Jakie wyróżniamy rodzaje laminatów? Jaki laminat wybrać do poszczególnych zastosowań?

​

Na niezawodność urządzenia elektronicznego wpływa przede wszystkim jakość oraz typ elementów składowych zastosowanych podczas jego produkcji. Bez wątpienia obwody drukowane wpisują się w tę kategorię. To one umożliwiają prawidłowe działanie układu elektronicznego. Dobór laminatu bazowego, na którym wyprodukowany zostanie obwód, jest zatem kluczowy.  

Obecnie do produkcji PCB wykorzystuje się laminaty na podłożach: szklano-epoksydowych, oznaczonych symbolem FR4, aluminiowych MCPCB (Metal Core PCB) oraz teflonowych i ceramicznych. Wybór typu laminatu uzależniony jest od przeznaczenia urządzenia oraz jego warunków pracy.

Co to jest laminat PCB?

Laminatem określa się pokryte jedno- lub obustronnie folią miedzianą podłoże szklano-epoksydowe, aluminiowe, teflonowe lub ceramiczne, posiadające takie parametry techniczne, które umożliwiają jego zastosowanie w konkretnych urządzeniach. Parametry laminatów dzielimy na podstawowe, temperaturowe, absorpcję wilgoci oraz elektryczne.

Fot. 1. Laminaty w magazynie TS PCB

Parametry laminatów PCB

1. Podstawowe parametry laminatów:

• grubość dielektryka oraz folii miedzianych – warunkuje odporność mechaniczną, spasowanie z obudową, obciążalność prądowa itd.;
• klasa CTI – odpowiada za odporność na przebicia pomiędzy ścieżkami w środowisku wilgotnym;
• klasa niepalności (UL) – określa stopień palności danego materiału.

​

​2. Temperaturowe parametry laminatów:

• temperatura zeszklenia (graniczna): Tg – granica plastyczności;
• temperatura chemicznego rozkładu laminatu: Td – temperatura powodująca 5% ubytek wagi laminatu;
• czas do delaminacji: T260/288 - czas po jakim w materiale pojawia się delaminacja (dla temperatury 260 oraz 288°C);
• współczynnik rozszerzalności termicznej laminatu w płaszczyźnie XY oraz w kierunku osi Z: CTEZ,XY;
• maksymalna temperatura pracy MOT – bezpieczna temperatura pracy ciągłej.

​

3. ​Absorpcja wilgoci przez laminaty:

• maksymalna zawartość wilgoci w laminacie;
• odporność na zjawisko CAF.​

​

​4. Parametry elektryczne laminatów:

• stała dielektryczna Dk;
• stratność Df;
• odporność dielektryka na przebicie.

Obwody drukowane z rdzeniem aluminiowym

Złożoność układów oraz stopień upakowania ich elementów na obwodach drukowanych jest coraz bardziej problematyczny z uwagi na konieczność zapewnienia właściwego odprowadzania ciepła, wydzielanego w półprzewodnikowych elementach wysokiej mocy. Wykorzystanie w takich urządzeniach standardowego, szklano-epoksydowego laminatu FR4, elementów dużej mocy przystosowanych do montażu przewlekanego THT oraz typowych radiatorów, zwiększa koszty wytwarzania tych urządzeń, ich rozmiary i wagę. Dlatego właśnie konstruktorzy i projektanci stosują laminaty na izolowanym podłożu metalowym IMS (Insulated Metal Substrate), w postaci aluminiowego rdzenia określanych jako MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board).

Laminaty PCB z rdzeniem aluminiowym charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną, opisywaną wartością współczynnika TC (Thermal Conductivity). W przypadku standardowego laminatu IMS jest on na poziomie 2 W/mK. Na rynku dostępne są również materiały o TC rzędu 2-5 W/mK. Dla porównania współczynnik TC typowego laminatu FR4 jest o rząd mniejszy - 0,3 W/mK. Poza tym laminaty z rdzeniem aluminiowych mają większą wytrzymałość (sztywność) mechaniczną przy tej samej grubości materiału oraz mniejszą rozszerzalność cieplną niż FR4.

