הבסיס האמיתי של לוח מעגל מודפס (PCB) הוא חומר הבסיס—השכבה שעליה מונח הנחושת והיא זו שמגדירה את הביצועים החשמליים, התרמיים והמכניים של הלוח. הבנה של חומרי PCB תעזור לך לבחור נכון מבחינת מהירות האות, פיזור חום ואמינות.
ממה עשויים לוחות PCB?
לכל לוח PCB יש כמה חלקים עיקריים:
- יריעת נחושת – השכבה המוליכה שמעבירה את האותות החשמליים.
- תת־שכבה (Core/Laminate) – שכבה מבודדת הנושאת את הנחושת וקובעת את רוב התכונות הפיזיקליות של הלוח.
- מסכת הלחמה (Solder Mask) – הציפוי הירוק (או בצבע אחר) שמגן על הנחושת.
- משי (Silkscreen) – טקסט וסימונים מודפסים על פני השטח.
מתוך כל אלה, חומר התשתית הוא הקריטי ביותר: הוא קובע כיצד יתנהג הלוח בחום, בעומס חשמלי או בכיפוף מכני.
משפחות חומרי PCB נפוצות
FR-4 (בד סיבי זכוכית עם אפוקסי)
הסטנדרט לרוב הלוחות. עשוי מבד סיבי זכוכית ארוג הספוג בשרף אפוקסי.
- מאפיינים טיפוסיים: Dk ≈ 3.8–4.8, Df ≈ 0.009–0.02, Tg ≈ 130–180°C.
- יתרונות: עלות נמוכה, עיבוד קל, חוזק מכני, זמינות גבוהה.
- מגבלות: איבודי אות עולים בתדרים גבוהים מאוד; מארג הזכוכית עלול ליצור שינויי אימפדנס בעיצובי מהירות גבוהה.
- יישומים: אלקטרוניקה צרכנית, בקרה תעשייתית, מודולים לרכב.
קיימות גרסאות Tg גבוה המתאימות לריתוך ללא עופרת ולדרישות אמינות תרמיות גבוהות.
לוחות קרמיים (AlN / Al₂O₃)
חומרים כמו ניטריד אלומיניום (AlN) ותחמוצת אלומיניום (Al₂O₃) משמשים כשצריך ביצועים תרמיים או חשמליים מעבר ליכולות FR-4.
- תכונות עיקריות: מוליכות תרמית גבוהה (במיוחד AlN), הפסד דיאלקטרי נמוך, יציבות ממדית מצוינת.
- יתרונות: אידאליים למעגלי הספק ותדר גבוה; עמידים לטמפרטורות קיצון.
- מגבלות: יקרים וקשים יותר לעיבוד לעומת למינטים סטנדרטיים.
- יישומים: מודולי הספק, קדמיות RF, תאורת רכב, מערכות לייזר.
לעיתים משתמשים ב־DCB – Direct Copper Bonding או DPC – Direct Plated Copper להצמדת נחושת ישירות לקרמיקה ולהפחתת התנגדות תרמית.
לוחות אלומיניום/ליבת מתכת (IMS / MCPCB)
לוחות בעלי ליבת מתכת עם שכבה דיאלקטרית דקה המחוברת לבסיס מתכתי (בד״כ אלומיניום), ליצירת מסלול חום ישיר מהרכיב למתכת.
- מבנה: נחושת + דיאלקטרי דק (0.1–0.3 מ״מ) + בסיס אלומיניום.
- יתרונות: פיזור חום מצוין וחוזק מכני גבוה.
- מגבלות: לרוב מוגבלים לשכבה אחת או שתיים; פחות מתאים למולטילייר מורכב או HDI.
- יישומים: תאורת LED, ספקי כוח, דרייברים למנועים, אלקטרוניקת רכב.
פתרון חסכוני כאשר פינוי חום הוא עדיפות ואין צורך בניווט רב־שכבתי.
חומרים מתמחים נוספים
- למינטים מבוססי PTFE (טפלון): ל־RF/מיקרוגל/גל מילימטרי עם הפסד נמוך במיוחד; ביצועי RF מצוינים אך יקרים וקשים לעיבוד.
- פולי־אימיד (PI): ללוחות גמישים ו-Rigid-Flex; עמידות תרמית גבוהה וגמישות מכנית טובה.
הבנת תכונות החומר המרכזיות
- Tg – טמפרטורת מעבר זכוכית: מעבר השרף מקשיח לרך. Tg גבוהה (>170°C) מתאימה לפרופילי Reflow ללא עופרת ולמחזורי חום חוזרים.
