Průvodce výběrem materiálu pro plošné spoje

Nejdůležitější součástí elektroniky je deska plošných spojů (PCB). Tato zkratka také označuje desky plošných spojů a karty plošných spojů, což je v podstatě totéž. Vzhledem k klíčové roli těchto desek ve všem od počítačů po kalkulačky by měl být výběr materiálu pro desky plošných spojů prováděn s péčí a znalostí elektrických potřeb daného zařízení.

Před vývojem desek plošných spojů byly materiály desek plošných spojů většinou pokryty shluky propletených, překrývajících se drátů, které se mohly v určitých místech snadno zlomit. S přibývajícím věkem a praskáním některých drátů mohlo dojít ke zkratu. Jak se dalo očekávat, ruční proces zapojení těchto raných desek byl matoucí a pracný.

Vzhledem k tomu, že se stále více běžných elektronických součástek začalo spoléhat na desky plošných spojů, začal závod o vývoj jednodušších a kompaktnějších alternativ, což vedlo k vývoji materiálu, desek plošných spojů (PCB). Díky materiálům pro desky plošných spojů lze obvody vést mezi řadou různých součástek. Kov, který usnadňuje přenos proudu mezi deskou a připojenými součástkami, se nazývá pájka, která díky svým adhezním vlastnostem slouží také dvojímu účelu.

Složení materiálu desek plošných spojů

Složení desky plošných spojů se obvykle skládá ze čtyř vrstev, které jsou tepelně laminovány do jedné vrstvy. Materiál použitý v desce plošných spojů zahrnuje následující vrstvy odshora dolů:

• Sítotisk

• Pájecí maska

• Měď

• Substrát

Poslední z těchto vrstev, substrát, je vyroben ze skelných vláken a je také známý jako FR4, kde písmena FR znamenají „zpomalovač hoření“. Tato substrátová vrstva poskytuje pevný základ pro desky plošných spojů, i když její tloušťka se může lišit v závislosti na použití dané desky.

Na trhu existuje i levnější řada desek plošných spojů, které nepoužívají výše zmíněné materiály pro plošné spoje, ale místo toho se skládají z fenolů nebo epoxidů. Vzhledem k tepelné citlivosti těchto desek mají tendenci snadno ztrácet laminaci. Tyto levnější desky lze často snadno rozpoznat podle zápachu, který vydávají při pájení.

Druhou vrstvou desky plošných spojů je měď, která je na substrát nanesena směsí tepla a lepidla. Měděná vrstva je tenká a na některých deskách jsou takové vrstvy dvě – jedna nad a jedna pod substrátem. Desky plošných spojů s pouze jednou vrstvou mědi se obvykle používají pro levnější elektronická zařízení.

Masivně používaný měděný plátovaný laminát (CCL) lze rozdělit do různých kategorií podle různých klasifikačních standardů, včetně výztužného materiálu, použitého pryskyřičného lepidla, hořlavosti a vlastností CCL.

Nad zelenou pájecí maskou je vrstva sítotisku, která přidává písmena a číselné indikátory, díky nimž je deska plošných spojů pro technické programátory čitelná. To usnadňuje montérům elektroniky umístění každé desky plošných spojů na správné místo a ve správném směru na každé součástce. Vrstva sítotisku je obvykle bílá, i když se někdy používají i barvy jako červená, žlutá, šedá a černá.

Technické termíny pro vrstvy plošných spojů

Spolu s pochopením, jak je deska plošných spojů vrstvena, je důležité znát také následující technické termíny, které se používají při jejich používání:

• Prstencový kroužek. Měděný kroužek, který obklopuje otvory na desce plošných spojů.

• DRC. Zkratka pro kontrolu návrhových pravidel. DRC je v podstatě postup, při kterém se kontroluje funkčnost návrhu desky plošných spojů. Mezi kontrolované detaily patří šířka vodičů a otvorů.

