Dregur FR4 í sig vatn?

Inngangur:

Á sviði prentaðra rafrása (PCB) efna, FR4 epoxý lagskipt hefur áberandi stöðu vegna fjölhæfra eiginleika þess og víðtækrar notkunar. Eitt af mikilvægu forsendum hvers PCB efnis er hæfni þess til að standast umhverfisþætti, þar með talið rakaupptöku. Þessi grein fjallar um spurninguna: Gleypir FR4 vatn? Við kafum ofan í þetta efni með því að skoða samsetningu FR4, rakaupptökueiginleika þess, afleiðingar fyrir PCB frammistöðu og íhuganir fyrir hönnun og framleiðslu.

Á hinu kraftmikla sviði rafeindaframleiðslu er val á réttu efni fyrir prentplötur (PCB) lykilatriði til að tryggja afköst, áreiðanleika og langlífi rafeindatækja. Meðal hinna ýmsu efna sem til eru, er FR4 epoxý lagskipt áberandi sem vinsælt val vegna jafnvægis samsetningar vélræns styrks, rafeinangrunar og hagkvæmni. Þessi grein fjallar um að svara grundvallarspurningunni: Gleypir FR4 vatn? Með því að kanna samsetningu FR4, rakaupptökueiginleika þess og hagnýtar afleiðingar, stefnum við að því að veita innsýn í hæfi þess fyrir mismunandi notkun í rafeindaiðnaðinum.

Úr hverju er FR4 epoxý?

FR4 epoxýplata lagskipt er samsett efni sem samanstendur af lögum af ofnum trefjaglerdúk gegndreypt með epoxý plastefni bindiefni. Trefjaglerstyrkingin veitir lagskiptum háan vélrænan styrk og víddarstöðugleika, sem gerir það tilvalið til að styðja við rafeindaíhluti og standast vélrænt álag meðan á notkun stendur. Epoxýplastefnið bindur ekki aðeins trefjaglerlögin saman heldur hefur það einnig áhrif á samspil efnisins við umhverfisþætti eins og raka.

Framleiðsluferlið felur í sér að leggja upp mörg lög af trefjaplastefni og bera á epoxýplastefni til að gegndreypa lögin. Þetta lagskipt er síðan hert við háan hita og þrýsting til að búa til traust, endingargott efni sem hentar fyrir PCB notkun. Sérstök einkenni FR4, þar á meðal plastefni, glervefstíl og heildarþykkt, er hægt að sníða til að uppfylla kröfur mismunandi rafrænna hönnunar, sem tryggir hámarksafköst og áreiðanleika.

Hvernig hefur raki áhrif á frammistöðu FR4?

Rakaupptaka er mikilvægt atriði fyrir FR4 epoxý lagskipt í rafrænum forritum, sem hefur áhrif á frammistöðu þess og áreiðanleika við ýmsar umhverfisaðstæður. FR4, mikið notað undirlagsefni í prentplötur (PCB), er þekkt fyrir styrkleika og rafeiginleika, en næmi þess fyrir raka getur haft veruleg áhrif á virkni þess með tímanum.

FR4 lagskipt eru venjulega samsett úr styrkjandi ofnum glerdúk gegndreypt með epoxýplastefni. Þessi samsetning veitir framúrskarandi vélrænan styrk, hitastöðugleika og rafmagns einangrunareiginleika, sem gerir FR4 tilvalið fyrir fjölbreytt úrval rafeindatækja. Hins vegar, þrátt fyrir fyrirhugaða rakaþol, getur FR4 tekið í sig raka þegar það verður fyrir miklum raka eða þegar það er ekki meðhöndlað og geymt á réttan hátt.

Frásog raka með FR4 hefur fyrst og fremst áhrif á tvo mikilvæga þætti: vélrænni heilleika og rafmagnsvirkni. Raki sem kemst inn í efnið getur leitt til víddarbreytinga, þar sem frásogað vatn veldur bólgu í epoxýgrunninu. Þessi óstöðugleiki í vídd getur birst sem skekkja eða delamination á PCB undirlaginu, sem getur hugsanlega skert nákvæmni sem þarf til að setja íhluti og áreiðanleika lóðmálma við samsetningarferli.

Þar að auki getur nærvera raka innan FR4 breytt rafeiginleikum þess, sem eru mikilvæg til að viðhalda heilleika merkja í rafrásum, sérstaklega þeim sem starfa á háum tíðnum. Rafstuðullinn (ε) og tapstangens (tan δ) FR4 geta breyst verulega með mismunandi rakainnihaldi. Aukning á rakainnihaldi leiðir venjulega til hækkunar á rafstuðlinum og tapstangens á FR4 epoxýplata. Þessar breytingar geta leitt til ósamræmis viðnáms, brenglunar merkja og að lokum dregið úr afköstum háhraða stafrænna og hliðrænna hringrása.

Til dæmis, í hátíðniforritum þar sem sending og móttaka merkja er mikilvæg, getur jafnvel smávægileg breyting á rafeiginleikum vegna rakaupptöku leitt til ósamræmis viðnáms, merkideyfingar eða fasabreytinga. Þessi áhrif geta leitt til villna í gagnaflutningi, minni merkjagæði og almennt minni áreiðanleika rafeindabúnaðarins.

