Przewodnik po wyborze materiału PCB

Najważniejszą częścią elektroniki jest płytka drukowana (PCB). Alternatywnie, akronim ten dotyczy również płytek drukowanych i kart drukowanych, które są zasadniczo tym samym. Ze względu na kluczową rolę tych płytek we wszystkim, od komputerów po kalkulatory, dobór materiałów na płytki PCB powinien być podejmowany ostrożnie i z wiedzą na temat elektrycznych potrzeb danego elementu wyposażenia.

Przed rozwojem PCB materiały płytek drukowanych były w większości pokryte gniazdami splątanych, zachodzących na siebie przewodów, które mogły łatwo ulec uszkodzeniu w pewnych miejscach połączeń. Mogły również powodować zwarcie, gdy nadszedł czas i pewne przewody zaczęły pękać. Jak można było się spodziewać, ręczny proces okablowania tych wczesnych płytek był mylący i żmudny.

Wraz ze wzrostem różnorodności codziennych komponentów elektronicznych, które zaczęły polegać na płytkach drukowanych, rozpoczął się wyścig o opracowanie prostszych, bardziej kompaktowych alternatyw, co doprowadziło do opracowania materiału PCB. Dzięki materiałom PCB obwody można prowadzić między wieloma różnymi komponentami. Metal, który ułatwia przesyłanie prądu między płytką a dowolnymi przyłączonymi komponentami, jest znany jako lut, który służy również dwóm celom dzięki swoim właściwościom klejącym.

Skład materiału PCB

Skład PCB składa się zazwyczaj z czterech warstw, które są laminowane na gorąco w jedną warstwę. Materiał używany w PCB obejmuje następujące warstwy od góry do dołu:

• Sitodruk

• Maska lutownicza

• Miedź

• Podłoże

Ostatnia z tych warstw, podłoże, jest wykonana z włókna szklanego i jest również znana jako FR4, przy czym litery FR oznaczają „ognioodporny”. Ta warstwa podłoża zapewnia solidną podstawę dla płytek PCB, chociaż jej grubość może się różnić w zależności od przeznaczenia danej płytki.

Tańsza gama płytek jest również dostępna na rynku, które nie wykorzystują tych samych wyżej wymienionych materiałów PCB, ale zamiast tego składają się z fenoli lub epoksydów. Ze względu na wrażliwość termiczną tych płytek, mają one tendencję do łatwego tracenia laminacji. Te tańsze płytki są często łatwe do zidentyfikowania po zapachu, który wydzielają podczas lutowania.

Drugą warstwą PCB jest miedź, która jest laminowana na podłożu za pomocą mieszanki ciepła i kleju. Warstwa miedzi jest cienka, a na niektórych płytkach występują dwie takie warstwy — jedna nad i jedna pod podłożem. PCB z tylko jedną warstwą miedzi są zwykle używane w tańszych urządzeniach elektronicznych.

Powszechnie stosowany laminat pokryty miedzią (CCL) można podzielić na różne kategorie według różnych norm klasyfikacyjnych, w tym ze względu na materiał wzmacniający, zastosowany klej żywiczny, palność, parametry CCL.

Nad zieloną maską lutowniczą znajduje się warstwa sitodruku, która dodaje litery i wskaźniki numeryczne, dzięki którym PCB jest czytelne dla programistów technicznych. To z kolei ułatwia montażystom elektroniki umieszczanie każdej płytki PCB we właściwym miejscu i we właściwym kierunku na każdym komponencie. Warstwa sitodruku jest zwykle biała, chociaż czasami stosuje się również kolory takie jak czerwony, żółty, szary i czarny.

Terminy techniczne dotyczące warstwy PCB

Oprócz zrozumienia, w jaki sposób zbudowana jest płytka PCB, ważne jest również poznanie następujących terminów technicznych, które towarzyszą stosowaniu płytek PCB:

• Pierścień pierścieniowy. Miedziany pierścień otaczający otwory na płytce drukowanej.

• DRC. Skrót od design rule check (kontrola zasad projektowania). Zasadniczo DRC to praktyka, w ramach której sprawdza się funkcjonalność projektu PCB. Sprawdzane są m.in. szerokość ścieżek i otworów wiertniczych.