• Zásah vrtákem. Používá se k popisu všech otvorů na desce plošných spojů, ať už správných nebo špatně umístěných. V některých případech může být otvor mírně nesprávný kvůli tupému vrtacímu zařízení použitému během výroby.

• Prst. Kovový odkrytý okraj desky, který slouží jako spojovací body mezi dvěma deskami plošných spojů. Prsty se nejčastěji nacházejí na starých videohrách a paměťových kartách.

• Myší kousky. Část desky, která byla nadměrně provrtána do té míry, že ohrožuje strukturální integritu desky plošných spojů.

• Plocha. Oblast odkrytého kovu na desce plošných spojů, na kterou je obvykle nanesena připájená součástka.

• Panel. Velká deska plošných spojů sestávající z menších desek, které se nakonec oddělí pro individuální použití. Důvodem této praxe je eliminace obtíží, s nimiž se setkávají manipulanti při manipulaci s menšími deskami.

• Pastická šablona. Kovová šablona na desce, na kterou se nanáší pasta pro pájení.

• Rovina. Větší část odkryté mědi na desce plošných spojů, která je označena okraji, ale chybí jí cesta.

• Pokovený průchozí otvor. Otvor, který prochází přímo deskou plošných spojů, obvykle za účelem připojení další součástky. Otvor je pokovený a obvykle má prstenec.

• Slot. Jakýkoli otvor, který není kruhový. Desky plošných spojů se sloty jsou často drahé kvůli výrobním nákladům na vytváření otvorů neobvyklých tvarů na desce plošných spojů. Sloty obvykle nejsou pokovené.

• Povrchová montáž. Metoda, při které se externí součástky montují přímo na desku bez použití průchozích otvorů.

• Stopa. Probíhající měděná linie na desce plošných spojů.

• V-rýha. Místo, kde byla deska částečně proříznuta. To může desku plošných spojů učinit náchylnou k prasknutí.

• Průchodka. Otvor, kterým procházejí signály mezi vrstvami. Průchodky se vyskytují v provedení s krytem i bez krytu. Verze s krytem jsou pokryty ochrannou pájecí maskou, zatímco průchodky bez krytu se používají pro připojení konektorů.

Číslo, které předchází vrstvě, označuje přesný počet vodivých vrstev, ať už se jedná o směrovací nebo rovinnou vrstvu – dva typy vrstev. Vrstvy mívají číslo 1 nebo kterékoli z následujících čtyř sudých čísel: 2, 4, 6, 8. Desky s vrstvami mají někdy lichá čísla, ale ta jsou vzácná a sotva by znamenala rozdíl. Například materiál desky plošných spojů v pětivrstvé nebo šestivrstvé desce by byl prakticky identický.

Tyto dva typy vrstev mají různé funkce. Směrovací vrstvy obsahují stopy. Rovinné vrstvy slouží jako napájecí konektory a obsahují měděné roviny. Rovinné vrstvy také obsahují ostrůvky, které určují signalizační účel desky, ať už je to 3.3 V nebo 5 V.

FR4 je kódové označení pro epoxidové laminované desky vyztužené skelnými vlákny. Díky své pevnosti a schopnosti odolávat vlhkosti a ohni je FR4 jedním z nejoblíbenějších materiálů pro desky plošných spojů.

Další aspekty návrhu desek plošných spojů

Číslo například 1.6 mm se používá k označení tloušťky desky s vrstvami. U čtyřvrstvých desek je standardní mírou 4 mm. Tloušťku je třeba sledovat při výběru desek pro zařízení. Desky s větší tloušťkou například nabídnou větší oporu, když je třeba podepřít těžké spojovací předměty.

Standardní tloušťka mědi na plošných vrstvách je 35 mikronů. Alternativně se tloušťka mědi někdy udává v uncích nebo gramech. U desek určených pro mnoho aplikací je nejlepší zvolit vyšší než obvyklou tloušťku mědi.

