Печатная плата из ПТФЭ: характеристики материала, эксплуатационные характеристики и варианты производства

Многослойный материал печатной платы под названием тефлон, также известный как ПТФЭ (политетрафторэтилен), отличается исключительными тепловыми и электрическими свойствами с низкой диэлектрической проницаемостью (Dk ~ 2.1), что обеспечивает низкую потерю сигнала, что очень хорошо работает на высоких частотах. Это делает их идеальными для радиочастотных и микроволновых приложений, а также технологий 5G. По сравнению с подложками FR4, ПТФЭ отлично подходит для суровых условий, что обусловлено его инертными химическими свойствами, термической стабильностью и влагостойкостью. Из-за специализированного производственного процесса стоимость изготовления ПТФЭ-печатной платы высока. Любое критически важное приложение, где надежность и точность имеют первостепенное значение, использование ПТФЭ-печатных плат является необходимостью.

Что такое ПТФЭ-печатная плата?

PTFE, наиболее известный как Teflon PCB, является высокопроизводительным ламинированным материалом для печатных плат, который часто используется в приложениях, требующих высокой производительности. Печатные платы из PTFE очень популярны для высокочастотных и высокоскоростных схем благодаря своим превосходным электрическим свойствам с низкой диэлектрической постоянной и низкими потерями сигнала.

Фторполимер PFA обладает замечательной термической стабильностью, химической инертностью и низким трением. Ламинаты PTFE широко используются в производстве печатных плат и отлично подходят для многих приложений, таких как РЧ (радиочастоты), микроволны, аэрокосмическая промышленность и высокоскоростные цифровые технологии, где целостность сигнала имеет первостепенное значение.

Применение ПТФЭ ПХБ

· Схемы ВЧ и СВЧ.

· Аэрокосмическая и оборонная промышленность.

· Цифровые печатные платы для высокой скорости (низкая задержка, незначительное искажение сигнала).

· Медицинская и автомобильная электроника (надежность при эксплуатации в жестких условиях).

Что такое материал печатной платы FR4?

FR4 — наиболее широко используемый субстрат печатных плат, состоящий из тканого стекловолокна с эпоксидной смолой в качестве связующего. Он имеет хорошую механическую прочность, является недорогим и легко изготавливаемым, что делает его идеальным для общих электронных приложений.

Электрические свойства

· Диэлектрическая проницаемость (Dk): ~4.3–4.8 (зависит от частоты и температуры).

· Коэффициент рассеивания (Df): ~0.02 (больше, чем у ПТФЭ, что приводит к большей потере частот сигнала).

· Изоляционное сопротивление: Очень высокий (препятствует утечке между трассами).

· Напряжение пробоя: 10-20 кВ/мм.

Механические свойства

· Высокая жесткость и прочность: Армирован стекловолокном, поэтому отлично подходит для использования в стандартных печатных платах.

· Стабильность размеров: Средний (может немного деформироваться при сильном нагревании или влажности).

· Способность сверлить: Легче поддается обработке, чем ПТФЭ, что обеспечивает экономическую эффективность производства.

Тепловые свойства

· Температура стеклования (Tg) [°C]: 130°C - 180°C (FR4 130°C, высокотемпературный FR4 ~180°C).

· Теплопроводность: Низкое (~0.3 Вт/м·К), что означает, что он не очень хорошо отводит тепло (для мощных цепей требуются тепловые переходы или радиаторы).

· Сопротивление пламени: Соответствует классу UL94 V-0, является самозатухающим, предотвращает распространение пламени.

Устойчивость к воздействию окружающей среды и химикатов

· Поглощение влаги: 0.1% – 0.3% (больше, чем у ПТФЭ, может ухудшить эксплуатационные характеристики во влажной среде).

· Химическая устойчивость:  Устойчив к большинству растворителей, кислот и щелочей, но разрушается при длительном воздействии ультрафиолета.

Объяснение ламината ПТФЭ

Что такое ПТФЭ-ламинат и чем он отличается

Ламинаты PTFE — это разработанные материалы подложки печатных плат, которые подходят для высокочастотных и передовых высокоскоростных конструкций. По сравнению с FR4, PTFE обеспечивает стабильную диэлектрическую постоянную, низкий коэффициент рассеяния, а коммерчески доступный PTFE также обеспечивает хорошую термическую стойкость.

