Ghid de selecție a materialelor PCB

Cea mai importantă parte a electronicii este placa cu circuite imprimate (PCB). Alternativ, acronimul a inclus și plăcile de cablare imprimate și cardurile de cablare imprimate, care sunt în esență același lucru. Datorită rolului crucial al acestor plăci în orice, de la computere la calculatoare, selecția materialelor pentru placa PCB trebuie efectuată cu grijă și cunoștințe pentru necesitățile electrice ale unui anumit echipament.

Înainte de dezvoltarea PCB-urilor, materialele plăcilor de circuit erau acoperite în mare parte de cuiburi de fire încâlcite și suprapuse, care se puteau deteriora ușor la anumite joncțiuni. De asemenea, se puteau scurtcircuita odată ce trecea timpul și anumite fire începeau să se fisureze. Așa cum era de așteptat, procesul manual de cablare a acestor plăci timpurii era confuz și minuțios.

Pe măsură ce o varietate tot mai mare de componente electronice de zi cu zi au început să se bazeze pe plăci de circuite imprimate, a început cursa pentru dezvoltarea unor alternative mai simple și mai compacte, iar acest lucru a dus la dezvoltarea materialului PCB. Cu ajutorul materialelor PCB, circuitele pot fi rutate între o multitudine de componente diferite. Metalul care facilitează transferul de curent între placă și orice componente atașate este cunoscut sub numele de lipire, care are și un dublu scop datorită calităților sale adezive.

Compoziția materialului PCB

Compoziția unui PCB constă în general din patru straturi, care sunt laminate termic împreună într-un singur strat. Materialul utilizat în PCB include următoarele straturi de sus în jos:

• Serigrafie

• Masca de lipit

• Cupru

• Substrat

Ultimul dintre aceste straturi, substratul, este fabricat din fibră de sticlă și este cunoscut și sub numele de FR4, literele FR reprezentând „ignifug”. Acest strat de substrat oferă o bază solidă pentru PCB-uri, deși grosimea poate varia în funcție de utilizările unei anumite plăci.

Există pe piață și o gamă mai ieftină de plăci care nu utilizează aceleași materiale PCB menționate anterior, ci conțin compuși fenolici sau epoxidici. Datorită sensibilității termice a acestor plăci, acestea tind să-și piardă ușor laminarea. Aceste plăci mai ieftine sunt adesea ușor de identificat după mirosul pe care îl emană la lipire.

Al doilea strat al unui PCB este cupru, care este laminat pe substrat cu un amestec de căldură și adeziv. Stratul de cupru este subțire, iar pe unele plăci există două astfel de straturi - unul deasupra și unul sub substrat. PCB-urile cu un singur strat de cupru sunt utilizate în general pentru dispozitive electronice mai ieftine.

Laminatul placat cu cupru (CCL), utilizat masiv, poate fi clasificat în diferite categorii în funcție de diferite standarde de clasificare, inclusiv materialul de armare, adezivul de rășină utilizat, inflamabilitatea și performanța CCL.

Deasupra măștii de lipire verde se află stratul serigrafic, care adaugă litere și indicatori numerici ce fac un PCB lizibil pentru programatorii tehnici. Acest lucru, la rândul său, facilitează plasarea fiecărui PCB de către asamblorii de electronice în locul corect și în direcția corectă pe fiecare componentă. Stratul serigrafic este de obicei alb, deși uneori se folosesc și culori precum roșu, galben, gri și negru.

Termeni tehnici ai stratului PCB

Pe lângă înțelegerea modului în care este stratificat PCB-ul, este important să cunoașteți și următorii termeni tehnici care însoțesc utilizarea PCB-urilor:

• Inel inelar. Inelul de cupru care înconjoară găurile de pe un PCB.

• DRC. Un acronim pentru verificarea regulilor de proiectare. În esență, DRC este o practică prin care se verifică funcționalitatea designului unui PCB. Printre detaliile verificate se numără lățimea traseelor ​​și a găurilor.

