Zaloguj się
Wszystkie
28 listopada 2025
26
Ponieważ jest to artykuł traktujący o elektronice w praktyce, to w tym miejscu powinien znaleźć się wstęp dotyczący montażu obwodów elektronicznych już od pierwszych lat elektrotechniki, a potem elektroniki. O deskach z powbijanymi gwoździami, o metalowym chassis z łączówkami na bakelitowych (lub tekstolitowych) płytkach, o „pająkach” montowanych za okupacji przy ostatniej świeczce… Dobra, ale to nie miesięcznik historyczny! Nikt już w ten sposób nie montuje (seryjnie) elektroniki – jedynie niewielkie manufaktury, pasjonaci albo ludzie będący w dużej potrzebie, na przykład kiedy o 23:30 w niedzielę okazało się, że mozolnie uruchamiany od kilku dni układ, który na poniedziałek ma być gotowy, nie zawiera pewnego istotnego fragmentu bądź został on kompletnie źle zaprojektowany i wymaga zrobienia od nowa. Są to jednak nieliczne przypadki, rzadko spotykane, jednorazowe z punktu widzenia masowej produkcji elektroniki.
Elektronikom z krótszym stażem pracy, którym zdarza się (mówiąc delikatnie) narzekać na odklejające się ścieżki i laminat wydzielający niekiedy dziwny swąd podczas lutowania pragnę przekazać, że nie jest obecnie tak źle pod względem jakości, jak to bywało przed laty. W dawniejszych czasach dostępny był w sprzedaży laminat papierowo-fenolowy o kodowym oznaczeniu FR-2. Sam na takim pracowałem przez kilka lat, kiedy udało mi się zdboyć jakąś partię za relatywnie niewysokie pieniądze. Jak nietrudno się domyślić, był on wykonany z papieru, odpowiednio sprasowanego i nasączonego jakimś lepiszczem, w tym wypadku żywicą fenolową. Papier, jak to papier, lubi wilgoć, więc właściwości dielektryczne tego wynalazku silnie zależą od wilgotności powietrza. Przy podgrzewaniu wydzielają się pochodne fenolu, czyli – po ludzku mówiąc – niezbyt zdrowy odór. Do tego odklejające się ścieżki… A jeżeli weźmiemy pod uwagę, że w Związku Radzieckim dzielnie radzono sobie z problemami, które w ogóle nie musiałyby powstać, to tam laminat papierowy był często robiony z gazet lub innej makulatury (pamiętam, jak na jednej z płyt sławnego Rubina zobaczyłem nagłówek gazety „Prawda”), więc przebicia i upływności murowane. Zresztą to właśnie najczęściej działo się w ówczesnych sprzętach.
Dzisiaj możemy sobie kupić laminat papierowo-fenolowy, aby poczuć klimat dawnych lat, choć w niektórych bardzo tanich urządzenia elektronicznych produkcji dalekowschodniej bywa on nadal stosowany. Na szczęście w codziennej pracy możemy działać na zdecydowanie bardziej przewidywalnych materiałach.
Kilka słów o podłożach
Najpopularniejszym rodzajem podłoża (zwanego również substratem) jest obecnie laminat szklano-epoksydowy typu FR-4. FR pochodzi od Fire Resistant, czyli odporny na ogień. Co ciekawe, nawet wśród tych ognioodpornych materiałów można wyróżnić takie, które są palne bardziej lub mniej, zgodnie z normą UL94. Typowy laminat FR-4, taki jaki zamawiamy za kilka dolarów u dalekowschodnich producentów obwodów drukowanych, najczęściej ma klasyfikację UL94V-0.
Płytki wykonane z tego laminatu są powszechnie znane, choćby z kitów AVT. Chcę przy okazji rozwiać pewien mit traktujący o tym, że płytki na bazie FR-4 są zielone – to nieprawda, otóż zielona jest tylko maska lutownicza (soldermaska), którą się pokrywa miedziane ścieżki, a nie sam laminat. Choć w zdecydowanej większości wypadków powłoka faktycznie ma kolor zielony.
