Vật liệu được sử dụng trong bảng mạch in (PCB): Một hướng dẫn toàn diện cho các nhà sản xuất.

Hình ảnh được ủy quyền của khách hàng

Bảng mạch in (PCB) là xương sống vô hình của mọi thiết bị điện tử—từ điện thoại thông minh đến tàu vũ trụ—nhưng hiệu suất của chúng hoàn toàn phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng để chế tạo chúng. Modem 5G của điện thoại thông minh dựa vào vật liệu nền có tổn thất thấp để tránh mất tín hiệu, trong khi hệ thống quản lý pin (BMS) của xe điện (EV) cần lá đồng chịu nhiệt để xử lý dòng điện cao. Việc chọn sai vật liệu có thể dẫn đến hỏng hóc sớm, sửa chữa tốn kém hoặc thậm chí là các mối nguy hiểm về an toàn (ví dụ: quá nhiệt trong thiết bị y tế).

Hướng dẫn này sẽ phân tích các vật liệu quan trọng tạo nên PCB, các đặc tính độc đáo của chúng và cách chọn vật liệu phù hợp cho ứng dụng của bạn. Chúng tôi sẽ đề cập đến mọi thứ, từ chất nền cơ bản và lá đồng dẫn điện đến mặt nạ hàn bảo vệ và lớp hoàn thiện bề mặt tăng cường độ tin cậy, với các so sánh dựa trên dữ liệu và các trường hợp sử dụng trong thế giới thực phù hợp với tiêu chuẩn sản xuất của Hoa Kỳ. Cho dù bạn đang thiết kế một tiện ích tiêu dùng hay một linh kiện hàng không vũ trụ quan trọng, việc hiểu rõ các vật liệu này là chìa khóa để chế tạo PCB hoạt động tốt, bền bỉ và đáp ứng các mục tiêu về chi phí.

Những điểm chính cần ghi nhớ
  a. Vật liệu nền (ví dụ: FR4, Rogers, polyimide) quyết định hiệu suất nhiệt, điện và cơ học của PCB—FR4 lý tưởng cho 80% ứng dụng tiêu dùng, trong khi Rogers vượt trội trong thiết kế 5G/mmWave.
  b. Độ dày của lá đồng (1oz–5oz) và loại (điện phân so với cán) ảnh hưởng đến khả năng mang dòng điện: đồng 2oz xử lý dòng điện 30A+ (quan trọng đối với EV), trong khi đồng cán mang lại tính linh hoạt cho thiết bị đeo được.
  c. Mặt nạ hàn (chủ yếu là LPI màu xanh lá cây) bảo vệ các đường mạch khỏi bị ăn mòn và cầu hàn, với các biến thể nhiệt độ cao (Tg ≥150°C) cần thiết cho PCB ô tô và công nghiệp.
  d. Lớp hoàn thiện bề mặt (ENIG, HASL, ENEPIG) xác định khả năng hàn và tuổi thọ: ENEPIG là tiêu chuẩn vàng cho y tế/hàng không vũ trụ, trong khi HASL vẫn tiết kiệm chi phí cho các thiết bị có độ tin cậy thấp.
  e. Lỗi chọn vật liệu gây ra 35% lỗi PCB (dữ liệu IPC)—việc kết hợp vật liệu với nhu cầu ứng dụng (ví dụ: nhiệt độ, tần số, dòng điện) giúp giảm tỷ lệ lỗi tại hiện trường xuống 50%.

1. Vật liệu nền PCB: Nền tảng của hiệu suất
Chất nền là đế không dẫn điện giữ các đường mạch đồng, linh kiện và các lớp PCB khác. Đó là lựa chọn vật liệu có tác động lớn nhất, vì nó xác định:
  a. Độ dẫn nhiệt: PCB tản nhiệt tốt như thế nào (quan trọng đối với các linh kiện công suất cao như IGBT).
  b. Hằng số điện môi (Dk): Cách điện tín hiệu điện tốt như thế nào (Dk thấp = hiệu suất tần số cao tốt hơn).
  c. Độ bền cơ học: Khả năng chống cong vênh, uốn hoặc nứt (chìa khóa cho môi trường khắc nghiệt).