• Lovitură de găurire. Folosit pentru a descrie toate găurile de pe un PCB, fie ele corecte sau greșite. În unele cazuri, o gaură poate fi ușor incorectă din cauza echipamentului de găurire tocit utilizat în timpul producției.

• Deget. Metal expus de-a lungul marginii plăcii care servește ca puncte de conectare între două PCB-uri. Degetele se găsesc cel mai adesea pe jocurile video vechi și pe cardurile de memorie.

• Biți de șoarece. O secțiune a plăcii care a fost perforată excesiv până la punctul în care amenință integritatea structurală a unui PCB.

• Pad. O zonă de metal expusă pe un PCB, pe care se aplică în general o piesă lipită.

• Panou. O placă de circuit mare, formată din plăci mai mici, care sunt în cele din urmă separate pentru utilizare individuală. Motivul acestei practici este de a elimina dificultatea pe care o întâmpină manipulatorii atunci când vine vorba de manipularea plăcilor mai mici.

• Șablon de lipit. Un șablon metalic pe o placă, pe care se pune pastă pentru lipire.

• Plan. O secțiune mai mare de cupru expus pe un PCB, marcată de margini, dar fără o cale de acces.

• Gaură traversantă placată. O gaură care trece direct printr-un PCB, de obicei în scopul conectării unei alte componente. Gaura este placată și are de obicei un inel inelar.

• Slot. Orice gaură care nu este circulară. PCB-urile cu sloturi sunt adesea scumpe din cauza costurilor de producție pentru crearea de găuri de formă neobișnuită pe o placă de circuit. Sloturile nu sunt de obicei placate.

• Montare la suprafață. O metodă prin care componentele externe sunt montate direct pe placă fără utilizarea găurilor străpunse.

• Trasare. O linie continuă de cupru pe un PCB.

• Zgârietură în V. Un loc unde placa a fost parțial tăiată. Acest lucru poate face un PCB vulnerabil la rupere.

• Via. O gaură prin care semnalele circulă între straturi. Vialele sunt întâlnite în versiuni cu și fără cort. Versiunile cu cort sunt acoperite cu o mască de protecție pentru lipire, în timp ce vialele fără cort sunt utilizate pentru atașarea conectorilor.

Numărul care precede un strat se referă la numărul exact de straturi conductoare, fie că este vorba de un strat de rutare sau plan - cele două tipuri de straturi. Straturile tind să aibă numărul 1 sau oricare dintre următoarele patru numere pare: 2, 4, 6, 8. Plăcile cu straturi au uneori numere impare, dar acestea sunt rare și nu ar face aproape nicio diferență. De exemplu, materialul PCB dintr-o placă cu 5 sau 6 straturi ar fi practic identic.

Cele două tipuri de straturi au funcții diferite. Straturile de rutare prezintă piste. Straturile plane servesc drept conectori de alimentare și prezintă plane de cupru. Straturile plane prezintă, de asemenea, insule care determină scopul semnalizării unei plăci, fie că este vorba de 3.3 V sau 5 V.

FR4 este denumirea de cod pentru foile laminate epoxidice armate cu sticlă. Datorită rezistenței sale, precum și capacității sale de a rezista la umiditate și foc, FR4 este unul dintre cele mai populare materiale pentru PCB.

Considerații suplimentare privind proiectarea PCB-urilor

O cifră precum 1.6 mm este utilizată pentru a indica grosimea unei plăci stratificate. La plăcile cu 4 straturi, 1.6 mm este măsura standard. Grosimea este un aspect de care trebuie să țineți cont atunci când alegeți plăci pentru un dispozitiv. Plăcile cu o grosime mai mare, de exemplu, vor oferi mai mult suport atunci când trebuie susținute obiecte grele de conectare.

