על אף שקיימים סוגים רבים של חומרי חיזוק המשמשים ברקיבים, אריג זכוכית פשוט (הארוג מסיבי זכוכית) הוא הנפוץ ביותר בפער גדול. חומרים נוספים כוללים נייר, צלולואיד/צלולופן, סיבי ארמיד לא-ארוגים, זכוכית לא-ארוגה וחומרי מילוי שונים. לאריג הזכוכית יתרונות רבים: תכונות מכניות וחשמליות מצוינות, התאמה לייצור למינות במגוון רחב של עוביים ועלות יחסית נמוכה.
סיבי זכוכית ארוגים
סיבי זכוכית ארוגים הם חומר החיזוק הנפוץ ביותר בייצור PCB. הם מיוצרים על ידי התכת חומרי גלם אנאורגניים, משיכתם לפילמנטים דקים, טווייתם לחוטים ואריגתם לאריג זכוכית. הסוג הנפוץ ביותר הוא E-glass, בזכות איזון תכונות טוב ועלות מתונה. NE-glass ו-L-glass הם וריאנטים משופרים בעלי קבוע דיאלקטרי (Dk) ומקדם הפסד (DF) נמוכים יותר, אך יקרים יותר. S-glass מספק חוזק מכני גבוה יותר, אולם עיבודו מאתגר יותר.
אריג זכוכית
אריג זכוכית הוא אחד מחומרי החיזוק הנפוצים ביותר ברקיבי PCB. ביצועיו מושפעים ממספר גורמים: ההרכב הכימי של E-glass, קוטר הפילמנט, סוג החוט וסגנון האריגה. מבני אריגה שונים יוצרים הבדלים בעובי, בצפיפות ובהתנהגות המכאנית, המשפיעים בתורם על חוזק הלוח ותכונותיו החשמליות.
בייצור PCB משתמשים כמעט תמיד באריג E-glass באריגת בד פשוטה (plain weave), שבה חוטי השתי עוברים לסירוגין מעל ומתחת לחוטי הערב. מבנה זה מונע החלקת חוטים ומשפר את היציבות הממדית. דגמי אריג נפוצים (למשל 1080, 2116, 7628) מציעים עוביים נומינליים שונים באותו אחוז שרף; בחירת סוג האריג והעובי המתאים חיונית לבקרת עכבה ולעיצוב עובי הלוח הכולל.
לשיפור העיבוד והאמינות, אריג הזכוכית מטופל בדרך כלל בסוכן צימוד סילאני במהלך הייצור. תרכובות אורגנו-סילאן אלה משפרות הרטבה והדבקה בין-שכבתית (interlaminar), מסייעות ליציבות הלמינציה בעת קידוח ובתנאי לחות גבוהה, ומדכאות ביעילות תופעת CAF – Conductive Anodic Filaments (סיבי אנודה מוליכים), ובכך מאריכות את חיי ה-PCB.
חומרי חיזוק נוספים
לצד אריג הזכוכית הארוג שהוא החומר העיקרי, נעשה שימוש גם בחומרים אחרים – או בשילובים היברידיים עם סיבי זכוכית. להלן חלופות נפוצות:
מחצלת זכוכית (זכוכית לא-ארוגה)
מחצלת זכוכית היא חומר חיזוק לא-ארוג בעל כיווניות סיבים אקראית יותר בהשוואה לאריג זכוכית מסורתי. היא מיוצרת על ידי קירור/השָּׁבָה של חוט סיבי זכוכית, מתיחתו לגדילים באורך כ-1–2 אינץ’ והנחתם הרציפה בכיוונים אקראיים דמויי ספירלה. מחצלות זכוכית משמשות בדרך כלל כשכבת ליבה ברקיבי CEM-3, ומתאימות לאלקטרוניקה כללית עם דרישות ביצועים מתונות.
סיבי ניילון
בניגוד לסיבי זכוכית אנאורגניים, סיבי ניילון עשויים מתרכובות אורגניות כגון ארמיד (פוליאמיד ארומטי), והם מצטיינים בתכונות ייחודיות. ב-PCB עתירי ביצועים או בלמינות MCM-L (Multi-Chip Module Laminates) מוערכים סיבי הניילון בזכות:
- הסרה קלה בפלזמה או בלייזר – אידאלי לקידוח Microvia.