Dưới đây là các vật liệu nền phổ biến nhất, với so sánh chi tiết để hướng dẫn lựa chọn:

Tại sao việc lựa chọn chất nền lại quan trọng
  a. Thiết bị điện tử tiêu dùng: FR4 là sản phẩm chủ lực ở đây—chi phí thấp và hiệu suất nhiệt đầy đủ (0,3 W/m·K) đáp ứng nhu cầu năng lượng 1–5W của điện thoại thông minh và máy tính bảng. Một PCB FR4 6 lớp trong iPhone 15 có giá ~(2,50, so với )12,50 cho một sản phẩm tương đương của Rogers.
  b. 5G/ Viễn thông: Dk thấp của Rogers RO4350 (3,48) giảm thiểu tổn thất tín hiệu ở 28GHz, khiến nó trở nên cần thiết cho các trạm gốc 5G. Nếu không có nó, tín hiệu 5G sẽ bị suy giảm 40% trên 10cm đường mạch.
  c. Hàng không vũ trụ: Chất nền polyimide chịu được nhiệt độ dao động từ -55°C đến 200°C và chống bức xạ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho PCB vệ tinh. Kính viễn vọng không gian James Webb của NASA sử dụng PCB dựa trên polyimide cho các thiết bị đo nhiệt độ thấp của nó.
  d. EV: Chất nền lõi nhôm (MCPCB) trong bộ biến tần EV tản nhiệt nhanh hơn 3 lần so với FR4, giữ cho nhiệt độ tiếp giáp IGBT dưới 125°C (ngưỡng điều tiết nhiệt).

2. Lá đồng: Xương sống dẫn điện
Lá đồng là vật liệu dẫn điện tạo thành các đường mạch, mặt phẳng và miếng đệm—mang tín hiệu điện và năng lượng trên PCB. Độ dày, loại và độ tinh khiết của nó ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng dòng điện, tính linh hoạt và chi phí.

Thông số kỹ thuật chính của lá đồng
  a. Độ dày: Được đo bằng “ounce (oz)” (1oz = độ dày 35μm). Các tùy chọn phổ biến:
1oz: Lý tưởng cho tín hiệu dòng điện thấp (≤10A) trong thiết bị điện tử tiêu dùng.
2oz: Xử lý dòng điện 10–30A (EV BMS, bộ truyền động động cơ công nghiệp).
3–5oz: Dành cho các ứng dụng công suất cao (50A+), như bộ biến tần EV hoặc thiết bị hàn.
  b. Loại: Hai biến thể chính, mỗi loại phù hợp với các nhu cầu cụ thể:

Những cân nhắc quan trọng đối với lá đồng
  a. Khả năng mang dòng điện: Một đường mạch đồng rộng 1mm, 2oz mang ~30A ở 25°C (tiêu chuẩn IPC-2221). Đối với dòng điện cao hơn, hãy sử dụng các đường mạch rộng hơn (ví dụ: rộng 2mm, 2oz = 50A) hoặc lá dày hơn (3oz = 45A đối với chiều rộng 1mm).
  b. Độ nhám bề mặt: Đồng cán có bề mặt nhẵn hơn (Ra <0,5μm) so với đồng điện phân (Ra 1–2μm), giảm tổn thất tín hiệu ở tần số cao (28GHz+). Điều này làm cho nó trở nên lý tưởng cho PCB mmWave 5G.
  c. Tính linh hoạt: Đồng cán chịu được hơn 10.000 chu kỳ uốn (so với 1.000 đối với điện phân), rất quan trọng đối với điện thoại có thể gập lại hoặc cảm biến đeo được.