Kolejnice nejsou určeny k přenosu energie, ale to se někdy může stát, když signály správně nezvládají frekvence. Pokud se problém neřeší, koleje mohou ztrácet velké množství energie. Aby se z jedné strany koleje na druhou přesunulo co nejvíce energie, musí uspořádání koleje zohledňovat přenosové rovnice.

Obecně platí, že dva palce (4 cm) jsou správná vzdálenost stop na deskách plošných spojů z materiálu FRXNUMX s měděnými stopami, za předpokladu, že doba signálu je jedna nanosekunda. Je však třeba vzít v úvahu také vliv přenosového vedení u drah s vysokou délkou, zejména pokud je integrita signálu klíčová. Internet je plný programů a tabulek, které jsou navrženy tak, aby lidem pomohly s provedením správných výpočtů impedance pro konkrétní desky plošných spojů.

Na většině desek s plošnými spoji jsou průchody prázdné a obvykle skrz ně můžete vidět. Nicméně existují různé okolnosti, za kterých lze průchody vyplnit. Za prvé, je nutné, aby byly průchody vyplněny, pokud jde o vytvoření ochranných bariér proti prachu a jiným nečistotám. Za druhé, průchody mohou být vyplněny pro zvýšení únosnosti proudu, v takovém případě lze použít vodivé materiály. Dalším důvodem, proč mohou být průchody vyplněny, je vyrovnání desky s plošnými spoji.

Prostupy jsou obvykle vyplněny kusy BGA (ball grid array). Pokud dojde ke kontaktu mezi pinem BGA a vnitřní vrstvou, pájka by mohla proklouznout skrz prostup a dostat se na jinou vrstvu. Proto jsou prostupy vyplněny, aby se zajistilo, že pájka neproteče do jiné vrstvy a bude zachována celistvost kontaktů dle očekávání.

Jedním z problematičtějších jevů na desce s vrstvami je, když se kontakt v určitém bodě desky přeruší. Čím častěji se to stává, tím dříve je pravděpodobné, že daná část desky úplně porouchá. Průměrný uživatel domácí elektroniky se s tímto problémem setká, když jedno z tlačítek na kalkulačce přestane fungovat. Každé tlačítko stiskne určitou část desky s vrstvami a když se jedno místo porouchá, tlačítko, které k tomuto místu odpovídá, nemůže vysílat svůj signál.

Dalším způsobem, jak se mohou kontakty na určitých místech otřít, je vložení sekundárního slotu pro kartu do základní desky. Pokud se s kartou špatně zachází, jedno z míst podél karty se může poškodit a od té chvíle přestane fungovat. Nejlepším způsobem, jak chránit povrchy desky, které se vzájemně dotýkají, je použití vrstvy zlata, která slouží jako bariéra prodlužující životnost. Zlato však může být nákladné a jeho použití v jazýčcích přidává další krok v procesu výroby desek plošných spojů.

Pájecí maska ​​na PCB

Barva, kterou většina lidí zná u základních desek, je zelená, barva pájecí masky. I když to není zdaleka tak běžné, pájecí maska ​​se někdy objevuje i v jiných barvách, například v červené nebo modré. Pájecí maska ​​je také známá pod zkratkou LPISM, což je zkratka pro liquid photo imagable pájecí masku. Účelem pájecí masky je zabránit úniku tekuté pájky. V posledních letech se tento problém stal častějším kvůli nedostatku pájecí masky. Podle většiny názorů však uživatelé obecně preferují desky s pájecí maskou před deskami bez ní.

Jakmile je na desku plošných spojů nanesena pájecí maska, je deska plošných spojů vystavena roztavené pájce. Během tohoto procesu se odkryté měděné povrchy pájejí. To vše je součástí procesu známého jako horkovzdušné pájení (HASL). Během pájení SMD čipů se deska zahřívá do bodu, kdy pájka nabývá roztaveného stavu a součástky se umisťují na svá správná místa. Jak pájka schne, součástky se také pájejí. HASL obvykle obsahuje olovo jako jednu ze sloučenin v pájce, i když existují i ​​bezolovnaté varianty.