Преимущества материала ПТФЭ для печатных плат

· Низкие потери сигнала.

· Стабильная диэлектрическая проницаемость (стабильные характеристики на разных частотах).

· Хорошая термическая и химическая стойкость (способствует выживанию в суровых условиях).

· Влагостойкость (предотвращает ухудшение эксплуатационных характеристик).

Сравнение диэлектрической проницаемости тефлона (PTFE) и FR4

Когда речь идет о материалах печатных плат, возможно, одним из самых важных свойств, связанных с высокочастотными, радиочастотными и высокоскоростными цифровыми конструкциями, является диэлектрическая проницаемость (Dk или εᵣ). Вот полная история о сравнении Dk между PTFE (тефлоном) и FR4 и о том, как они влияют на производительность печатных плат.

Основные преимущества ПТФЭ-печатной платы

Печатные платы из ПТФЭ (политетрафторэтилена) обеспечивают непревзойденные электрические характеристики, стабильность материала и устойчивость к воздействию окружающей среды, что делает их популярными диэлектриками в области высокочастотной и высокопроизводительной электроники. Очень низкие диэлектрические потери являются одним из самых превосходных преимуществ печатных плат из ПТФЭ. Потеря сигнала имеет решающее значение в ВЧ и СВЧ цепях и влияет на производительность и диапазон. С ПТФЭ эти потери сводятся к минимуму; в результате, при высокочастотных сигналах деградация снижается.

Dk материала печатной платы играет важную роль в распространении сигналов по плате. Обеспечение однородности диэлектрической проницаемости гарантирует постоянное распространение волн и согласование импеданса, что имеет решающее значение для точности синхронизации. Стабильные диэлектрические свойства SPTFE в любых условиях дают инженерам возможность проектировать схемы, которые будут надежно работать в различных рабочих условиях, включая экстремальные температуры.

Благодаря своим электрическим и механическим свойствам ПТФЭ является очевидным выбором для таких критически важных отраслей, как аэрокосмическая, военная и передовая связь. ПТФЭ повышает целостность сигнала в радиолокационных и радиочастотных модулях, сводя к минимуму отражение сигнала и фазовый сдвиг. Он также является фаворитом в спутниковой и космической электронике, где производительность должна быть стабильной в течение длительных периодов времени в непредсказуемых условиях. Его использование в этих секторах не только выгодно, но и часто имеет решающее значение для выполнения нормативных и технических критериев производительности.

Благодаря гораздо более низким показателям теплового расширения ПТФЭ-печатных плат, они сохраняют размерную стабильность даже при быстрых изменениях температуры, связанных с аэрокосмической и промышленной средой, по сравнению с другими типами материалов. Это предотвращает механическое напряжение или смещение слоев. Исключительная химическая и влагостойкость ПТФЭ дополнительно гарантирует длительную работу даже в коррозионных или высоковлажных средах, что делает его идеальным выбором для морских, наружных и химически интенсивных применений.

PTFE идеально подходит для сценариев с различными экстремальными температурами; он постоянно сохраняет свои физические или электрические свойства от криогенных низких температур до экстремальных значений в верхней части спектра. Это делает его подходящим выбором для электроники в экстремальных температурных условиях, включая авионику, военные и космические системы. Он также надежно выдерживает условия с радиационным или сильным вибрационным воздействием, где другие материалы могут выйти из строя. Кроме того, низкое трение, высокая производительность, надежность и долговечность PTFE в критически важных системах обусловлены его низкой скоростью термической деградации с течением времени.

Соображения по проектированию печатной платы из ПТФЭ

Ниже приведены некоторые соображения, которые необходимо учитывать при проектировании печатной платы из ПТФЭ:

· ПТФЭ менее твердый, чем FR4, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить поверхность при сверлении и обработке.

· Требования к производству для особых нужд

· Высокоточное лазерное сверление для симметричного формирования отверстий

· Специализированные процессы нанесения покрытия (например, плазменная обработка для повышения адгезии).

