Khi thiết kế mạch in (PCB), một trong những bước đầu tiên là xác định cấu trúc lớp PCB. Để làm được điều này, bạn cần biết loại vật liệu PCB nào sẽ sử dụng. Bạn sẽ không thể xác định hằng số điện môi, yếu tố rất quan trọng đối với các đường dẫn điều khiển trở kháng, nếu chưa quyết định vật liệu PCB.
Ngoài ra, bạn cũng cần cân nhắc đến chi phí, các đặc tính cơ học/điện, độ bền, đặc tính nhiệt, và nhiều yếu tố khác. Chính vì những lựa chọn này mà bạn cần một nhà sản xuất PCB đáng tin cậy để giúp bạn đưa ra quyết định. UET PCB (https://uetpcb.com/components-sourcing/(Chúng tôi) có thể giúp bạn trong mọi khâu lựa chọn vật liệu PCB và linh kiện.
Công nghệ vật liệu PCB mới so với công nghệ cũ vào năm 2026
Cùng với những cải tiến là sự xuất hiện thêm nhiều loại vật liệu khác nhau. Phần này sẽ đề cập đến các loại vật liệu khác nhau xuất hiện trong thời kỳ tiếp theo.
FR4
Trước đây, FR4 là vật liệu PCB phổ biến nhất. Được giới thiệu vào năm 1968, FR4 đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong sản xuất PCB cho đến nay. Bạn sẽ thấy rằng khoảng 70 – 80% PCB trong ngành điện tử hiện nay sử dụng FR4.
Thuộc tính FR4:
- Chi phí hiệu quả
- Mạnh mẽ về mặt cơ học
- Hằng số điện môi ổn định
- Cách điện tốt
- Khả năng chịu nhiệt tốt
- Kháng hóa chất tốt
- Dễ chế tạo
Tuy nhiên, FR4 có thể có những hạn chế về cơ học và nhiệt. Vật liệu này có cấu trúc cứng và nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg = 130 °C – 180 °C. Nó cũng có nhiệt độ phân hủy Td = 300 °C – 340 °C. Với những đặc điểm này, FR4 không thích hợp cho nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt. Thêm vào đó, FR4 có độ biến thiên lớn hơn về hằng số điện môi (Dk, 4.2 – 4.8) và hệ số tổn hao điện môi (Df, 0.015 – 0.025) cao hơn, điều này có thể làm suy giảm tín hiệu khi tần số tăng. Đó là lý do tại sao các vật liệu PCB khác đang được sử dụng hiện nay, chẳng hạn như polyimide, Rogers, PTFE, v.v.
Polyimide
Vào khoảng cuối những năm 1960, màng polyimide được phát triển để sử dụng trong các thiết bị điện tử linh hoạt và ngành hàng không vũ trụ. Polyimide có khả năng chịu được uốn cong và bẻ gập trong khi vẫn duy trì được khả năng chịu nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt. Mặc dù vật liệu PCB này có thể đắt hơn so với FR-4, nhưng nó lại sở hữu nhiều đặc tính nổi bật. Polyimide được sử dụng rộng rãi trong điện thoại thông minh, thiết bị đeo, máy tính bảng và máy tính xách tay dưới dạng PCB linh hoạt hoặc PCB cứng-linh hoạt.
Tính chất của polyimide:
- Khả năng chịu nhiệt cực cao
- Rất linh hoạt
- Độ bền kéo cao
- Chống rung
- Tính ổn định điện trên phạm vi nhiệt độ và tần số.
- Siêu mỏng và nhẹ
- Khả năng cách nhiệt cao
Rogers
Những năm 1980 đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên tần số vô tuyến (RF) và vi sóng. Với yêu cầu tần số cao hơn, các mạch in (PCB) cần có độ ổn định về đặc tính điện, nhiệt và cơ học. Kết quả là, các vật liệu tổn hao thấp như FR4, PTFE và Rogers đã được phát triển. Mỗi loại vật liệu này đều có ưu điểm riêng trên một dải tần số RF nhất định, bao gồm các đặc tính nhiệt, cơ học và khả năng sản xuất tốt hơn. Chính vì vậy, bạn sẽ thấy nhiều mạch in Rogers trên các thiết bị truyền thông 4G, 5G và IoT.
Một số ví dụ về tính chất vật liệu Rogers là Dk (Hằng số điện môi), Df (Hệ số tổn hao) và Rz/Ra (Độ nhám bề mặt đồng). Ví dụ, các vật liệu dựa trên Rogers có các tính chất sau:
Các bất động sản của Rogers:
- Hằng số điện môi thấp (Dk/εr) có nghĩa là nó có thể chịu được các tín hiệu nhanh hơn, tùy thuộc vào loại vật liệu (ví dụ: RO4000 – 500 MHz – 20 GHz, RO3000 – 30 GHz, RT/duroid – 40 – 100 GHz).