Grosimea standard a cuprului pe straturile plane este de 35 de microni. Alternativ, grosimea cuprului este uneori indicată în uncii sau grame. Cel mai bine este să optați pentru o grosime a cuprului mai mare decât cea normală pe plăcile care suportă o mulțime de aplicații.

Șinele nu sunt menite să transfere putere, dar acest lucru se poate întâmpla uneori atunci când semnalele nu gestionează corect frecvențele. Dacă problema nu este ținută sub control, șinele ar putea ajunge să piardă cantități semnificative de putere. Pentru a muta cât mai multă putere posibil dintr-o parte în alta a unei șine, configurația șinei trebuie să țină cont de ecuațiile de transmisie.

În general, distanța corectă între șine pe plăcile stratificate care constau din material PCB FR4 cu șine de cupru este de doi inci, cu condiția ca timpul semnalului să fie de o nanosecundă. Cu toate acestea, trebuie să luați în considerare și efectele liniei de transmisie pentru lungimi mari ale șinelor, în special dacă integritatea semnalului este crucială. Internetul este plin de programe și foi de calcul concepute pentru a ajuta oamenii să facă calcule corecte de impedanță pentru plăci stratificate specifice.

Pe majoritatea plăcilor, fire de acces sunt goale și, de obicei, se poate vedea prin ele. Cu toate acestea, există diverse circumstanțe în care fire de acces pot fi umplute. Pentru început, este necesar ca fire de acces să fie umplute pentru a forma bariere protectoare împotriva prafului și a altor impurități. În al doilea rând, fire de acces pot fi umplute pentru a crește capacitatea de transport a curentului, caz în care se pot utiliza materiale conductoare. Un alt motiv pentru care fire de acces pot fi umplute este pentru a nivela placa.

Via-urile sunt de obicei umplute cu piese de tip grilă cu bile (BGA). Dacă are loc contact între un pin BGA și un strat interior, lipirea ar putea aluneca prin via și ar putea ajunge pe un alt strat. Prin urmare, via-urile sunt umplute pentru a se asigura că lipirea nu se scurge într-un alt strat și că integritatea contactelor este menținută conform destinației.

Una dintre cele mai problematice situații pe o placă de circuite integrate este atunci când un contact se întrerupe și se deconectează la un moment dat de-a lungul plăcii. Cu cât se întâmplă acest lucru mai des, cu atât mai repede acea parte a plăcii este predispusă să cedeze complet. Utilizatorul obișnuit de electronice de uz casnic va întâmpina această problemă atunci când unul dintre butoanele unui calculator nu mai funcționează. Fiecare buton apasă pe o anumită parte a plăcii de circuite integrate, iar când un punct se defectează, butonul care se corelează cu acel punct nu își poate trimite semnalul.

O altă modalitate prin care contactele pot fi erodate în anumite locuri este atunci când un slot secundar pentru placă este plasat pe placa de bază. Dacă placa este manipulată necorespunzător, unul dintre punctele de-a lungul plăcii s-ar putea deteriora și ar putea să nu mai funcționeze de acolo. Cea mai bună modalitate de a proteja suprafețele plăcii care intră în contact unele cu altele este utilizarea unui strat de aur, care servește ca o barieră de îmbunătățire a duratei de viață. Aurul poate fi costisitor, însă, iar utilizarea sa în fișe adaugă încă un pas în procesul de fabricație a PCB-urilor.

Mască de lipit PCB

Culoarea cu care majoritatea oamenilor sunt familiarizați când vine vorba de plăcile de bază este verdele, culoarea măștii de lipire. Deși nu este la fel de comună, masca de lipire apare uneori și în alte culori, cum ar fi roșu sau albastru. Soldermask este cunoscută și sub acronimul LPISM, care înseamnă mască de lipire fotoimageabilă lichidă. Scopul măștii de lipire este de a preveni scurgerea de lipire lichidă. În ultimii ani, incidentele acestui lucru au devenit mai frecvente din cauza lipsei unei măști de lipire. Cu toate acestea, conform majorității relatărilor, utilizatorii preferă în general plăcile care au mască de lipire față de plăcile care nu au.