• Uderzenie wiertła. Określenie używane do opisu wszystkich otworów na PCB, niezależnie od tego, czy są one prawidłowe, czy nieprawidłowo umieszczone. W niektórych przypadkach otwór może być nieznacznie nieprawidłowy z powodu tępego sprzętu wiertarskiego używanego podczas produkcji.

• Palec. Metal odsłonięty wzdłuż krawędzi płytki, który służy jako punkty łączące dwie płytki PCB. Palce najczęściej można znaleźć na starych grach wideo i kartach pamięci.

• Bity myszy. Część płytki, która została nadmiernie nawiercona do punktu, w którym zagraża integralności strukturalnej PCB.

• Pad. Obszar odsłoniętego metalu na PCB, na który zazwyczaj nakłada się lutowaną część.

• Panel. Duża płytka drukowana składająca się z mniejszych płytek, które są ostatecznie rozdzielane do indywidualnego użytku. Powodem tej praktyki jest wyeliminowanie trudności, których doświadczają osoby obsługujące mniejsze płytki.

• Szablon pasty. Metalowy szablon na płytce, na który nakładana jest pasta w celu lutowania.

• Płaszczyzna. Większa część odsłoniętej miedzi na PCB, która jest oznaczona obramowaniami, ale nie ma ścieżki.

• Otwór przelotowy platerowany. Otwór, który przechodzi prosto przez PCB, zwykle w celu podłączenia innego komponentu. Otwór jest platerowany i zwykle ma pierścień pierścieniowy.

• Szczelina. Każdy otwór, który nie jest okrągły. Płytki PCB ze szczelinami są często drogie ze względu na koszty produkcji związane z tworzeniem otworów o nietypowym kształcie na płytce drukowanej. Szczeliny zazwyczaj nie są platerowane.

• Montaż powierzchniowy. Metoda, w której zewnętrzne komponenty są montowane bezpośrednio na płytce bez użycia otworów przelotowych.

• Ślad. Ciągła linia miedzi na płytce PCB.

• V-score. Miejsce, w którym płytka została częściowo przecięta. Może to spowodować, że płytka PCB będzie podatna na pękanie.

• Przelotka. Otwór, przez który sygnały przechodzą między warstwami. Przelotki występują w wersjach namiotowych i nienamiotowych. Wersje namiotowe są pokryte ochronną maską lutowniczą, natomiast przelotki nienamiotowe są używane do mocowania złączy.

Liczba poprzedzająca warstwę odnosi się do dokładnej liczby warstw przewodzących, czy to warstwy trasowania, czy warstwy płaskiej — dwóch typów warstw. Warstwy mają tendencję do posiadania liczby 1 lub dowolnej z czterech następnych parzystych liczb: 2, 4, 6, 8. Płytki warstwowe czasami mają liczby nieparzyste, ale są one rzadkie i nie robiłyby prawie żadnej różnicy. Na przykład materiał PCB w płytce 5- lub 6-warstwowej byłby praktycznie identyczny.

Dwa typy warstw mają różne funkcje. Warstwy trasowania zawierają ścieżki. Warstwy płaszczyzny służą jako złącza zasilania i zawierają płaszczyzny miedziane. Warstwy płaszczyzny zawierają również wyspy, które określają cel sygnalizacji płytki, czy to 3.3 V czy 5 V.

FR4 to nazwa kodowa dla płyt laminowanych żywicą epoksydową wzmacnianą szkłem. Ze względu na swoją wytrzymałość, a także zdolność do wytrzymywania wilgoci i ognia, FR4 jest jednym z najpopularniejszych materiałów PCB.

Dodatkowe uwagi dotyczące projektowania PCB

Wartość taka jak 1.6 mm jest używana do wskazania grubości płyty warstwowej. W przypadku płyt 4-warstwowych standardową miarą jest 1.6 mm. Grubość jest czymś, na co należy zwrócić uwagę przy wyborze płyt do urządzenia. Płyty o większej grubości, na przykład, zapewnią większe wsparcie, gdy trzeba będzie podeprzeć ciężkie obiekty łączące.

Standardowy poziom grubości miedzi na warstwach płaskich wynosi 35 mikronów. Alternatywnie, grubość miedzi jest czasami podawana w uncjach lub gramach. Najlepiej jest wybrać wyższą niż normalnie grubość miedzi na płytkach, które obsługują wiele zastosowań.