Za co lubimy FR-4? Po pierwsze za dostępność i powszechność. Każdy producent PCB oferuje ten laminat w różnych grubościach, od ułamka milimetra do nawet 3,2 mm przy dużych płytkach z ciężkimi podzespołami. Typowa grubość, jaką dostajemy domyślnie, wynosi 1,6 mm. Podobnie jest z grubością miedzi: standardowo wynosi 35 μm, ale bez problemu dostaniemy 70 μm dla układów operujących na większych prądach, często również da się spotkać 105 μm. Jeszcze grubsze warstwy miedzi bywają dostępne, ale nie są już takim standardem. Generalnie rzecz ujmując, parametry techniczne laminatu FR-4 są jednakowe na całym świecie, gdziekolwiek byśmy go nie zamawiali. I to jest, moim zdaniem, wspaniałe.
Drugim powodem jest wszechstronność. Na tym laminacie „postawimy” zarówno prosty układ wielkiej częstotliwości, operujący na częstotliwości 2,4 GHz (a nawet więcej, teoretycznie do 10 GHz). Kluczowa jest tutaj stała dielektryczna wynosząca około 4,4 w bardzo szerokim przedziale częstotliwości, co ułatwia prowadzenie ścieżek o określonej impedancji. Wysokie prądy też nie są przeszkodą, wystarczy grubsza warstwa miedzi, szersze ścieżki i/lub ich pokrycie spoiwem lutowniczym dla pogrubienia. Niskie temperatury? Nie ma sprawy, ile tylko podzespoły i spoiwo są w stanie wytrzymać. Wstrząsy, drgania? Tego laminatu to nie rusza, już prędzej same komponenty mogą się ruszać na płytce. Miałem kiedyś taki przypadek z urządzeniem dla branży samochodowej ciężkiego kalibru, w którym zastosowałem spory kondensator elektrolityczny SMD. Po tym, jak urządzenie wróciło do mnie z oderwanym tymże kondensatorem, ponieważ odkleiły się ścieżki od laminatu, wymieniłem go na THT i całość zalałem żywicą dla usztywnienia, tak na wszelki wypadek. Wysokie temperatury? Typowo przyjmuję warunki termiczne do 120°C – niektórzy producenci piszą o 115°C, inni zaś podają 130°C – ja wolę dmuchać na zimne (w tym wypadku gorące). Typowe podzespoły i tak nie lubią znacząco wyższych temperatur.
FR-4 ma wiele zalet, ale nie użyjemy go wszędzie. Może tak być z racji jego sztywności. Wtedy warto sięgnąć po laminat elastyczny, noszący miano flex. Podłożem jest folia z Kaptonu firmy DuPont, fachowo: poliimidu, skrótowo PI (nie mylić z poliamidem!), która zachowuje kształt nawet w wysokich temperaturach. Produkcja takiego obwodu drukowanego nie różni się wiele od zwykłego, na sztywnym laminacie. Maska lutownicza również musi być elastyczna (na laminatach FR-4 tak nie jest) i wykonuje się ją z reguły z tego samego polimeru. Na elastycznym podłożu można wykonywać nawet wielowarstwowe obwody drukowane do całkiem złożonych urządzeń. Cztery, sześć czy nawet osiem warstw to nie jest już problem w dzisiejszych czasach.
Laminat elastyczny ma jednak pewną wadę – chcielibyśmy, aby pod ciężkimi elementami czy w okolicach złączy nie był już miękki, lecz sztywny. I co z tym zrobić? Najprostszym rozwiązaniem jest sięgnięcie po podłoże typu rigid-flex, które stanowi połączenie elastycznego podłoża flex ze sztywnym podłożem FR-4. Tego typu płytki są wykonywane na podłożu PI, ale w odpowiednich miejscach wklejone są usztywniacze, najczęściej z dobrze już znanego laminatu FR-4. Tego typu połączenia elastyczne mogą się zginać zarówno jednokrotnie, w trakcie montażu urządzenia w obudowie, jak i wielokrotnie podczas eksploatacji. Oczywiście, można w takich obwodach drukowanych wykonywać przelotki z metalizacją, podobnie jak w poprzednio opisanych rodzajach podłoży.
