Baskı devre kartları, ya da daha bilinen isimlendirmesi ile PCB (Printed Circuit Board), elektronik bileşenleri iletken olmayan bir ana taşıyıcı malzeme üzerine ve/veya birbirinden laminasyonla ayrılmış katmanlar üzerine kazınmış iletken yollar ve pedler vasıtası ile elektriksel olarak birbirine bağlarken mekanik olarak da destekleyip taşıma görevini yerine getirmektedir.

PCB’ler elektronik bileşenlerin lehimlenme şekline göre delik-içi (Through-hole) ve yüzey-montaj (Surface-mount) olarak tasnif edilebilirken, uygulamada her iki teknoloji aynı PCB üzerinde birlikte de kullanılabilir. Bileşenleri monte edilebileceği yüzeyleri tanımlamak için de tek-yüzlü (PCB’nin yalnızca tek bir tarafı kullanılabilir) ve çift-yüzlü (alt ve üst olmak üzere her iki yüzey de kullanılabilir) terimleri kullanılmaktadır.

Bu yazımızda PCB’yi meydana getiren en önemli kısım olan ana taşıyıcı malzeme olarak kullanılabilecek farklı alternatiflere değinerek uygulamada en fazla tercih edilen FR4 hakkında daha detaylı bilgiler paylaşacağız.

Devre kartının ana taşıyıcı katmanı olarak temelde yalıtkan kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Bu kompozitler genellikle epoksi reçine bir matris, bunu güçlendirmek için dokunmuş veya dokunmamış cam yünü veya kâğıt, bazı durumlarda dielektrik dayanımı arttırmak için de reçineye eklenen seramik dolgu malzemelerinden oluşmaktadır.

Söz konusu ana taşıyıcı katman birkaç ana parametre ile karakterize edilmektedir; en başta termo-mekanik (cam geçiş/dönüşüm sıcaklığı (T_G) , çekme mukavemeti, kesme mukavemeti, termal genleşme) elektriksel (dielektrik sabiti (ε_r), dielektrik kayıp faktörü (tanδ), delinme gerilimi, sızıntı akımı, iz direnci) ve nem alma gibi diğer unsurlar.

• T_G cam geçiş sıcaklığına ulaşılması halinde reçine yumuşamaya başlar ve termal genişlemesini önemli ölçüde arttırır, bu durum da kartta bulunan bileşenler üzerindeki mekanik baskıyı çoğaltır, lehim deliklerinin zorlanmasına sebep olur. Tekrar lehimleme ve/veya yüksek sıcaklıklara maruz kalma kaplamanın bozulması ile sonuçlanır ve komponentler lehim yerlerinden ayrılabilir.
• Kullanılan malzemeler, taşıyıcı katmanın dielektrik sabitini (ε_r)belirler. Bu yalıtkanlık sabiti ise frekansa bağlı olarak değişkenlik gösterdiği ve sinyal yayılım hızını belirlediği için önemli hale gelmektedir.
• Delinme gerilimi (V_b) olarak tarif edilen parametre, malzemenin iletken hale gelmeden dayanabileceği maksimum gerilim değerini göstermektedir. İz direnci kavramı, yüzeyde birikerek oluşabilecek kalıntılar sebebiyle iletken yollar oluşturmaya karşı dayanımını ifade etmektedir. Böylece yüksek gerilimlere maruz kalındığında yüzeyden istenmeyen bir akım oluşmaması sağlanmış olur.
• Dielektrik kayıp faktörü (kayıp tanjantı, tanδ) iletken yollardan açığa çıkan elektromanyetik enerjinin ne kadarının PCB tarafından emildiğini gösterir. Bu faktör özellikle yüksek frekanslı devrelerde önem kazanmaktadır.
• Nem emilimi, malzeme yüksek neme veya suya maruz kaldığında meydana gelir. Hem reçine ve hem de takviye malzemeleri nemi emebilir, bu durum da yukarıda izah edilen tüm anahtar parametrelerde kötü yönde ciddi değişimler oluşabilir. Absorbe edilen nem, lehimleme esnasındaki yüksek ısı ile buharlaşarak çatlamalara ve laminasyonun kalkmasına sebep olabilir.