Tory nie są przeznaczone do przesyłania mocy, ale czasami może się to zdarzyć, gdy sygnały nie obsługują prawidłowo częstotliwości. Jeśli problem nie zostanie opanowany, tory mogą stracić znaczną ilość mocy. Aby uzyskać jak najwięcej mocy przenoszonej z jednej strony toru na drugą, układ toru musi uwzględniać równania transmisji.

Ogólnie rzecz biorąc, dwa cale to właściwa odległość ścieżki na płytkach warstwowych, które składają się z miedzianego materiału PCB FR4, pod warunkiem, że czas sygnału wynosi jedną nanosekundę. Należy jednak również wziąć pod uwagę wpływ linii transmisyjnej na duże długości ścieżek, szczególnie jeśli integralność sygnału ma kluczowe znaczenie. Internet jest pełen programów i arkuszy kalkulacyjnych, które mają pomóc ludziom w dokonywaniu prawidłowych obliczeń impedancji dla konkretnych płytek warstwowych.

Na większości płytek przelotki są puste i zazwyczaj można przez nie patrzeć. Niemniej jednak istnieją różne okoliczności, w których przelotki mogą być wypełnione. Po pierwsze, konieczne jest wypełnienie przelotek, jeśli chodzi o tworzenie barier ochronnych przed kurzem i innymi zanieczyszczeniami. Po drugie, przelotki mogą być wypełnione w celu zwiększenia nośności prądu, w takim przypadku można użyć materiałów przewodzących. Innym powodem, dla którego przelotki mogą być wypełnione, jest wypoziomowanie płytki.

Przelotki są zazwyczaj wypełnione elementami BGA (ang. Ball Grid Array). Jeśli styk nastąpi między pinem BGA a warstwą wewnętrzną, lut może prześlizgnąć się przez przelotkę na inną warstwę. Dlatego przelotki są wypełnione, aby zapewnić, że lut nie przecieknie do innej warstwy, a integralność styków zostanie zachowana zgodnie z przeznaczeniem.

Jednym z bardziej kłopotliwych zdarzeń na płytce warstwowej jest przerwanie styku w pewnym punkcie płytki. Im częściej się to zdarza, tym szybciej część płytki jest narażona na całkowite uszkodzenie. Przeciętny użytkownik elektroniki domowej doświadczy tego problemu, gdy jeden z przycisków kalkulatora przestanie działać. Każdy przycisk naciska na określoną część płytki warstwowej, a gdy jedno miejsce ulegnie uszkodzeniu, przycisk odpowiadający temu miejscu nie może wysłać swojego sygnału.

Innym sposobem na wytarcie styków w pewnych miejscach jest umieszczenie dodatkowego gniazda karty na płycie głównej. Jeśli karta jest źle obsługiwana, jedno z miejsc na karcie może zostać uszkodzone i od tego momentu nie będzie działać. Najlepszym sposobem na ochronę powierzchni płytki stykających się ze sobą jest użycie złotej warstwy, która służy jako bariera ułatwiająca życie. Złoto może być jednak kosztowne, a jego użycie w wypustkach dodaje kolejny krok w procesie produkcji PCB.

Maska lutownicza PCB

Kolor, który większość ludzi zna, jeśli chodzi o płyty główne, to zielony, kolor maski lutowniczej. Choć nie jest tak powszechny, maska ​​lutownicza czasami pojawia się również w innych kolorach, takich jak czerwony lub niebieski. Maska lutownicza jest również znana pod skrótem LPISM, co oznacza liquid photo imageable soldermask. Celem maski lutowniczej jest zapobieganie wyciekaniu ciekłego lutu. W ostatnich latach przypadki tego zjawiska stały się częstsze z powodu braku maski lutowniczej. Jednak według większości użytkowników użytkownicy zazwyczaj wolą płytki z maską lutowniczą od płytek bez niej.