Rozteč šířky stop je označena pomlčkou. Například když vidíte číslo 6/6 mil, znamená to, že minimální šířka stopy i minimální rozteč stop jsou 6 mil. Proto by všechny rozteče na dané desce měly být buď stejné, nebo vyšší než 6 mil. Pro ty, kteří to neznají, jednotky mil se používají k určení vzdáleností na materiálech plošných spojů. Šířka a rozteč jsou obzvláště důležité, pokud jde o desky, které jsou navrženy tak, aby zvládaly vysoké množství proudu.

Pokud je deska plošných spojů vícevrstvá, nelze vizuálně zkontrolovat přístupnost různých drah. Proto se provádí test, při kterém se na konce drah umístí sondy, aby se ověřilo, zda jsou všechny signály dosažitelné. Test se provádí aplikací napětí z jednoho konce. Pokud jsou tato napětí snímána z druhé strany, dráhy se považují za funkční. I když test není vždy nezbytný u desek s pouze jednou nebo dvěma vrstvami, přesto se doporučuje, pokud vám skutečně záleží na kvalitě.

Průchodky, které spojují vnitřní a vnější vrstvy, se nazývají slepé průchodky. Název je odvozen od skutečnosti, že takové průchodky lze spatřit pouze z jedné strany. Průchodky, které spojují dvě nebo více vnitřních vrstev, se nazývají zapuštěné průchodky, které nelze spatřit zvenčí ani z jedné strany. Na deskách s deskami, které obsahují slepé a zapuštěné průchodky, se často používá výplň průchodek. To udržuje vnější povrch bezpečnější a pomáhá snížit riziko proklouznutí pájky a pronikání do vnitřních průchodek.

Výběr materiálů ovlivňující náklady

Desky plošných spojů (PCB) obvykle stojí více, pokud obsahují prvky, jako jsou zlaté výstupky, slepé nebo zapuštěné průchodky nebo výplň průchodek. Stejně tak bývají dražší i desky plošných spojů s roztečí čar a šířek menší než 6 mil. Důvodem těchto vyšších cen je alternativní proces, který se používá při výrobě neobvyklých desek plošných spojů. Ze stejného důvodu se některé výroby desek plošných spojů ukážou jako méně ziskové nebo úspěšné, pokud se používají nízké rozteče čar a šířek nebo vnitřní průchodky, a vyšší cena je nastavena tak, aby pokryla ztráty. Existují výrobci, kteří vyrábějí desky plošných spojů s rozměry čar a šířek až 3 mil, ale to se obecně nedoporučuje, pokud to není vaše jediná možnost pro konkrétní součástku.

Vliv výkonu a tepla na výběr materiálu plošných spojů

Ze všech faktorů, které ovlivňují desky plošných spojů, jsou dva nejintenzivnější, energie a teplo. Proto je zásadní stanovit prahové hodnoty pro každý z nich, což lze provést posouzením tepelné vodivosti desky plošných spojů. Ta definuje, jak se výkon přeměňuje na teplotu v závislosti na délce materiálu. Neexistují však žádné zavedené hodnoty tepelné vodivosti platné pro celé odvětví.

Například společnost Rogers Corp. nabízí materiál pro desky plošných spojů RT/duroid 5880, který se často používá v elektronickém boji a komunikaci. Dielektrická konstanta tohoto materiálu je nízká, protože se jedná o kompozitní materiál, který obsahuje prvky mikrovláknitého skla. Tato mikrovlákna slouží ke zvýšení pevnosti vlákna v materiálu.

Díky této nízké dielektrické konstantě je deska plošných spojů ideální pro aplikace využívající vysoké frekvence. Vzhledem k nízké tepelné vodivosti materiálu se však může snadno zahřívat, což může být v tepelně náročných aplikacích obrovskou nevýhodou.