En çok kullanılan ana taşıyıcı malzemeler aşağıdaki gibidir:

FR (Flame Retardant) CEM (Composite Epoxy Material) ve ALU (Aluminum) FR ve CEM malzemeler ise ısıya mukavemetlerine göre sınıflandırılır ve ilave bir rakamla gösterilir.

En çok kullanılan ve tercih edilen malzemeler FR4, ALU ve CEM1 olarak görünmektedir.

FR4 (veya FR-4); cam takviyeli epoksi malzeme için NEMA (National Electrical Manufacturers Association) tarafından yapılmış bir tanım olup aleve dayanıklı ( kendiliğinden sönen ) epoksi reçine bağlayıcılı dokuma fiberglas kumaştan oluşan kompozit bir malzemedir. FR4 cam epoksi, iyi bir mukavemet/ağırlık oranına sahip, çok-yönlü, yüksek basınçlı termoset plastik laminat sınıfı olmakla birlikte sıfıra yakın su emilimi (yaklaşık %0,15), yüksek mekanik dayanım ve elektriksel yalıtkanlık özellikleri sayesinde PCB imalatında en çok tercih edilen seçenek olarak karşımıza çıkmaktadır.

PCB’nin kullanım ve uygulama alanlarına göre FR4 materyalinin ısı dayanımını belirtmek amacıyla yukarıda açıklanan T_G (cam geçiş/dönüşüm sıcaklığı) değeri uygun şekilde seçilmelidir. Tipik olarak, standart uygulamalar için bu değer 130^oC olup, 150^oC ve 180^oC seçenekleri de mevcuttur.

Eğer baskı devre kartı, normal T_G sıcaklık değerinin 25^oC altındaki değerlerden daha fazla termal yüke dayanamıyorsa uygulama için daha yüksek T_G değerine sahip bir malzeme seçilmesi zorunluluğu ortaya çıkmaktadır. Yüksek değerli T_G malzemelerin tercih edilmesindeki diğer bir etken ise RoHS standartlarını karşılayabilmek ve kurşunsuz (Lead-Free; LF) bileşenlerin lehimleme prosesindeki yüksek sıcaklıklara dayanabilme gerekliliğidir.

Diğerleri ise aşağıdaki şekilde listelenebilir:

FR2               Fenolik kâğıt; fenol formaldehit reçinesi ile emprenye edilmiş kâğıt. Tipik olarak 105^oC’ye kadar dayanabilir, kartona benzer, düşük nem direncine sahiptir, oda sıcaklığında delinebilir.

FR3               Epoksi emdirilmiş pamuklu kâğıt

FR5               Dokunmuş fiberglas (cam yünü) kumaş ve epoksi reçine. Genellikle 180^oC’ye kadar yüksek sıcaklıklara dayanabilir.

FR6               dokunmamış fiberglas kumaş ve polyester

CEM1           Selülozik kâğıt ve epoksi

CEM2           Selülozik kâğıt ve epoksi

CEM3           Dokunmuş fiberglas ve epoksi

CEM4           Dokunmuş fiberglas ve epoksi

CEM5           Dokunmuş fiberglas ve polyester

PTFE             PolyTetraFluoroEthylene, bilinen adıyla Teflon. Pahalı, mekanik olarak yumuşak, düşük dielektrik kaybı, çok düşük nem emilimi (%0,01) değerlerine sahiptir. Laminasyonu zor olup yüksek frekanslı ve çok-katmanlı uygulamalarda kullanılabilir.

RF-35           Fiberglas takviyeli ve seramik dolgulu PTFE. Nispeten daha ucuz, daha iyi mekanik özellikler ve iyi yüksek frekans uygulamaları

ALU              Aluminyum veya alüminyum fiberglas karışımı. Yüksek ısı dağılımı özelliği sayesinde genellikle LED ve aydınlatma uygulamalarında tercih edilmektedir.

Polyimide  Yüksek sıcaklıklara dayanan polymer. Pahalı, yüksek performans, yüksek su emilimi (%0,4) 260^oC üzerindeki sıcaklıklarda bile kullanılabilir.