Các loại vật liệu mạch in

Printed Circuit Board - bảng mạch in (PCB) là thành phần quan trọng trong hệ thống điện tử, có chức năng chính là để gá lắp và hàn các linh kiện điển tử lên nó tạo ra hình dáng cơ khí, kết nối điện giữa các linh kiện với nhau thông qua các đường dẫn và các pad hàn được thực hiện trên tấm đồng mỏng ép lên một chất nền không dẫn điện. PCB có thể là một lớp đơn (single sided), hai lớp (double sided) hoặc nhiều lớp (multi-layers). Các đường dẫn ở các lớp khác nhau được nối với nhau bằng các vias, PCB nhiều lớp nâng mật độ linh kiện cao lên hơn nhiều.

Một PCB nói chung gồm 4 phần chính, được gia nhiệt với nhau thành một lớp đơn duy nhất, theo thứ tự từ trên xuống dưới là: Silkscreen, Soldermask, Copper và Substrate, được minh họa ở hình dưới.

• Silkscreen(): Được in ở lớp ngoài của board mạch (thường có màu trắng), nó biểu thị tên hoặc giá trị của linh kiện,  giúp chúng ta dễ dàng nhận biết được đó là linh kiện nào, giá trị bao nhiêu…Silkscreen có thể được in ở cả 2 mặt của board mạch. Đây cũng là lớp không dẫn điện trong PCB
• Soldermarsk(): là lớp phủ bóng bên ngoài của board mạch, thông thường là màu xanh dương, đỏ hoặc xanh lá. Lớp phủ này tránh chạm mạch trên board ở những chỗ đường mạch quá gần nhau, và giúp hàn linh kiện dễ dàng. Đây là lớp không dẫn điện trong PCB.
• Copper (lớp phủ đồng):là một lớp đồng mỏng được ép lên một chất nền với một hỗn hợp nhiệt và chất kết dính. Lớp phủ đồng này tùy theo mục đích sử dụng mà sẽ có các độ dày khác nhau, đơn vị thường dùng là OZ (1OZ = 0.035mm = 35 um).
• Substrate (chất nền – lớp điện môi):là thành phần chính để phân biệt các loại vật liệu mạch in (PCB material) khác nhau, khi nói đến vật liệu mạch in phải ngầm hiểu đó là loại vật liệu cấu thành nên chất nền.

Các tấm chất nền được sản xuất bằng cách duy trì áp suất và nhiệt độ nhất định đối với các lớp sợi hoặc giấy cùng với nhựa nhiệt cứng để tạo thành tấm hợp nhất với độ dày đồng nhất. Chất liệu sợi sử dụng, chất nhựa và tỷ lệ giữa chúng xác định loại của các tấm chất nền khác nhau như FR-4, CEM-1, G-10...và cũng quyết định đến đặc tính của chúng. Một số đặc tính quan trọng của tấm chất nền như khả năng chống cháy, hằng số điện môi (e_r), hệ số tổn hao (tδ), độ bền, hệ số giãn nở trục Z (độ dày thay đổi theo nhiệt độ)...

Có khá nhiều chất điện môi khác nhau có thể lựa chọn để cung cấp các giá trị cách điện khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của mạch. Một số vật liệu sơ chế nổi bật được dùng trong công nghiệp PCB là FR-2 (giấy cotton phenolic), FR-3 (giấy cotton và epoxy), FR-4 (sợi thủy tinh và epoxy), FR-6 (thủy tinh mờ và polyester), CEM-1, CEM-2 (giấy cotton và epoxy), CEM-3 (thủy tinh không kết dính và epoxy), CEM-4 (thủy tinh kết dính và epoxy), CEM-5 (thủy tinh kết dính và polyester). Sự giãn nở theo nhiệt độ là một sự cân nhắc quan trọng, đặc biệt đối với BGA, sợi thủy tinh đưa ra được sự ổn định về kích thước tốt nhất.

FR-4 cũng là chất liệu được sử dụng rộng rãi và phổ biến hiện nay.