Ví dụ: Model Y BMS của Tesla sử dụng lá đồng điện phân 2oz cho các mặt phẳng nguồn—cân bằng chi phí và khả năng mang dòng điện (30A trên mỗi đường mạch) đồng thời giữ cho PCB đủ mỏng để phù hợp với bộ pin.

3. Mặt nạ hàn: Bảo vệ các đường mạch và ngăn ngừa đoản mạch
 a. Mặt nạ hàn là một lớp màng lỏng hoặc khô được áp dụng trên các đường mạch đồng (ngoại trừ miếng đệm) để:
 b. Bảo vệ đồng khỏi quá trình oxy hóa và ăn mòn.
 c. Ngăn ngừa các cầu hàn vô tình giữa các đường mạch liền kề (phổ biến trong PCB mật độ cao).
 d. Cách ly các đường mạch khỏi độ ẩm, bụi và hóa chất.

Các loại mặt nạ hàn phổ biến
Mặt nạ hàn có thể chụp ảnh lỏng (LPI) được sử dụng trong 95% PCB hiện đại—nó được áp dụng ở dạng lỏng, tiếp xúc với ánh sáng UV (thông qua mặt nạ ảnh) và được phát triển để các miếng đệm không bị che phủ. Các loại khác (màng khô, in lưới) ngày nay rất hiếm do độ chính xác thấp hơn.

Tại sao màu mặt nạ hàn lại quan trọng
 a. Xanh lục: Tiêu chuẩn công nghiệp—giá cả phải chăng, dễ kiểm tra (tương phản với đồng) và tương thích với hầu hết các quy trình.
 b. Đen: Phổ biến trong các thiết bị cao cấp (ví dụ: điện thoại thông minh cao cấp) vì tính thẩm mỹ, nhưng khó kiểm tra hơn (yêu cầu ánh sáng UV để kiểm tra các khuyết tật).
 c. Trắng: Được sử dụng trong PCB LED—phản xạ ánh sáng để tăng độ sáng của LED lên 15%.

Lưu ý quan trọng: LPI nhiệt độ cao (Tg ≥150°C) là bắt buộc đối với PCB ô tô, hoạt động trong môi trường dưới mui xe (125°C+). LPI tiêu chuẩn (Tg 130°C) sẽ mềm ra hoặc phân lớp, dẫn đến đoản mạch.

4. Mực in lưới: Ghi nhãn và nhận dạng
Mực in lưới là lớp cuối cùng được áp dụng cho PCB—in văn bản, logo, tham chiếu linh kiện (ví dụ: “R1,” “U2”) và dấu phân cực. Nó rất quan trọng đối với việc lắp ráp (hướng dẫn vị trí linh kiện) và bảo trì (xác định các bộ phận để sửa chữa).

Các loại mực in lưới
Hầu hết các loại mực đều có gốc epoxy (kháng nhiệt và hóa chất) hoặc có thể đóng rắn bằng tia UV (khô nhanh để sản xuất số lượng lớn). Những cân nhắc chính:

Thực hành tốt nhất cho in lưới
 a. Kích thước phông chữ: Sử dụng văn bản cao tối thiểu 0,8mm—văn bản nhỏ hơn khó đọc và có thể bị nhòe trong quá trình lắp ráp.
 b. Khoảng hở: Giữ mực cách miếng đệm 0,1mm—mực trên miếng đệm ngăn cản việc hàn (nguyên nhân hàng đầu gây ra các khuyết tật lắp ráp).
 c. Độ bền: Mực epoxy được ưu tiên cho PCB công nghiệp, có thể trải qua quá trình làm sạch hoặc xử lý thường xuyên.

Ví dụ: Một nhà máy sửa chữa bộ truyền động động cơ công nghiệp dựa vào in lưới epoxy để xác định điện trở bị lỗi (“R45”)—nếu không có nhãn rõ ràng, thời gian sửa chữa sẽ tăng gấp đôi, tốn 500 đô la/giờ do thời gian ngừng hoạt động.