- Dk – קבוע דיאלקטרי: קובע את מהירות התפשטות האות והאימפדנס; Dk נמוך מפחית השהיה והפסדים.
- Df – גורם הפסד: מדד לאיבוד דיאלקטרי; Df נמוך פירושו הנחתה קטנה יותר – חשוב בתדרים גבוהים.
- CTE – מקדם התפשטות תרמית: כמה החומר מתפשט עם הטמפרטורה; התאמת CTE לנחושת ולרכיבים מפחיתה מאמצים בהלחמות (למשל תחת BGA).
- מוליכות תרמית: כמה טוב החום זורם דרך החומר; קריטי ליישומי הספק ו-LED.
עובי נחושת ומיפוי יישומים
עובי הנחושת משפיע על כושר נשיאת הזרם, על האימפדנס ועל פיזור החום.
המרה:
- 0.5 oz/ft² ≈ 17.5 מיקרון
- 1 oz/ft² ≈ 35 מיקרון
- 2 oz/ft² ≈ 70 מיקרון
- 3 oz/ft² ≈ 105 מיקרון
כללי אצבע:
- שכבות אות/מהירות גבוהה: 0.5–1 oz לשליטה טובה ותכונות עדינות.
- שכבות הספק/אדמה: 1–2 oz להתנגדות נמוכה ויציבות מתח.
- Heavy-Copper (>3 oz): לזרמים גבוהים או לפיזור חום משמעותי.
זכרו: יותר נחושת משפרת תרמית, אך מקשה על חריטה ומגבילה מרחקים מינימליים.
סיכום השוואת חומרים
- FR-4: מוליכות תרמית נמוכה (~0.3 W/m·K), הפסדים בינוניים, התאמת CTE בינונית, עלות נמוכה, יכולת מולטילייר מצוינת. שימושים: אלקטרוניקה כללית.
- קרמי Al₂O₃: מוליכות תרמית בינונית (20–30), הפסד נמוך, התאמת CTE מצוינת, עלות בינונית, מולטילייר מוגבל. שימושים: RF וחיישנים.
- קרמי AlN: מוליכות תרמית גבוהה מאוד (150–200), הפסד נמוך מאוד, התאמת CTE מצוינת, עלות גבוהה, מולטילייר מוגבל. שימושים: הספק, RF, לייזר.
- אלומיניום IMS: מסלול חום מתון (דיאלקטרי + ליבת מתכת), הפסד בינוני, התאמת CTE סבירה, עלות נמוכה-בינונית, מולטילייר מוגבל. שימושים: LED, ספקי כוח.
דוגמאות לערימות שכבות (Stack-Ups) ויישומים
- FR-4 רב־שכבתי (4–8 שכבות): נחושת 0.5–1 oz; התאמת עובי הדיאלקטרי לשליטת אימפדנס.
- מודולי הספק/LED (IMS): שכבה אחת עם ליבת אלומיניום לפינוי חום מהיר.
- עיצובים תרמיים גבוהים (קרמי): AlN/Al₂O₃ עם הצמדת נחושת ישירה למודולים עתירי הספק ותדר גבוה.
כל מבנה מאזֵן בין ביצועים חשמליים, ניהול חום ועלות.
שאלות נפוצות
ש1: ממה עשויים לוחות PCB?
מיריעת נחושת המלוכדת אל בסיס מבודד כמו FR-4, קרמיקה או אלומיניום, וכן מסכת הלחמה והדפסת משי.
ש2: מה ההבדל בין PCB קרמי ל-PCB אלומיניום?
קרמיקה—בייחוד AlN—מציעה מוליכות תרמית גבוהה והפסד נמוך, מתאימה ל-RF ולהספק. אלומיניום זול וקל יותר לייצור, מתאים ל-LED ולספקי כוח.
ש3: איך בוחרים עובי נחושת?
לשכבות אות בחרו 0.5–1 oz, לשכבות הספק/תרמיות 2 oz ומעלה. תמיד חשבו על רוחב מוליך, מספר ויאס וסך הזרם.
סיכום
בחירת חומר ה-PCB נשענת על שלושה גורמים: ביצועי אות, ניהול חום וכדאיות ייצור.
- לרוב היישומים, FR-4 הוא הבחירה המאוזנת ביותר.
- לעומסי הספק גבוהים או טמפרטורות גבוהות, קרמיקה או אלומיניום-IMS יספקו תרמית עדיפה.
- התאימו תמיד את Tg, Dk/Df, CTE והמוליכות התרמית לדרישות המערכת.
הבנה של העקרונות הללו תאפשר לכם לתכנן לוחות אמינים, יעילים ובעלי עלות-תועלת טובה לאורך זמן.