- משקל נמוך וחוזק גבוה – לשיפור יציבות מבנית.
- מקדם התפשטות תרמית (CTE) שלילי בציר האורכי – להפחתת מאמצים תרמיים. תכונות אלו הופכות את סיבי הניילון לחלופה חזקה לסיבי זכוכית בעיצובי תדר גבוה ומזעור.
פילמנטים רציפים קוויים של זכוכית
שימוש בפילמנטים רציפים של זכוכית כחומר חיזוק ללמינות הוא טכניקה ייחודית. הלמינה המתקבלת מורכבת משלוש שכבות פילמנטים: השכבות החיצוניות מקבילות זו לזו, ואילו השכבה האמצעית ניצבת להן. כאשר מספר הפילמנטים בכל כיוון שווה, מבנה חיזוק זה משפר משמעותית את היציבות הממדית.
נייר
נייר סיבי יכול לשמש כחומר חיזוק ברקיבים – לבדו או בשילוב עם חומרים אחרים כגון אריג זכוכית ליצירת מבנה מרוכב. ניתן לעבד מרוכב זה בליסטות/ניקוב בלבד (punching), לא בקידוח, מה שהופך אותו לחסכוני ומעשי לייצור המוני של אלקטרוניקה פשוטה כגון רדיו, צעצועים, מחשבונים וקונסולות משחק.
חיזוק מבוסס נייר נמצא בעיקר בחומרים FR-2 ו-FR-3, וכן כשכבת ליבה ב-CEM-1.
חומרי מילוי (Fillers)
חומרי מילוי הם חלקיקים אנאורגניים עדינים המתווספים לשרפים לצורך כיוונון תכונות החומר. סוגים נפוצים: טלק, סיליקה, קאולין ו-מיקרוספרות זכוכית חלולות. בעומס נכון ופיזור הומוגני, חומרי מילוי יכולים לשפר באופן משמעותי היבטי ביצועים רבים של תתי-רכיבי PCB. בחומרי PCB עתירי ביצועים נעשה שימוש בחומרי מילוי כדי:
- להוריד את הקבוע הדיאלקטרי (Dk) לשיפור ביצועי אותות בתדרים גבוהים ובמהירויות גבוהות.
- לשלוט ב-CTE להפחתת מאמצים בין-שכבתיים ולהעלאת האמינות.
- לשפר את יכולת הקידוח ולהפחית נזק לדפנות החור בתהליך.
- להגביר יציבות ממדית ולהפחית עלויות. במיוחד בהלחמה ללא עופרת, חומרי המילוי מסייעים בצמצום התפשטות בציר Z, ובכך מפחיתים מאמץ ועיוות ב-חורים מצופים (PTHs) בטמפרטורות מוגברות.
פוליטטרהפלואתילן מורחב (ePTFE)
ePTFE הוא חומר מיקרו-נקבובי, שאמנם אינו מסווג בדרך כלל כחומר חיזוק, אך מעניק ביצועים מצוינים ביישומים הדורשים קבוע דיאלקטרי נמוך במיוחד או הפסדי אות נמוכים, בזכות המבנה ה”ספוגי“ שלו. נהוג לשלב ePTFE עם שרף ליצירת Prepreg בשלב B-stage, המשמש להדבקת שכבות ב-PCB מרובי-שכבות. פרפרגים אלו נפוצים במעגלי תדירות גבוהה, לרבות RF ומערכות תקשורת מהירות.
סיכום
חומרי החיזוק הם אחד הגורמים המרכזיים הקובעים את ביצועי ה-PCB. מעבר לתמיכה מבנית, הם משפיעים על תכונות חשמליות, יציבות תרמית ואמינות כללית. מה-E-glass הנפוץ ועד אפשרויות פונקציונליות כמו חומרי מילוי ו-ePTFE, בחירה ויישום נכונים של החומרים יכולים לשפר משמעותית את ביצועי הלוח. הבנת התכונות ותחומי היישום שלהם מסייעת למהנדסים לתכנן מעגלים מודפסים איכותיים ואמינים יותר.