Po nałożeniu maski lutowniczej na płytkę PCB, płytka PCB jest poddawana działaniu stopionego lutu. Podczas tego procesu odsłonięte powierzchnie miedzi zostają zlutowane. Wszystko to jest częścią procesu znanego jako wyrównywanie lutu gorącym powietrzem (HASL). Podczas lutowania układów SMD płytka jest podgrzewana do punktu, w którym lut przybiera postać stopioną, a komponenty są umieszczane na właściwym miejscu. Gdy lut wysycha, komponenty również zostają zlutowane. HASL zwykle zawiera ołów jako jeden ze związków w lutowiu, chociaż istnieją również opcje bezołowiowe.

Odstępy szerokości ścieżek są oznaczone myślnikiem. Na przykład, gdy widzisz liczbę 6/6 mil, oznacza to 6 mil jako minimalną szerokość ścieżki, a także minimalny odstęp między ścieżkami. Dlatego wszystkie odstępy na omawianej płytce powinny spełniać lub przekraczać 6 mil. Dla tych, którzy nie są zaznajomieni, jednostki mil są używane do określania odległości na materiałach PCB. Szerokość i odstępy są szczególnie ważne, jeśli chodzi o płytki zaprojektowane do obsługi dużych ilości prądu.

Gdy płytka PCB jest wielowarstwowa, nie można wizualnie sprawdzić dostępności różnych ścieżek. Dlatego przeprowadza się test, który polega na umieszczeniu sond na końcu ścieżek, aby sprawdzić, czy wszystkie sygnały są osiągalne. Test przeprowadza się, przykładając wolty z jednego końca. Jeśli napięcia te są wykrywane z drugiej strony, ścieżki uznaje się za działające. Chociaż test nie zawsze jest niezbędny w przypadku płytek z jedną lub dwiema warstwami, nadal jest zalecany, jeśli naprawdę zależy Ci na jakości.

Przelotki łączące warstwy wewnętrzną i zewnętrzną są znane jako ślepe przelotki. Nazwa ta wynika z faktu, że takie przelotki można dostrzec tylko z jednej strony. Przelotki łączące dwie lub więcej warstw wewnętrznych są znane jako zakopane przelotki, których nie można dostrzec z zewnątrz z żadnej strony. Na płytkach zawierających ślepe i zakopane przelotki często stosuje się wypełnienie przelotek. Dzięki temu powierzchnia zewnętrzna jest bardziej bezpieczna, a możliwość prześlizgnięcia się lutu i penetracji wewnętrznych przelotek jest mniejsza.

Wybór materiałów mający wpływ na koszty

PCB zazwyczaj kosztuje więcej, gdy zawiera takie elementy jak złote zakładki, ślepe lub zakopane przelotki lub wypełnienie przelotek. Podobnie PCB z odstępem między liniami/szerokością poniżej 6 milsów również ma tendencję do droższych kosztów. Powodem tych wyższych cen jest alternatywny proces produkcji nietypowych płytek PCB. Z tego samego powodu niektóre produkcje PCB okazują się mniej dochodowe lub udane, gdy występują niskie milsy lub wewnętrzne przelotki, a wyższa cena ma na celu odzyskanie strat. Istnieją producenci, którzy produkują PCB z pomiarami linii/szerokości tak niskimi jak 3 milsy, ​​ale generalnie nie jest to zalecane, chyba że jest to jedyna opcja dla konkretnego komponentu.

Wpływ mocy i ciepła na wybór materiału PCB

Spośród wszystkich czynników wpływających na PCB, dwa z najbardziej intensywnych to moc i ciepło. Dlatego też kluczowe jest określenie progów dla każdego z nich, co można zrobić, oceniając przewodnictwo cieplne PCB. Definiuje to, w jaki sposób moc w watach jest przekształcana w temperaturę na całej długości materiału. Nie ma jednak ustalonych wartości przewodnictwa cieplnego w całej branży.

Na przykład Rogers Corp. oferuje materiał PCB, RT/duroid 5880, który jest często stosowany w EW i komunikacji. Stała dielektryczna tego materiału jest niska, ponieważ jest to materiał kompozytowy zawierający mikrowłókniste elementy szklane. Te mikrowłókna służą do zwiększania wytrzymałości włókna w materiale.

Ze względu na niską stałą dielektryczną PCB jest idealne do zastosowań wykorzystujących wysokie częstotliwości. Jednak ze względu na niską przewodność cieplną materiału, może się on łatwo nagrzewać, co może być ogromną wadą w zastosowaniach wymagających dużej ilości ciepła.

