Ongeacht het type (stijf, flexibel of stijf-flexibel) heeft elke gedrukte schakeling een fysieke drager nodig, ook substraat genoemd, waarop de componenten kunnen worden geplaatst en de nodige verbindingen kunnen worden gemaakt. Het type en de technische kenmerken van de substraten die voor de fabricage van printplaten worden gebruikt, vormen een van de eerste uitdagingen waarmee de ontwerper wordt geconfronteerd; het is de eerste stap op weg naar de constructie van een printplaat van hoge kwaliteit.
Het type en de kenmerken van het substraat zijn rechtstreeks van invloed op de prestaties van de printplaat. Een stijf substraat verhoogt bijvoorbeeld zowel de sterkte als de duurzaamheid van de printplaat, terwijl een flexibel substraat de ingenieurs meer ontwerpopties biedt.
Het substraat is in wezen een niet-geleidend materiaal, dat vaak wordt geselecteerd op basis van de waarde van zijn diëlektrische constante (Dk). Substraten zijn diëlektrische composietstructuren, gemaakt van epoxyhars en glas of papier. Soms worden substraten aangevuld met specifieke materialen, zoals keramiek, om hun diëlektrische constante te verbeteren. De printplaatindustrie is voortdurend in ontwikkeling, met als gevolg de introductie van veel verschillende soorten substraten, van massieve glasvezels tot flexibele polymeren. Historisch gezien is glasvezel de meest voorkomende vorm van substraat, omdat het een goedkoop en zeer betrouwbaar materiaal is dat een goede solide basis vormt voor de printplaat.
Figuur 1 toont de typische opbouw van een meerlaagse printplaat. De twee buitenlagen, evenals de twee binnenlagen (te gebruiken als aardingsvlakken, voeding, of voor de lay-out van de sporen) zijn gemaakt van koperfolie. De binnenste laag (de kern) is gemaakt met prepreg, terwijl de andere twee lagen de substraten zijn.
Figuur 1: typische structuur van een meerlaagse printplaat
Technische eigenschappen
De materialen en substraten die voor de vervaardiging van printplaten worden gebruikt, moeten zeer sterk en betrouwbaar zijn, aangezien de goede werking en de levensduur van de elektronische schakeling afhankelijk zijn van hun prestaties. De belangrijkste technische kenmerken die de kwaliteit van een substraat bepalen, zijn de volgende:
- diëlektrische constante
- warmtegeleidingsvermogen
- thermische uitzettingscoëfficiënt
- maximale bedrijfstemperatuur (MOT)
- elektrische isolatie
De diëlektrische constante, ook bekend als de elektrische permittiviteit van een materiaal (symbool Ɛ), drukt het vermogen uit om elektronen in een elektrisch veld op te slaan. Deze eigenschap is van fundamenteel belang voor de substraten die in de vermogenselektronica worden gebruikt, aangezien de hoge spanningen en stromen waaraan de vermogensapparaten worden blootgesteld, niet te verwaarlozen elektromagnetische velden produceren. Deze elektromagnetische velden met hoge intensiteit kunnen in feite stromen in aangrenzende sporen induceren indien de diëlektrische constante te hoog is. Substraten met een hogere diëlektrische constante moeten met grotere diktes worden vervaardigd dan substraten met een lagere diëlektrische constante om dezelfde capaciteitswaarde te bereiken. Daarom kan het gebruik van materialen met een lagere diëlektrische constante leiden tot een vermindering van de afmetingen en het gewicht van een substraat. Bovendien kunnen ontwerpers dankzij substraten met een lagere diëlektrische constante de afstand tussen de sporen verkleinen, wat resulteert in een kleinere schakeling.
Het warmtegeleidingsvermogen van een materiaal (ook bekend als thermische weerstand) meet het vermogen om warmte over te dragen. Uitgedrukt in Watt per Kelvinmeter (W/mK) geeft het warmtegeleidingsvermogen aan hoe efficiënt het materiaal warmte door zijn volume geleidt. Het warmtegeleidingsvermogen is een andere relevante parameter voor substraten, vooral wanneer de warmte die door apparaten met een hoog vermogen wordt geproduceerd, moet worden overgebracht naar een koellichaam of naar een aardingsvlak. Als het warmtegeleidingsvermogen te laag is, kan de warmte zich rond bepaalde componenten ophopen, waardoor hoge temperaturen ontstaan die de prestaties beïnvloeden en storingen of schade kunnen veroorzaken.