Fot.2. Przykładowe obwody MCPCB wykonane przez TS PCB

Zastosowanie laminatów FR4 i MCPCB

Zwykły laminat FR4 przeznaczony jest do montażu układów pracujących z częstotliwościami do 0,5 GHz. Występują jednak specjalne odmiany laminatu FR4 o lepszych parametrach częstotliwościowych, np. FR408 firmy Isola. Laminaty PCB zaprojektowane z myślą o pracy w zakresie mikrofal bazują na dielektrykach ceramicznych (np. Rogers RO4003) lub teflonowych (np. Rogers RO3003). Innym walorem tych laminatów jest wysoka, w porównaniu do laminatu FR4, temperatura Tg rzędu 280°C.

Obwody MCPCB są powszechnie stosowane w urządzeniach dużych mocy, jak np. zasilaczach impulsowych (przetwornicach) oraz lampach oświetleniowych, gdzie źródłami światłą są matryce diod LED dużej mocy w obudowach SMD. Diodowe lampy tego typu wykorzystywane są powszechnie m.in.: w oświetleniu, w przemyśle motoryzacyjnym jako światła zewnętrzne pojazdów oraz w ulicznych sygnalizatorach świetlnych. Laminaty do tych zastosowań pokrywane są najczęściej białą soldermaską, która zwiększa odbicie światła.

Wybór konkretnego materiału produkcyjnego podyktowany jest zakładanymi warunkami pracy oraz typem projektowanego urządzenia. W procesie decyzyjnym pojawia się także czynnik ekonomiczny. Warto jednak mieć na uwadze fakt, że stosowanie wysokiej jakości materiałów ma kluczowy wpływ na niezawodność oraz żywotność urządzenia.

Nietypowe zastosowania laminatów PCB

Laminat typowo stosowany do produkcji obwodów drukowanych wykorzystywany jest także w nietypowych zastosowaniach, m. in.:

- płytach czołowych

Przykładem są systemy pomiarowe zakładane na głowę. Wykorzystuje się je m.in. w medycynie, lotnictwie, różnego rodzaju symulatorach; a także instrumentach elektrycznych, w zabawkach np. elektronicznych kostkach do gry lub robotach edukacyjnych. 

- zintegrowanych modułach montowanych powierzchniowo, bezpośrednio do innego obwodu drukowanego. Przykładem mogą być powszechnie stosowane moduły typu Wi-Fi, Bluetooth lub modemy GSM oraz GPS.

- adapterach pod układy scalone

Pozwalają one zamontować na PCB elementy o innym układzie wyprowadzeń lub obudowie, bez konieczności projektowania nowszej wersji obwodu.

- transformatorach planarnych

W odróżnieniu od typowego transformatora, uzwojenia wykonane są na warstwie miedzi w postaci płaskich cewek. Wewnątrz nich wykonane są otwory przez które przechodzą połówki ferrytowego rdzenia. Tego typu struktury charakteryzują się m.in.: kompaktową budową, małymi wymiarami,  brakiem konieczności stosowania oddzielnego transformatora poza obwodem drukowanym (niższy koszt), niską indukcją rozproszenia i wyższą sprawnością energetyczną w porównaniu do standardowego transformatora w postaci odrębnego elementu.

Znajomość najważniejszych paramentów laminatów pozwoli konstruktorom i projektantom dobrać najbardziej optymalny laminat dopasowany do wymagań i warunków pracy danego urządzenia. Aby zapewnić długie i bezawaryjne funkcjonowanie urządzeń istotne jest zastosowanie laminatów wysokiej jakości. Wiąże się to często z koniecznością poniesienia większych kosztów. W dłuższej perspektywie jednak jest to bardziej opłacalne niż serwisowane i naprawa urządzeń uszkodzonych wskutek zastosowania nieodpowiedniego laminatu.