Một số vật liệu thường gặp:

• FR-2 (Flame Retardant 2): thành phần là giấy phenolic hoặc giấy cotton phenolic, giấy được ngâm tẩm với nhựa phenol formaldehyde. Nó có giá rẻ, phổ biến trong các thiết bị điện tử tiêu dùng cấp thấp với bản mạch 1 lớp. Thuộc tính điện kém hơn FR-4, kháng hồ quang kém, thường dùng đến 105°C. Thành phần nhựa thay đổi theo nhà cung cấp.
• FR-4 (Flame Retardant 4): thành phần là sợi thủy tinh được ngâm tẩm với nhựa epoxy. Khả năng hấp thụ nước thấp (khoảng 15%), tính chất cách điện tốt, kháng hồ quang tốt. Đây là loại rất phổ biến trong công nghiệp,thường dùng đến 130°C. FR-4 mỏng khoảng 0.1mm có thể được sử dụng cho các bo mạch cần uốn cong.
• Aluminium: bảng mạch kim loại hay đế kim loại cách điện (IMS) được phủ một lớp điện môi mỏng có khả năng dẫn nhiệt, thường được sử dụng cho các chuyển mạch công suất cần làm mát, các hệ thống đèn LED. Nó thường là các bảng mạch đơn, thỉnh thoảng là 2 lớp giống như FR-4, được ép trên các tấm kim loại nhôm với độ dày phổ biến 0.8, 1, 1.5, 2 hoặc 3mm.
• Flexible substrates: chất nền dẻo, có thể là các lá phủ đồng độc lập hoặc được ép trên một chất làm cứng mỏng.

Kapton: một lá polyimide, thường được dùng cho các mạch in dẻo, phổ biến trong các thiết bị điện tử tiêu dùng kiểu dáng nhỏ hoặc các kết nối linh hoạt, chịu được nhiệt độ cao.

Pyralux: một lá hợp chất tổng hợp polyimide - flouropolymer, lớp đồng có thể tách trong quá trình hàn.

Một số vật liệu ít gặp hơn:

• FR-1(Flame Retardant 1): giống FR-2, nhiệt độ danh định đến 105°C, một số có thể lên đến 130°C, nó giống như các tấm bìa cát tông, chống ẩm kém, kháng hồ quang thấp.
• FR-3(Flame Retardant 3): giấy cotton ngâm tẩm với nhựa epoxy, thường dùng đến 105°C.
• FR-5(Flame Retardant 5): sợi thủy tinh với epoxy, khả năng chịu nhiệt cao hơn, thường danh định tới 170°C.
• FR-6(Flame Retardant 6): thủy tinh mờ và polyester.
• G-10: thủy tinh kết dính và epoxy, cách điện tốt, hấp thụ độ ẩm thấp, độ bền cao, thường dùng đến 130°C.
• G-11: thủy tinh kết dính và epoxy, chịu được độ bền cao ở nhiệt độ cao, thường dùng đến 170°C.
• CEM-1: giấy cotton và epoxy.
• CEM-2: giấy cotton và epoxy.
• CEM-3: thủy tinh không kết dính và epoxy.
• CEM-4: thủy tinh kết dính và epoxy.
• CEM-5: thủy tinh kết dính và polyester.
• PTFE: thành phần gồm gốm/vật liệu tổng hợp PTFE, rất đắt, tổn hao điện môi thấp, thường dùng cho ứng dụng tần số cao, tỷ lệ gốm/PTFE cho phép điều chỉnh hằng số điện môi và hệ số giản nở nhiệt.
• RF-35: sợi thủy tinh gia cố với gốm/PTFE, tương đối rẻ hơn, tính chất cơ học tốt, đặc tính tần số cao tốt.
• Polyimide: một loại polymer chịu được nhiệt độ cao, độ thấm nước cao hơn, có thể dùng tới nhiệt độ 260°C.

Tóm lại với ngành công nghiệp PCB ngày càng phát triển càng có nhiều loại vật liệu mạch in khác nhau được sử dụng. FR-4 là vật liệu vẫn được dùng phổ biến và rộng rãi nhất, nó đem lại sự cân bằng giữa giá thành, khả năng sản xuất, tính chất điện, độ bền và hiệu suất. Việc lựa chọn vật liệu mạch in nào phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Nếu khách hàng cần làm những mạch có yêu cầu đặc biệt có thể liên hệ trực tiếp với chúng tôi.