Til að draga úr skaðlegum áhrifum rakaupptöku í FR4 er hægt að framkvæma nokkrar fyrirbyggjandi aðgerðir á framleiðslu- og notkunarstigum PCB. Framleiðendur nota oft hlífðarhúð eða lagskipt á PCB yfirborðið til að lágmarka innstreymi raka. Rétt geymslu- og meðhöndlunaraðferðir eru einnig nauðsynlegar; FR4 ætti að geyma í stýrðu umhverfi með stjórnað hitastigi og rakastigi til að koma í veg fyrir óþarfa útsetningu fyrir raka.

Við samsetningu PCB er mikilvægt að tryggja að rakaviðkvæmir íhlutir séu meðhöndlaðir í samræmi við iðnaðarstaðla (eins og IPC/JEDEC J-STD-033) til að koma í veg fyrir rakatengda galla eins og popp eða sprungur í lóðmálmi. Fyrir samsetningu geta PCB-efni gengist undir bökunarferli til að fjarlægja frásogðan raka, algeng aðferð sem kallast „forbakstur“.

Hönnunarsjónarmið gegna lykilhlutverki við að stjórna rakaáhrifum í FR4-undirstaða PCB. Verkfræðingar verða að gera grein fyrir hugsanlegri rakaupptöku þegar þeir hanna PCB skipulag og velja efni. Þeir geta valið lagskipt efni með lægri rakaupptökuhraða eða beitt tækni eins og stýrðri viðnámshönnun til að draga úr áhrifum rakaframkallaðra breytinga á rafeiginleikum.

Hvaða ráðstafanir er hægt að gera til að draga úr rakaupptöku í FR4?

Til að draga úr áhrifum rakaupptöku í FR4 epoxý lagskipt, er hægt að framkvæma nokkrar fyrirbyggjandi ráðstafanir í gegnum PCB framleiðslu og samsetningarferlið. Í fyrsta lagi getur val á epoxýkvoða með lágt vatnsupptökuhraða dregið verulega úr næmni efnisins fyrir innkomu raka. Framleiðendur geta einnig borið hlífðarhúð eða þéttiefni á brúnir og yfirborð PCB til að skapa hindrun gegn umhverfisraka.

Rétt geymslu- og meðhöndlunaraðferðir eru jafn mikilvægar til að koma í veg fyrir að raki komi í veg fyrir afköst FR4. PCB ætti að geyma í þurru, loftslagsstýrðu umhverfi til að lágmarka útsetningu fyrir raka fyrir og eftir samsetningu. Við samsetningu geta tækni eins og lögun húðunar eða notkun rakaþolinna lóðagríma aukið rakaþol FR4-undirstaða PCB enn frekar, sem tryggir langtíma áreiðanleika við fjölbreyttar rekstraraðstæður.

Að lokum, þó að FR4 epoxý lagskipt bjóði upp á öfluga vélræna eiginleika og rafeinangrun sem hentar fyrir margs konar rafeindanotkun, er samspil þess við raka áfram mikilvægt atriði. Með því að skilja samsetningu efnisins, eiginleika rakaupptöku og innleiða árangursríkar mótvægisaðgerðir geta hönnuðir og framleiðendur nýtt sér styrkleika FR4 á sama tíma og þeir verjast hugsanlegum umhverfisáskorunum. Þessi nálgun eykur ekki aðeins frammistöðu og endingu rafeindabúnaðar heldur tryggir einnig samræmi við iðnaðarstaðla um áreiðanleika og öryggi.

Tilvísanir:

1. IPC staðlar, "IPC-4101D: Forskrift fyrir grunnefni fyrir stíf og fjöllaga prentuð borð," IPC (Association Connecting Electronics Industries), 2017.
2. Lee W. Ritchey, "Right the First Time, A Practical Handbook on High-Speed ​​PCB and System Design," Speeding Edge, 2003.
3. John R. Barnes, "Electronics Reliability and Measurement Technology: Nodestructive Evaluation," CRC Press, 2018.
4. Thomas F. Schubert, „High Speed ​​Digital Design: A Handbook of Black Magic,“ Prentice Hall, 2003.
5. Douglas Brooks, "Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design," IEEE Press, 2003.
6. Rick Hartley, "Háhraða PCB skipulagstækni," Speeding Edge, 2019.
7. Ken Coffman, "Designing Circuit Boards with EAGLE: Make High Quality PCBs at Low Cost," Maker Media, Inc, 2014.
8. Michael Pecht, "Printed Circuit Boards: Design, Fabrication, Assembly and Testing," Springer, 2010.
9. American Society for Testing and Materials, "ASTM D3039/D3039M-17: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials," ASTM International, 2017.
10. Jean-Pierre Colinge, „Nanoscale CMOS: Innovative Materials, Modeling and Characterization,“ Springer Science & Business Media, 2010.

Þessar tilvísanir veita yfirgripsmikla innsýn í efnisvísindi, hönnunarreglur og áreiðanleikasjónarmið sem eiga við um FR4 epoxý lagskipt og PCB framleiðslu.