitäisi pystyä tekemään tarkkoja piirilevyjen valmistuskustannuksia nyt, kun tiedät useiden piirilevymateriaalitekniikoiden erot. Löydä alta tiettyjen piirilevymateriaalien käytön edut ja haitat suhteessa kustannuksiin.
FR4:n edut/haitat
FR4:n pitäisi tarjota paras vastine rahoillesi kustannustehokkuudessa. FR4 on tarkoitettu lähes kaikkiin yleiskäyttöisiin elektroniikkalaitteisiin, joiden taajuusvaatimukset ovat alle 1 GHz. FR4:n Dk:n (dielektrisyysvakion) vaihtelun vuoksi korkeammilla taajuuksilla on kuitenkin mahdotonta hallita suorituskyvyn vaihteluita lämpötilan muutosten aikana. Tämä ominaisuus on kriittinen impedanssisäädellyille linjoille. Lisäksi korkeampi Df (häviötangentti) aiheuttaa signaalin vaimenemista korkeammilla taajuuksilla. Antennin hyötysuhde on varmasti heikompi, jos käytät FR4:ää korkeammilla mikroaalto- tai millimetriaaltotaajuuksilla toimivissa sovelluksissa.
Polyimidin edut/haitat
Jos projektisi vaatii taivutusta ja sillä on korkeat lämpö- tai mekaaniset vaatimukset, polyimidi on oikea valinta. Huomaa, että aivan kuten FR4, polyimidi jää vajaaksi suuremman häviötangenttin (Df) (0.0004–0.009) ja vaihtelevan dielektrisen vakion (Dk) ansiosta. Tästä syystä polyimidiä käytetään harvoin korkeataajuisissa mikroaalto-/millimetriaaltosovelluksissa.
Polyimidi loistaa kuitenkin vaativissa olosuhteissa (kuten ilmailu- ja avaruustekniikassa, öljy- ja kaasuteollisuudessa sekä armeijassa), ja saat rahoillesi vastinetta. Lisäksi polyimidi sopii hyvin älypuhelimiin, puettaviin laitteisiin ja suljettuun, huollettavaan elektroniikkaan.
Rogersin edut/haitat
Rogers-materiaalien paras käyttötapaus on korkeamman mikroaalto-/millimetriaaltotaajuuden piirilevysuunnittelussa. Rogersilla on kaikki Dk- ja Df-ominaisuuksien selkeät edut. Lisäksi jotkin Rogers-materiaalit voivat jäljitellä FR4-piirilevyjen helppokäyttöisyyttä. Tämä ominaisuus on etu verrattuna toiseen korkeataajuiseen materiaaliin, PTFE:hen, joka on teflonpohjainen laminaatti. PTFE:tä on vaikea valmistaa, koska se vaatii lisävalmistusprosesseja. PTFE tarvitsee erikoisteriä, lisäpinnoitusmateriaaleja ja erityisiä monikerroksisia laminointisyklejä. Tämä prosessi tekee Rogersista halvemman vaihtoehdon PTFE:lle.
Rogersin materiaalien sovelluksia ovat 4G-, 5G- ja IoT-mallit. 5G voidaan laajentaa millimetriaaltotaajuuteen (30 GHz - 300 GHz). Näissä piirilevymalleissa ei voida käyttää FR4- tai polyimidimateriaaleja. Tämän vuoksi Rogersin materiaaleista on tullut ensisijainen valinta nykyaikaisiin viestintäjärjestelmiin niiden erinomaisen RF-suorituskyvyn ja valmistettavuuden ansiosta.
Yhteenveto
FR4, polyimidi ja Rogers ovat nykyään suosituimpia piirilevymateriaaleja. Sinun tulisi olla tietoinen siitä, mitä materiaalia käytät piirilevysuunnittelussasi. Sinun tulisi myös aina ottaa huomioon kustannukset, tietty käyttökohde ja valmistuksen helppous valinnoissasi. Valitse siis piirilevyvalmistaja, jolla on laaja osaaminen ja kokemus tällä alalla, kuten UET PCB. UET PCB on luotettu kumppani, jolla on yli 15 vuoden kokemus elektroniikkateollisuudesta.