De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) meet het vermogen van een materiaal om zijn afmetingen te veranderen naargelang de temperatuur waaraan het wordt blootgesteld. Bij dezelfde temperatuur zal een substraat met een hoge CTE een grotere uitzetting ondergaan dan een substraat met een lage CTE. De CTE van een substraat speelt een fundamentele rol in meerlaagse printplaten. Als de substraten waaruit de verschillende lagen zijn opgebouwd verschillende CTE's hebben, kan er namelijk een onthechting ontstaan tussen de lagen onderling wanneer de printplaat wordt onderworpen aan temperatuurcycli. Als de temperatuur stijgt, kan het substraat met een hoge CTE uitzetten met een kracht die groter is dan zijn mechanische sterkte, wat kan leiden tot scheuren, splinters of andere mechanische schade.
De maximale bedrijfstemperatuur (MOT) van een substraat is de temperatuurwaarde tot welke het de door de fabrikant gespecificeerde eigenschappen behoudt; boven deze temperatuurdrempel zal het substraat een grotere kans op falen hebben. Normaal specificeert de substraatfabrikant zowel de MOT-waarde als de tijd gedurende welke deze grenstemperatuur kan worden gehandhaafd zonder schade te veroorzaken..
De elektrische isolatie van een substraat geeft aan hoe slecht het elektriciteit geleidt. Deze eigenschap, ook wel bekend als het bulkweerstandsvermogen (BR), meet de hoeveelheid elektronen die door een materiaal worden geleid. Hoe groter de bulkweerstandsvermogen van een substraat, hoe beter het in staat is het ontstaan van zwevende stromen in het materiaal te voorkomen. Het isolatievermogen van een substraat is strikt afhankelijk van de dikte. Hieruit volgt dat, bij eenzelfde totale isolatie, een substraat met een hoog bulkweerstandsvermogen vermoedelijk een geringere dikte zal hebben dan een substraat met een lager bulkweerstandsvermogen.
Belangrijkste types substraten
De materialen die voor de vervaardiging van printplaten worden gebruikt, zijn van fundamenteel belang, omdat zij uitstekende kenmerken en eigenschappen moeten hebben, zoals temperatuurbestendigheid, adhesie, treksterkte, flexibiliteit, diëlektrische sterkte, diëlektrische constante, enzovoort. De prestaties, betrouwbaarheid en levensduur van de printplaat hangen strikt af van de materialen die worden gebruikt om de substraten te vervaardigen.
FR-2
FR-2 is waarschijnlijk het type substraat dat de laagste prestaties biedt. Hoewel het vlamvertragend is (FR-2 betekent Flame Retardant Level 2), is FR-2 samengesteld uit een fenolmateriaal, een bepaald type geïmpregneerd papier dat bovenop een glasvezel wordt geplaatst. Dit substraat wordt nu alleen nog gebruikt in enkele zeer economische consumententoepassingen, zoals kleine goedkope radio's.
FR-4
Dit is het meest gebruikte materiaal voor de vervaardiging van printplaatsubstraten. Het is samengesteld uit een met glas versterkte epoxylaminaatplaat. De gebruikte epoxyhars is vuurvast (FR-4 betekent Flame Retardant Level 4), waterbestendig en absorbeert geen vocht. De treksterkte is zeer hoog, evenals de sterkte/gewichtsverhouding en de elektrische isolatie. Er zijn verscheidene types FR-4 die, naast de gemeenschappelijke hierboven vermelde kenmerken, in sommige specifieke eigenschappen verschillen, zoals:
- standaard FR-4: dit is het meest voorkomende en meest economische type FR-4, met een hittebestendigheid tot 140°C - 150°C
- FR-4 voor hoge temperaturen (hoge Tg): deze versie van FR-4 biedt een hoge waarde van Tg (glasovergangstemperatuur), waardoor het substraat temperaturen tot 1180°C kan bereiken
- FR-4 halogeenvrij: dit is een versie van het materiaal met een laag gehalte aan halogenen (die bij verbranding giftige stoffen ontwikkelen) Halogenen behoren tot de meest gebruikte brandwerende elementen.