5. Lớp hoàn thiện bề mặt PCB: Đảm bảo khả năng hàn và tuổi thọ
Lớp hoàn thiện bề mặt phủ lên các miếng đệm đồng lộ ra để:
  a. Ngăn ngừa quá trình oxy hóa (làm hỏng khả năng hàn).
  b. Cải thiện độ tin cậy của mối nối hàn.
  c. Kéo dài thời hạn sử dụng của PCB (từ 6 tháng đến hơn 2 năm).
Đây là một trong những lựa chọn vật liệu quan trọng nhất—lớp hoàn thiện kém gây ra 25% lỗi hàn (dữ liệu IPC). Dưới đây là so sánh các tùy chọn phổ biến nhất:

Tại sao việc lựa chọn lớp hoàn thiện là không thể thương lượng
 a. Thiết bị y tế: ENEPIG là bắt buộc—nó tránh “miếng đệm đen” (một hợp chất niken-vàng giòn gây ra lỗi mối nối) và chịu được quá trình khử trùng bằng nồi hấp (134°C, áp suất 2 bar).
 b. Hàng không vũ trụ: Thời hạn sử dụng 18 tháng của ENIG đảm bảo PCB vẫn có thể hàn được trong quá trình lưu trữ lâu dài (ví dụ: các linh kiện vệ tinh được lưu trữ trong 2 năm trước khi phóng).
 c. Thiết bị điện tử tiêu dùng: HASL tiết kiệm chi phí cho TV hoặc đồ chơi, nơi PCB được lắp ráp nhanh chóng và thay thế sau mỗi 2–3 năm.
 d. EV: ENEPIG được sử dụng trong PCB radar ADAS—khả năng chống ăn mòn của nó (phun muối 1.500 giờ) ngăn ngừa các lỗi do muối trên đường và độ ẩm.

6. Khung lựa chọn vật liệu: Cách chọn sự kết hợp phù hợp
Với rất nhiều lựa chọn, việc chọn vật liệu PCB có thể khiến bạn cảm thấy choáng ngợp. Sử dụng khung 4 bước này để căn chỉnh vật liệu với ứng dụng của bạn:

Bước 1: Xác định các yêu cầu về hiệu suất
  a. Điện: Tần số tối đa là bao nhiêu (ví dụ: 28GHz cho 5G) hoặc dòng điện (ví dụ: 30A cho EV BMS)? Cần có chất nền Dk thấp (Rogers) và đồng dày (2oz+) để có hiệu suất cao.
  b. Nhiệt: Nhiệt độ hoạt động tối đa là bao nhiêu (ví dụ: 150°C cho ô tô)? Chọn chất nền Tg cao (FR4 Tg 170°C) và MCPCB để tản nhiệt.
  c. Cơ học: PCB có bị uốn cong (thiết bị đeo được) hoặc chịu rung (hàng không vũ trụ) không? Chất nền polyimide linh hoạt và đồng cán là rất quan trọng ở đây.

Bước 2: Cân nhắc chi phí so với giá trị
  a. Thiết bị điện tử tiêu dùng: Ưu tiên các vật liệu chi phí thấp (FR4, đồng điện phân 1oz, HASL) để đáp ứng các mức giá (ví dụ: một chiếc điện thoại thông minh 200 đô la không đủ khả năng chi trả cho chất nền Rogers).
  b. Độ tin cậy cao (Y tế/Hàng không vũ trụ): Đầu tư vào các vật liệu cao cấp (ENEPIG, polyimide, Rogers)—thêm (10 đô la cho mỗi PCB tránh được) 100 nghìn đô la+ khiếu nại bảo hành hoặc tiền phạt theo quy định.

Bước 3: Kiểm tra khả năng tương thích sản xuất
 a. Đảm bảo vật liệu hoạt động với quy trình lắp ráp của bạn:
   PCB linh hoạt yêu cầu đồng cán và mặt nạ hàn polyimide—đồng điện phân sẽ bị nứt trong quá trình uốn.
   Chạy số lượng lớn (100 nghìn+ PCB) được hưởng lợi từ in lưới có thể đóng rắn bằng tia UV (đóng rắn nhanh) so với epoxy (chậm hơn).