Do elementów, które wytwarzają duże ilości ciepła, przewidziano podłoże aluminiowe. Tego typu płytki oznacza się w branży akronimem MCPCB – Metal Core Printed Circuit Board. Na płaską płytę aluminiową jest nanoszona warstwa termoprzewodzącego dielektryka, a dopiero na niego warstwa miedzi. Po wytrawieniu ścieżek taka płytka jest normalnie pokrywana maską lutowniczą, warstwą opisową, a następnie cynowana lub złocona. Ponieważ nie da się zrobić izolowanych przelotek na drugą stronę podłoża, płytki takie są wyłącznie jednowarstwowe. Osadza się na nich najczęściej diody LED wysokiej mocy lub przetwornice albo klucze tranzystorowe. Aluminiowe podłoże można przykręcić później do radiatora, celem poprawy odprowadzania ciepła, choć może ono być radiatorem samym w sobie. Z mojego doświadczenia dodam jedynie, że lutowanie takich płytek jest możliwe praktycznie tylko w piecu lub po bardzo dobrym nagrzaniu preheater’em, ponieważ aluminiowe podłoże znakomicie odprowadza ciepło, również z pola lutowniczego.
Istnieją wielowarstwowe płytki na podłożu aluminiowym, lecz wszystkie elementy nadal znajdują się wyłącznie na jednej stronie podłoża. Ale to nie wszystko, bowiem istnieje możliwość wykonania warstw przewodzących po obu stronach metalowego podłoża, choć utrudnia to wtedy odprowadzanie ciepła z tegoż podłoża. Niemniej jednak, w aplikacjach o nieco mniejszych stratach mocy może to być ciekawy sposób na ominięcie konieczności montowania dodatkowego radiatora. Nie zmienia to jednak faktu, że przelotki przechodzące przez podłoże nadal nie są możliwe do wykonania, w przeciwieństwie do wcześniej opisanych podłoży dielektrycznych.
Ostatnim rodzajem podłoża, jaki chcę opisać, jest ceramika. Na rynku są dostępne różne rodzaje ceramiki, w zależności od użytego do ich produkcji materiału. Najczęściej występuje w tej roli tlenek aluminium (Al2O3) jako substancja o bardzo dobrych właściwościach izolujących elektrycznie oraz doskonale przewodząca ciepło [7]. Na podłożu z tlenku aluminium są wykonywane układy wysokiej mocy, wielkiej częstotliwości, anteny, układy pracujące w trudnych warunkach i nie tylko.
Podłoża ceramiczne są używane głównie w technice wielkiej częstotliwości ze względu na niskie straty (w stosunku do typowego FR-4), stabilność wymiarów w funkcji temperatury (rzecz krytyczna dla strojonych anten) oraz cenę, która jest zdecydowanie wyższa niż w przypadku laminatów szklano-epoksydowych. Bardzo często można w wytwórniach płytek drukowanych spotkać na rozwijanej liście podłoży do wyboru laminat o nazwie Rogers. To nazwa firmy produkującej laminaty ceramiczne do obwodów w.cz. – ma ich w ofercie pełną gamę, o różnych parametrach. Nazwa ta rozpowszechniła się w środowisku płytkarskim podobnie jak w języku potocznym pampersy czy adidasy. Jeżeli ktoś zamawia płytki na rogersie to wiadomo, że w niskie częstotliwości się nie bawi. Wytwórnie obwodów drukowanych często mają w swojej ofercie ten laminat również z tego względu, iż produkcja płytki z jego użyciem przebiega w taki sam sposób, co typowej płytki na podłożu FR-4, czym wspomniana firma głośno chwali się na swojej stronie [8].
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