PTFE (Teflon)
PTFE is een type kunststof dat geen weerstand biedt en daarom alleen wordt gebruikt in toepassingen met hogesnelheids- en hogefrequentiesignalen. PTFE is uiterst flexibel, waardoor het waardevol is in toepassingen met geringe toleranties, en biedt een hoge mate van isolatie. Het is ook uiterst licht, vlamwerend, heeft een hoge mechanische sterkte en behoudt zijn stabiele eigenschappen wanneer de temperatuur verandert. Door zijn uitstekende hoogfrequente eigenschappen wordt het gebruikt in elektronische apparatuur die signalen verwerkt van enkele honderden MHz tot enkele tientallen GHz.
Metalen substraten
Metalen substraten, meestal van aluminium, hebben hoge diëlektrische en thermische eigenschappen en zetten langzaam uit. Aluminium zorgt voor uitstekende prestaties bij hoge frequenties en is gemakkelijk bestand tegen temperaturen tot 350°C. Direct verbonden met het aluminiumsubstraat is het keramisch substraat, dat wordt verkregen door middel van een elektrochemisch proces waarbij een diëlektrische laag van aluminiumoxidekristallen rechtstreeks op het oppervlak van een aluminiumsubstraat wordt aangebracht. Aangezien de dikte veel dunner is dan bij standaardsubstraten, bereikt dit materiaal een hoger diëlektrisch warmtegeleidingsvermogen dan de conventionele diëlektrische materialen die momenteel voor printplaten worden gebruikt. Het aluminiumsubstraat biedt uitstekende prestaties bij hoge frequenties, maar tegen een hogere kostprijs dan andere oplossingen. Het wordt gebruikt in microgolfapparatuur, in de RF-sector, in basisstations voor draadloze communicatie en in printplaten voor ledverlichting.
LTCC
LTCC is het acroniem voor Low Temperature Co-fired Ceramics en is een type substraat dat hoofdzakelijk wordt gebruikt in meerlaagse printplaten. Aangezien het aluminiumoxide dat voor de fabricage ervan wordt gebruikt, bij een hoge temperatuur (1500°C) moet worden gebrand, is het niet mogelijk om de lagen die de sporen bevatten die met koper met een laag smeltpunt zijn gemaakt, gelijktijdig te branden. Door aan het aluminiumoxide materialen op basis van glas toe te voegen, kunnen LTCC-substraten worden gebrand bij temperaturen tot 900°C. Dit maakt het mogelijk gelijktijdig te branden met een laagsmeltende schakelingslay-out, zoals koper of zilver. Dit type substraat wordt veel gebruikt in hoogfrequente RF-modules.
Substrato flessibile
Flexibele substraten kunnen gemakkelijk worden gevouwen of in de gewenste vormen worden gewikkeld, zonder de elektrische continuïteit van de schakeling op enigerlei wijze in gevaar te brengen. Hierdoor kunnen ontwerpers printplaten maken die zich aanpassen aan zelfs de kleinste ruimten of aan behuizingen met een onregelmatige vorm. In plaats van glasvezel of epoxyharsen worden voor deze substraten bepaalde types kunststoffilms gebruikt. Flexibele substraten kunnen worden vervaardigd met materialen zoals polyimide en LCP (liquid crystal polymer), of met goedkope materialen zoals polyester en PEN. Aangezien flexibele substraten zeer dun zijn, vereist de productie ervan zeer gespecialiseerde apparatuur en verwerking, met hogere kosten dan andere materialen. Figuur 2 toont een voorbeeld van een printplaat gemaakt met flexibele substraten.
Figuur 2: Flexibele printplaat
Polyimide, gewoonlijk afgekort als PI, is een polymeer met uitstekende eigenschappen zoals thermische stabiliteit, thermische weerstand, uitstekende elektrische eigenschappen en uitstekende chemische weerstand. Een polyimidefilm genaamd Kapton (geïntroduceerd door DuPont Corporation) is te vinden in de meeste flexibele printplaten die verkrijgbaar zijn op de markt. Kapton bezit bijzondere kwaliteiten, zoals een hoge hittebestendigheid, robuustheid en een diëlektrische constante van slechts 3,6.
Stijve-flexibele substraten
Deze worden verkregen door flexibele en stijve substraten te combineren. Een printplaat kan bijvoorbeeld bestaan uit meerdere lagen polyimide bevestigd op een stijve keramische laag. Printplaten die met dit materiaal zijn gemaakt, worden op grote schaal gebruikt in kritische toepassingen in de medische sector, de ruimtevaart, de luchtvaart en het leger, waar de eisen op het gebied van betrouwbaarheid, robuustheid, mechanische weerstand en hoge temperaturen zeer streng zijn.