Bước 4: Xác thực sự tuân thủ
 a. Ô tô: Vật liệu phải đáp ứng IATF 16949 (ví dụ: mặt nạ hàn Tg cao, ENEPIG).
 b. Y tế: ISO 13485 yêu cầu vật liệu tương thích sinh học (ví dụ: ENEPIG, polyimide).
 c. Thị trường toàn cầu: Tuân thủ RoHS cấm chì—chọn HASL không chứa chì (Sn-Cu) hoặc ENIG.

7. Sự kết hợp vật liệu trong thế giới thực theo ngành
Để việc lựa chọn vật liệu trở nên cụ thể, đây là những sự kết hợp đã được chứng minh cho các ứng dụng phổ biến:

Thiết bị điện tử tiêu dùng (PCB chính của điện thoại thông minh)
1. Chất nền: FR4 High-Tg (Tg 170°C)
2. Lá đồng: Điện phân 1oz (lớp tín hiệu), điện phân 2oz (mặt phẳng nguồn)
3. Mặt nạ hàn: LPI xanh tiêu chuẩn (Tg 130°C)
4. In lưới: Epoxy có thể đóng rắn bằng tia UV (văn bản 0,8mm)
5. Lớp hoàn thiện bề mặt: ENIG (cân bằng khả năng hàn và chi phí)
6. Tại sao nó hoạt động: FR4 giúp giảm chi phí, đồng 2oz xử lý dòng điện sạc (15A) và ENIG đảm bảo hàn BGA đáng tin cậy (bước 0,4mm).

Ô tô (PCB bộ biến tần EV)
1. Chất nền: Lõi nhôm (MCPCB)
2. Lá đồng: Điện phân 3oz (xử lý dòng điện 50A)
3. Mặt nạ hàn: LPI High-Tg (Tg 180°C)
4. In lưới: Gốc epoxy (chống dầu/hóa chất)
5. Lớp hoàn thiện bề mặt: ENEPIG (khả năng chống ăn mòn, không có miếng đệm đen)
6. Tại sao nó hoạt động: MCPCB tản nhiệt IGBT, đồng 3oz mang dòng điện cao và ENEPIG chịu được các điều kiện dưới mui xe.

Y tế (PCB bộ điều khiển máy tạo nhịp tim)
1. Chất nền: Polyimide (linh hoạt, tương thích sinh học)
2. Lá đồng: Cán 1oz (linh hoạt, độ nhám bề mặt thấp)
3. Mặt nạ hàn: LPI linh hoạt (dựa trên polyimide, tương thích sinh học)
4. In lưới: Epoxy (chống dịch cơ thể)
5. Lớp hoàn thiện bề mặt: ENEPIG (chống khử trùng, thời hạn sử dụng dài)
6. Tại sao nó hoạt động: Polyimide uốn cong theo chuyển động của cơ thể, đồng cán tránh nứt và ENEPIG đáp ứng các tiêu chuẩn ISO 13485.

Hàng không vũ trụ (PCB truyền thông vệ tinh)
1. Chất nền: PTFE (Dk thấp cho tín hiệu 60GHz)
2. Lá đồng: Cán 2oz (chống bức xạ)
3. Mặt nạ hàn: LPI High-Tg (Tg 180°C, chống bức xạ)
4. In lưới: Epoxy (chống rung và dao động nhiệt độ)
5. Lớp hoàn thiện bề mặt: ENIG (thời hạn sử dụng 18 tháng)
6. Tại sao nó hoạt động: PTFE giảm thiểu tổn thất tín hiệu trong không gian, đồng cán chống lại hư hỏng do bức xạ và ENIG đảm bảo khả năng hàn sau khi lưu trữ lâu dài.