Materiały PCB i zastosowania przemysłowe

Do zastosowań w wojsku, lotnictwie, motoryzacji i medycynie płytki PCB są produkowane zarówno w odmianach jednostronnych, jak i dwustronnych, z których niektóre są pokryte miedzią, a inne aluminium. W każdej z tych branż materiał jest używany do uzyskania maksymalnej wydajności w określonych obszarach. W związku z tym materiały PCB są wybierane ze względu na ich lekkość w niektórych branżach lub ze względu na ich zdolność do radzenia sobie z dużymi mocami w innych. W związku z tym, gdy bierze się pod uwagę zdolności wydajnościowe, kluczowe jest określenie, które funkcje należy ze sobą porównać przy wyborze materiałów PCB, ponieważ poziomy materiałów są skorelowane z poziomami wydajności.

Deski Flex i Rigid-Flex

W ostatnich latach płyty flex i rigid-flex zyskały na popularności ze względu na możliwości, jakie dają w wielu zastosowaniach. Zasadniczo można je zginać, składać, a nawet owijać wokół przedmiotów, dzięki czemu można ich używać do zastosowań, które nigdy nie byłyby możliwe w przypadku płaskich płyt obwodowych. Na przykład płyta flex może być używana do urządzenia, które wymagałoby złożenia płyty pod kątem i nadal przesyłania prądu z jednego końca do drugiego bez konieczności łączenia paneli.

Większość płyt flex na rynku składa się z Kaptonu, folii poliimidowej, która została opracowana przez DuPont Corporation. Folia ta charakteryzuje się takimi cechami jak odporność na ciepło, spójność wymiarowa i stała dielektryczna wynosząca zaledwie 3.6.

Kapton występuje w trzech wersjach Pyralux:

• Środek zmniejszający palność (FR)

• Niepalny (NFR)

• Bez kleju / o wysokiej wydajności (AP)

Wybór materiałów na płytki PCB – jakość na pierwszym miejscu

Jeśli chodzi o wybór materiałów na płytki PCB, jakość ma ogromne znaczenie w konstrukcji każdego rodzaju płytki, niezależnie od tego, czy jest ona przeznaczona do elektroniki domowej, czy do sprzętu przemysłowego. Komponent zawierający płytkę drukowaną może być duży lub mały, tani lub drogi, ale najważniejsze jest to, aby dany element oferował doskonałą wydajność przez cały okres oczekiwanej żywotności.

Chociaż istnieje kilka rodzajów materiałów PCB, które wchodzą w skład danej płytki, niezawodność produktu jest ostatecznie tym, czego konsumenci i firmy szukają w produktach wykorzystujących płytki drukowane. Oczywiście, kluczowe jest również, aby materiały płytek PCB były wystarczająco wytrzymałe, aby utrzymać się razem, nawet jeśli element zostanie przypadkowo upuszczony lub uderzony na bok.

Na przykład w przypadku sprzętu komputerowego trwałe PCB zapewniają możliwość aktualizacji sprzętu bez uszkadzania istniejących materiałów płytek PCB. To samo dotyczy urządzeń elektronicznych, kuchenek mikrofalowych i innych urządzeń gospodarstwa domowego, które polegają na technologii PCB, aby pozostać w stanie roboczym. Nawet w elektronicznych obiektach publicznych, takich jak bankomaty, PCB muszą działać bezawaryjnie, aby przyciski działały, a polecenia były zrozumiałe bez opóźnień.

At Wonderful PCB, oferujemy pełną gamę materiałów PCB i usług montażowych. Dzięki ponad 20-letniemu doświadczeniu w biznesie i innowacyjnym technologiom, Wonderful PCB jest w stanie obsługiwać różne materiały laminowane i materiały podłoża, w tym FR4, Rogers itp., które są najpopularniejsze i szeroko stosowane. Z naszych usług korzystali inżynierowie z różnych sektorów przemysłu, z unikalnymi celami, jeśli chodzi o działanie i funkcjonalność komponentów wykorzystujących PCB. Aby dowiedzieć się więcej o naszych usługach, odwiedź nasze strony z przeglądem montażu i możliwościami lub skontaktuj się z nami, aby uzyskać natychmiastową wycenę już dziś.