Материалы основания печатных плат
FR-4, High-Tg, CEM, алюминий, Rogers, PTFE, полиимид — параметры и выбор.
Материал основания (ламината) определяет термостойкость, электрические потери на высоких частотах, теплоотвод, механическую прочность и стоимость платы. Ключевые параметры выбора: температура стеклования Tg, температура разложения Td, диэлектрическая проницаемость Dk, тангенс угла потерь Df, теплопроводность и коэффициент теплового расширения CTE.
| Материал | Tg, °C | Td, °C | Dk | Df | k, Вт/(м·К) | CTE (Z) | Цена | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FR-4 станд. (Tg130/140) | 130–140 | 300–340 | 4,2–4,7 @ 1 ГГц | ~0,02 | 0,3 | 50–70 | ×1,0 | массовая электроника |
| FR-4 High-Tg (170/180) | 170–180 | 340–360 | 4,2–4,6 | ~0,02 | 0,3 | 45–55 | ×1,3 | многослойные, Pb-free пайка |
| CEM-1 | 120–130 | <300 | 4,2–4,8 | 0,02–0,03 | 0,3 | высокий | ×0,6 | дешёвые односторонние |
| CEM-3 | 120–140 | <300 | 4,2–4,8 | 0,02–0,03 | 0,3 | высокий | ×0,7 | дешёвые двусторонние |
| Алюминиевое (MCPCB) | 130–180 (диэл.) | — | — | — | 1–3 (диэл.), Al ~150–200 | низкий (Al) | ×1,5–2,5 | мощные LED, силовая |
| Медное основание | 130–180 (диэл.) | — | — | — | 1–9 (диэл.), Cu ~390 | низкий (Cu) | ×3–5 | сверхмощные LED, силовые модули |
| Rogers RO4003C | >280 | 425 | 3,38 (проект. 3,55) @ 10 ГГц | 0,0027 | 0,6–0,7 | низкий | ×6–10 | ВЧ, антенны, радары |
| Rogers RO4350B | >280 | ~390 | 3,48 (проект. 3,66) @ 10 ГГц | 0,0037 | 0,6 | низкий | ×6–10 | ВЧ, базовые станции |
| PTFE (тефлон) | высокая | высокая | 2,1–2,2 @ 10 ГГц | 0,0002–0,001 | 0,2–0,5 | высокий, анизотр. | ×8–15 | мм-волны, спутник, СВЧ-фильтры |
| Полиимид (flex) | 250+ (часто >300) | >400 | 3,4–3,5 | 0,002–0,01 | 0,2 | средний | ×3–6 | гибкие платы, аэрокосмос |
FR-4 (стеклотекстолит, эпоксид + стеклоткань)
Базовый и самый распространённый материал: эпоксидная смола, армированная стеклотканью, медная фольга. Делится по Tg на стандартный и High-Tg.
- Стандартный Tg130/140: Tg = 130–140 °C, Td ≈ 300–340 °C.
- High-Tg 170/180: Tg = 170–180 °C, Td ≈ 340–360 °C (стойкость к бессвинцовой пайке и многократному оплавлению).
- Dk ≈ 4,2–4,7 (на 1 ГГц, зависит от смолы/наполнения); Df ≈ 0,02 (высокий — для ВЧ плох).
- Теплопроводность ≈ 0,3 Вт/(м·К) (низкая).
- CTE по оси Z ≈ 50–70 ppm/°C (выше Tg резко растёт).
- Применение: 90 % всей электроники. High-Tg — многослойные платы, бессвинцовая пайка, силовая электроника.
CEM-1 и CEM-3 (композитные эпоксидные)
Бюджетная альтернатива FR-4. CEM-1 — бумажная сердцевина с одним слоем стеклоткани (только односторонние платы). CEM-3 — нетканое стекловолокно в сердцевине + стеклоткань снаружи, можно делать двусторонние платы с металлизацией.
- Tg: CEM-1 ≈ 120–130 °C; CEM-3 ≈ 120–140 °C (ниже FR-4 по термостойкости).
- Td: ниже, чем у FR-4.
- Dk ≈ 4,2–4,8; Df ≈ 0,02–0,03.
- Теплопроводность ≈ 0,3 Вт/(м·К).
- Применение: дешёвая бытовая техника, светотехника, односторонние платы (CEM-1); CEM-3 — недорогая замена FR-4 для двусторонних плат.
Алюминиевое основание (MCPCB, теплоотвод)
Металлическое основание: алюминиевая пластина + тонкий теплопроводящий диэлектрик + медная фольга. Тепло отводится сквозь диэлектрик в алюминий.
- Диэлектрик: эпоксид/полиимид с керамическим наполнением, толщина 75–150 мкм.
- Теплопроводность диэлектрика: 1–3 Вт/(м·К) (против 0,3 у FR-4).
- Алюминий: типично 1,0–3,2 мм, теплопроводность ~150–200 Вт/(м·К).
- Tg диэлектрика: зависит от смолы (~130–180 °C).
- Применение: мощные светодиоды, LED-драйверы, силовая электроника, преобразователи. Обычно односторонние.