Materiály plošných spojů a průmyslové aplikace

Pro aplikace ve vojenském, leteckém, automobilovém a lékařském průmyslu se desky plošných spojů vyrábějí v jednostranném i oboustranném provedení, z nichž některé jsou potaženy mědí a jiné používají hliník. V každém z těchto odvětví se tento materiál používá pro maximální výkon ve specifických oblastech. Materiály desek plošných spojů jsou proto v některých odvětvích vybírány pro svou nízkou hmotnost, v jiných pro svou schopnost zvládat vysoké množství energie. Při zohlednění výkonnostních vlastností je proto při výběru materiálů desek plošných spojů zásadní určit, které funkce je třeba navzájem porovnávat, protože úrovně materiálu korelují s úrovněmi výkonu.

Flexibilní a tuhé-flexibilní desky

V posledních letech se flexibilní a rigid-flexibilní desky plošných spojů těší na popularitě díky možnostem, které umožňují v celé řadě použití. V podstatě je lze ohýbat, skládat a dokonce i omotávat kolem předmětů, takže je lze použít k dosažení aplikací, které by s plochými deskami plošných spojů nikdy nebyly možné. Flexibilní deska by se například mohla použít pro zařízení, které by vyžadovalo, aby se deska ohnula pod úhlem a stále vedla proud z jednoho konce na druhý bez nutnosti spojovacích panelů.

Většina flexibilních desek na trhu se skládá z Kaptonu, polyimidové fólie, kterou vyvinula společnost DuPont Corporation. Fólie se pyšní vlastnostmi, jako je tepelná odolnost, rozměrová konzistence a dielektrická konstanta pouhých 3.6.

Kapton se dodává ve třech verzích Pyralux:

• Zpomalovač hoření (FR)

• Nehořlavý (NFR)

• Bezlepivý / vysoce výkonný (AP)

Výběr materiálů pro desky plošných spojů – kvalita na prvním místě

Pokud jde o výběr materiálů pro desky plošných spojů (PCB), je kvalita při konstrukci jakéhokoli typu desky nanejvýš důležitá, ať už je určena pro domácí elektroniku nebo průmyslová zařízení. Součástka obsahující desku plošných spojů může být velká nebo malá, levná nebo drahá, ale nejdůležitější je, aby daná položka nabízela vynikající výkon po celou dobu své očekávané životnosti.

Přestože existuje několik typů materiálů pro desky plošných spojů, které se používají v dané desce, spolehlivost produktu je v konečném důsledku to, co spotřebitelé a firmy u produktů, které používají desky plošných spojů, hledají. Samozřejmě je také zásadní, aby materiály desek plošných spojů byly dostatečně pevné, aby držely pohromadě, i když součástka náhodou upadne nebo se převrhne.

Například u počítačových zařízení odolné desky plošných spojů (PCB) zajišťují, že aktualizace hardwaru lze provádět bez poškození stávajících materiálů desek plošných spojů. Totéž platí pro elektronická zařízení, mikrovlnné trouby a další domácí spotřebiče, které se pro udržení provozuschopnosti spoléhají na technologii PCB. I v elektronických veřejných zařízeních, jako jsou bankomaty, musí desky plošných spojů fungovat bezchybně, aby tlačítka fungovala a příkazy byly pochopeny bez zpoždění.

At Wonderful PCB, nabízíme kompletní sortiment dodávek a osazování desek plošných spojů. Díky našim více než 20 letům obchodních zkušeností a inovativním technologiím, Wonderful PCB je schopen pracovat s různými laminátovými materiály a substráty, včetně FR4, Rogers atd., které jsou nejoblíbenější a nejširší. Naše služby využívají inženýři napříč průmyslovými odvětvími s jedinečnými cíli, pokud jde o provoz a funkčnost součástek, které používají desky plošných spojů. Chcete-li se dozvědět více o našich službách, navštivte naše stránky s přehledem montáže a možnostmi nebo nás kontaktujte pro okamžitou cenovou nabídku ještě dnes.