- Hệ số tangent thấp ((Df/tan δ) có nghĩa là tổn hao tín hiệu thấp ở tần số cao hơn.
- Độ dẫn nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp (CTE) – có nghĩa là nó có thể hoạt động như một chất tản nhiệt tốt hơn và giãn nở ít hơn khi nhiệt độ tăng.
- Khả năng hút ẩm thấp giúp sản phẩm hoạt động tốt ngay cả trong môi trường ẩm ướt.
- Có thể duy trì kích thước và hình dạng dưới một số áp lực nhất định.
Chi phí vật liệu PCB
Giờ đây, khi đã hiểu rõ sự khác biệt giữa các công nghệ vật liệu PCB khác nhau, bạn có thể tính toán chi phí sản xuất PCB một cách chính xác hơn. Hãy tìm hiểu những ưu điểm và nhược điểm của từng loại vật liệu PCB cụ thể liên quan đến chi phí bên dưới.
Ưu điểm/Nhược điểm của FR4
Về mặt chi phí, FR4 sẽ mang lại hiệu quả tốt nhất so với giá thành. FR4 được thiết kế cho hầu hết các ứng dụng điện tử thông dụng có yêu cầu tần số dưới 1 GHz. Tuy nhiên, do sự biến đổi của hằng số điện môi (Dk) của FR4 ở tần số cao hơn, nên không thể kiểm soát sự thay đổi hiệu suất do sự thay đổi nhiệt độ. Đặc tính này rất quan trọng đối với các đường truyền có trở kháng điều khiển. Thêm vào đó, hệ số tổn hao (Df) cao hơn gây ra hiện tượng suy giảm tín hiệu ở tần số cao hơn. Chắc chắn bạn sẽ có hiệu suất anten kém hơn nếu sử dụng FR4 cho các ứng dụng tần số vi sóng hoặc sóng milimét cao hơn.
Ưu điểm/Nhược điểm của Polyimide
Nếu dự án của bạn yêu cầu uốn cong và có yêu cầu cao về nhiệt hoặc cơ học, polyimide là lựa chọn phù hợp. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, giống như FR4, polyimide có hệ số tổn hao điện môi (Df) cao hơn (0.0004 – 0.009) và hằng số điện môi (Dk) thay đổi. Do đó, polyimide ít được sử dụng cho các ứng dụng vi sóng/sóng milimét tần số cao.
Tuy nhiên, polyimide thể hiện ưu điểm vượt trội trong môi trường khắc nghiệt (như hàng không vũ trụ, dầu khí và quân sự), và bạn chắc chắn sẽ nhận được giá trị xứng đáng với số tiền bỏ ra. Thêm vào đó, polyimide sẽ rất hữu ích nếu bạn sử dụng cho điện thoại thông minh, thiết bị đeo thông minh và các thiết bị điện tử kín không thể sửa chữa.
Ưu điểm/Nhược điểm của Rogers
Ứng dụng tốt nhất của vật liệu Rogers là trong thiết kế mạch in (PCB) vi sóng/sóng milimét cao cấp. Rogers có tất cả các ưu điểm vượt trội về hằng số điện môi (DK) và hệ số khuếch đại (Df). Thêm vào đó, một số vật liệu Rogers có thể mô phỏng sự dễ dàng sản xuất của PCB FR4. Đặc điểm này là một lợi thế so với một vật liệu tần số cao khác gọi là PTFE, một loại vật liệu nhiều lớp gốc Teflon. PTFE khó sản xuất vì nó yêu cầu các quy trình chế tạo bổ sung. PTFE cần các mũi khoan đặc biệt, vật liệu kết dính mạ bổ sung và yêu cầu các chu kỳ cán nhiều lớp đặc biệt. Quá trình này làm cho Rogers trở thành một lựa chọn thay thế rẻ hơn so với PTFE.
Các ứng dụng vật liệu của Rogers bao gồm thiết kế 4G, 5G và IoT. 5G có thể mở rộng hơn nữa đến sóng milimét (30 GHz đến 300 GHz). Không thể sử dụng vật liệu FR4 hoặc Polyimide trong các thiết kế PCB này. Do đó, vật liệu của Rogers đã trở thành lựa chọn ưu tiên cho các hệ thống truyền thông hiện đại nhờ hiệu suất RF vượt trội và khả năng sản xuất dễ dàng.
Kết luận
FR4, Polyimide và Rogers là một số vật liệu PCB phổ biến nhất hiện nay. Bạn cần biết nên sử dụng vật liệu nào cho thiết kế PCB của mình. Ngoài ra, bạn cũng nên cân nhắc chi phí, ứng dụng cụ thể và tính dễ sản xuất khi lựa chọn. Vì vậy, hãy chọn nhà sản xuất PCB có kiến thức và kinh nghiệm sâu rộng trong lĩnh vực này, chẳng hạn như UET PCB. UET PCB là đối tác đáng tin cậy với hơn 15 năm kinh nghiệm trong ngành công nghiệp điện tử.