Медное основание
Аналог MCPCB, но базовая пластина — медь (теплопроводность ~390 Вт/(м·К), вдвое выше алюминия). Дороже и тяжелее, но максимальный теплоотвод.
- Теплопроводность диэлектрика: 1–9 Вт/(м·К) (керамическое наполнение).
- Применение: сверхмощные светодиоды, силовые модули, RF-усилители мощности, где алюминия недостаточно.
Rogers RO4003C / RO4350B (ВЧ/СВЧ, керамо-углеводородные)
Углеводородно-керамические ламинаты для высоких частот: стабильный Dk, очень низкие потери, обрабатываются как FR-4 (без спецоборудования для PTFE).
- RO4003C: Dk = 3,38 (проектное 3,55), Df = 0,0027 @ 10 ГГц; Tg > 280 °C; Td = 425 °C; галогенов нет.
- RO4350B: Dk = 3,48 (проектное 3,66), Df = 0,0037 @ 10 ГГц; Td ~ 390 °C.
- Теплопроводность ≈ 0,6–0,7 Вт/(м·К) (лучше FR-4).
- Низкий температурный коэффициент Dk — стабильность в широком диапазоне частот и температур.
- Применение: антенны, СВЧ-тракты, автомобильные радары, базовые станции, малошумящие усилители.
PTFE (политетрафторэтилен, «тефлон»)
Чистый PTFE (часто армированный стеклотканью или керамикой) — лучший материал по потерям для микроволн и миллиметровых волн.
- Dk ≈ 2,1–2,2 @ 10 ГГц (очень низкая); Df ≈ 0,0002–0,001 (минимальные потери).
- Термостойкость высокая, но материал мягкий, требует спецтехнологии сверления/металлизации.
- CTE высок и анизотропен.
- Применение: миллиметровый диапазон, спутниковая связь, прецизионные СВЧ-фильтры, фазированные решётки.
Полиимид (гибкие платы / flex)
Полиимидная плёнка (Kapton) для гибких и гибко-жёстких плат, а также полиимидные жёсткие ламинаты для экстремальных температур.
- Tg ≈ 250 °C и выше (часто > 300 °C); рабочий диапазон от −269 до +400 °C.
- Td высокая (> 400 °C).
- Dk ≈ 3,4–3,5; Df ≈ 0,002–0,01.
- Высокая гибкость и усталостная прочность (динамический изгиб).
- Применение: гибкие шлейфы, складные/носимые устройства, аэрокосмос, бортовая авионика, скважинная электроника.
Что выбрать
- Любая обычная электроника, цифровая логика до сотен МГц — FR-4 Tg130/140.
- Многослойные платы, бессвинцовая пайка, повышенная температура — FR-4 High-Tg 170/180.
- Максимальная экономия, простые односторонние платы — CEM-1; недорогие двусторонние — CEM-3.
- Мощные светодиоды, LED-драйверы, силовые ключи без радиатора — алюминиевый MCPCB.
- Предельный теплоотвод (силовые модули, мощные RF-усилители) — медное основание.
- ВЧ/СВЧ до ~30 ГГц, антенны, радары при технологичности как у FR-4 — Rogers RO4003C/RO4350B.
- Миллиметровые волны, минимальные потери, спутниковая связь — PTFE.
- Гибкие и гибко-жёсткие платы, многократный изгиб, экстремальные температуры — полиимид.
Частые вопросы
Чем High-Tg FR-4 лучше стандартного?
Более высокая температура стеклования (170–180 против 130–140 °C) означает меньшее расширение по оси Z при нагреве, что критично для толстых многослойных плат и бессвинцовой пайки при ~245–260 °C. Снижает риск растрескивания металлизации отверстий.
Почему FR-4 не годится для высоких частот?
У FR-4 высокий тангенс потерь (Df ≈ 0,02) и нестабильный Dk, зависящий от смолы и плетения стеклоткани. На единицах ГГц это даёт большие потери и разброс импеданса. Для ВЧ применяют Rogers (Df ~0,003) или PTFE (Df ~0,0005).
Алюминиевое или медное основание для светодиодов?
Для большинства мощных LED достаточно алюминия (теплопроводность диэлектрика 1–3 Вт/(м·К), пластина легче и дешевле). Медное основание берут при экстремальных тепловых потоках, когда даже алюминий не успевает отводить тепло.
Что такое Dk и Df и зачем они в ВЧ?
Dk (диэлектрическая проницаемость) задаёт скорость распространения сигнала и геометрию линий заданного импеданса. Df (тангенс потерь) определяет затухание сигнала в диэлектрике; чем он меньше, тем дальше идёт ВЧ-сигнал без потерь. Для СВЧ важны малый и стабильный Dk и минимальный Df.
Можно ли совместить FR-4 и Rogers в одной плате?
Да — гибридные стек-апы (FR-4 для питания/логики + слой Rogers для ВЧ-тракта) применяются часто. Нужно согласовать прессование и CTE; завод подбирает совместимые препреги. Это дешевле, чем вся плата на Rogers.
Значения хранятся в ссылке — отправьте её коллеге или сохраните расчёт в браузере.