Câu hỏi thường gặp về vật liệu PCB
H: Tôi có thể trộn các vật liệu nền khác nhau trong một PCB không?
Đ: Có—PCB “lai” kết hợp các vật liệu cho các nhu cầu cụ thể. Ví dụ: PCB bộ định tuyến 5G có thể sử dụng Rogers cho phần mmWave (Dk thấp) và FR4 cho phần còn lại (tiết kiệm chi phí). Chỉ cần đảm bảo các vật liệu có CTE (hệ số giãn nở nhiệt) tương tự để tránh cong vênh trong quá trình nung lại.

H: Sự khác biệt giữa đồng 1oz và 2oz cho các đường mạch tín hiệu là gì?
Đ: Đồng 1oz (35μm) là đủ cho hầu hết các tín hiệu (≤10A, ≤1GHz), trong khi cần 2oz (70μm) cho dòng điện cao hơn (10–30A) hoặc điện trở thấp hơn (rất quan trọng đối với các đường mạch dài trong PCB công nghiệp). Đồng 2oz cũng tản nhiệt tốt hơn, giảm nhiệt độ đường mạch xuống 15°C ở 20A.

H: Tại sao màu xanh lục là màu mặt nạ hàn tiêu chuẩn?
Đ: Mực xanh lục sử dụng một sắc tố (xanh phthalocyanine) có giá cả phải chăng, ổn định với tia UV và tạo độ tương phản cao với đồng—giúp người kiểm tra dễ dàng phát hiện các khuyết tật (ví dụ: thiếu mặt nạ hàn, trầy xước). Các màu khác (đen, trắng) có tính thẩm mỹ hoặc chức năng nhưng tốn kém hơn.

H: ENEPIG có đáng giá hơn ENIG không?
Đ: Đối với các ứng dụng có độ tin cậy cao (y tế, hàng không vũ trụ), có—ENEPIG thêm một lớp paladi giúp loại bỏ “miếng đệm đen” (một điểm lỗi lớn trong ENIG) và cải thiện độ bền liên kết dây lên 30%. Đối với thiết bị điện tử tiêu dùng, ENIG thường là đủ.

H: PCB linh hoạt có thể sử dụng chất nền FR4 không?
Đ: Không—FR4 cứng và sẽ bị nứt khi uốn cong. PCB linh hoạt yêu cầu chất nền polyimide hoặc polyester, kết hợp với lá đồng cán (dễ uốn để chịu được uốn cong).

Kết luận
Vật liệu PCB không thể thay thế cho nhau—mỗi lựa chọn (chất nền, đồng, mặt nạ hàn, lớp hoàn thiện) ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ tin cậy và chi phí. FR4 và đồng 1oz hoạt động cho 80% ứng dụng tiêu dùng, nhưng 5G, EV và thiết bị y tế đòi hỏi các vật liệu chuyên dụng như Rogers, đồng 2oz+ và ENEPIG.
Chìa khóa để thành công là căn chỉnh vật liệu với nhu cầu riêng của ứng dụng của bạn:
  a. Ưu tiên chất nền Dk thấp cho thiết kế tần số cao.
  b. Chọn đồng dày hơn cho các đường dẫn dòng điện cao.
  c. Sử dụng vật liệu nhiệt độ cao cho môi trường ô tô/công nghiệp.
  d. Đầu tư vào lớp hoàn thiện cao cấp (ENEPIG) cho PCB có tuổi thọ dài hoặc quan trọng về an toàn.
Bằng cách làm theo hướng dẫn này, bạn sẽ tránh được 35% lỗi PCB do không khớp vật liệu—và chế tạo các sản phẩm đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất, nằm trong ngân sách và đứng vững trước thử thách của thời gian. Cho dù bạn là một kỹ sư dày dạn kinh nghiệm hay một người sáng lập công ty khởi nghiệp, việc làm chủ vật liệu PCB là bước đầu tiên để tạo ra các thiết bị điện tử vượt trội và bền bỉ hơn đối thủ cạnh tranh.