· Требуются методы высокотемпературной пайки.

· ENIG широко используется.

Сравнение стоимости: PTFE и FR4

· ПТФЭ-печатные платы стоят в среднем в 3–5 раз дороже, чем FR4

· Создан для высокочастотных и критически важных приложений

Поставщики материалов для печатных плат из ПТФЭ

Поставщиками материалов для печатных плат являются следующие компании:

· Rogers Corporation (RO3003, RO4350B – печатная плата Rogers).

· Taconic (серии TLX, TLY).

· Арлон (серия AD).

· Изола (IS680, Astra MT77).

· Необходимый фактор высокой производительности: специализированные поставщики.

Процесс производства печатных плат из ПТФЭ

Из-за уникальных свойств ПТФЭ, производство печатных плат из этого материала требует специализированных процессов и инструментов. В отличие от других твердых субстратов, таких как FR4, ПТФЭ мягкий, химически высокоинертен и требует от производителей строго контролируемых процессов, чтобы соответствовать ожиданиям OEM-производителей в отношении производительности, точности и надежности готового продукта.

Ламинаты ПТФЭ чувствительны к механической деформации и размерной нестабильности, поэтому с ними нужно работать осторожно. ПТФЭ не является стандартным материалом, и он не жесткий, и если ПТФЭ не поддерживается должным образом во время обработки, он может растянуться или иным образом деформироваться.

Сверление материалов ПТФЭ сопряжено с трудностями, поскольку они относительно мягкие и склонны деформироваться под давлением. Чтобы решить эту проблему, производители обычно используют лазерное сверление или отдельные микросверла, создавая чистые, точные отверстия даже в высокоплотных межсоединениях (HDI).

Из-за низкой поверхностной энергии ПТФЭ он плохо сцепляется ни с чем, даже с медью во время металлизации. Для облегчения адгезии меди после сверления применяется процесс плазменной обработки. При этом поверхность ПТФЭ химически модифицируется на микроскопическом уровне, делая ее шероховатой и обеспечивая более надежную адгезию с последующим металлическим покрытием.

После обработки поверхности следует меднение, проводящий слой меди наносится на всю плату, а также на просверленные отверстия. Затем следует травление, очень контролируемый процесс, который создает тонкую схему, удаляя излишки меди.

Затем, после этапов гальванизации и травления, несколько слоев ламинируются вместе при высокой температуре и давлении, чтобы получить сплошную многослойную ПТФЭ-печатную плату. Наконец, обработка поверхностей, например, ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золотом) или иммерсионное серебро, которые обеспечивают превосходную паяемость и коррозионную стойкость, что критически важно для приложений с высокой надежностью.

Полный процесс требует точного контроля допусков. Производители используют строгий контроль температуры, индивидуальную оснастку и строго контролируемое давление ламинирования, чтобы смягчить это. Часто ПТФЭ-печатные платы также изготавливаются с использованием возможностей чистого производства, чтобы исключить любые шансы загрязнения и сохранить любые характеристики, необходимые в высокочастотных и прецизионных радиочастотных пространствах.

Заключение

Выбор печатных плат из PTFE (тефлона) или FR4 в конечном итоге зависит от частоты, производительности и бюджетных ограничений вашего приложения. Благодаря сверхнизкой диэлектрической проницаемости (Dk ~2.1), незначительной потере сигнала и выдающейся термической стабильности PTFE является идеальным субстратом для высокочастотных радиочастотных, 5G, аэрокосмических и высокоскоростных цифровых схем, когда целостность сигнала имеет первостепенное значение. Тем не менее, учитывая его относительно высокую стоимость и более специализированные требования к производству, если рассматриваемое приложение является низкочастотным или чувствительным к стоимости, ценовая политика FR4 и удовлетворительные характеристики по-прежнему сделают его лучшим исполнителем. При выборе между этими двумя типами материалов обязательно всегда учитывайте диапазон частот, с которым вы работаете, окружающую среду и ваш бюджет, чтобы не тратить ресурсы на подходы, которые могут быть ненужными для ваших нужд.