Odată ce masca de lipire a fost aplicată pe PCB, acesta este supus unui proces de lipire topită. Pe măsură ce are loc acest proces, suprafețele expuse de cupru se lipesc. Toate acestea fac parte dintr-un proces cunoscut sub numele de nivelare a lipirii cu aer cald (HASL). Pe măsură ce cipurile SMD sunt lipite, placa este încălzită până la punctul în care lipirea capătă o formă topită, iar componentele sunt plasate la locul lor. Pe măsură ce lipirea se usucă, componentele se lipesc și ele. HASL include de obicei plumb ca unul dintre compușii din lipire, deși există și opțiuni fără plumb.

Spațierea lățimii pistelor este indicată printr-o liniuță. De exemplu, când vedeți cifra 6/6 mils, aceasta ar specifica 6 mils ca lățime minimă a pistei, precum și spațierea minimă a pistelor. Prin urmare, toate spațiile de pe placa în cauză ar trebui să fie egale sau să depășească 6 mils. Pentru cei care nu sunt familiarizați, unitățile de măsură mils sunt folosite pentru a determina distanțele pe materialele PCB. Lățimea și spațierea sunt deosebit de importante atunci când vine vorba de plăci proiectate să suporte cantități mari de curent.

Când o placă PCB este multistratificată, accesibilitatea diferitelor piste nu poate fi examinată vizual. Prin urmare, se efectuează un test care plasează sonde la capătul pistelor pentru a verifica dacă toate semnalele sunt accesibile. Testul se efectuează prin aplicarea de volți de la un capăt. Dacă aceste tensiuni sunt detectate de cealaltă parte, pistele sunt considerate a fi în stare de funcționare. Deși testul nu este întotdeauna esențial pe plăcile cu doar unul sau două straturi, este totuși recomandat dacă vă pasă cu adevărat de calitate.

Vialele care conectează straturile interioare și exterioare sunt cunoscute sub numele de via-uri oarbe. Numele provine din faptul că astfel de via-uri pot fi observate doar dintr-o singură parte. Via-urile care conectează două sau mai multe straturi interioare sunt cunoscute sub numele de via-uri îngropate, care nu pot fi observate din exterior, pe niciuna dintre părți. Pe plăcile care conțin via-uri oarbe și îngropate, se folosește adesea umplerea via-urilor. Acest lucru menține suprafața exterioară mai sigură și ajută la reducerea posibilității ca lipirea să alunece și să penetreze via-urile interioare.

Selecțiile materialelor care afectează costul

PCB-urile costă de obicei mai mult atunci când conțin caracteristici precum fire aurite, viae oarbe sau îngropate sau umplutură de viae. În mod similar, PCB-urile cu o distanță între linii/lățime sub 6 mils tind să coste mai mult. Motivul acestor prețuri mai mari este procesul alternativ utilizat în producția de plăci PCB neobișnuite. În același timp, anumite producții de PCB se dovedesc a nu fi la fel de profitabile sau de succes atunci când sunt prevăzute cu grosimi mici de mils sau viae interioare, iar prețul mai mare este stabilit pentru a recupera pierderile. Există producători care produc PCB-uri cu măsurători linie/lățime de până la 3 mils, dar acest lucru nu este, în general, recomandat decât dacă este singura opțiune pentru o anumită componentă.

Impactul puterii și căldurii asupra selecției materialelor PCB

Dintre toți factorii care influențează PCB-urile, doi dintre cei mai importanți sunt energia electrică și căldura. Prin urmare, este crucial să se determine pragurile pentru fiecare, ceea ce se poate face prin evaluarea conductivității termice a unui PCB. Aceasta definește modul în care puterea în wați este transformată în temperatură pe lungimea materialului. Cu toate acestea, nu există valori stabilite la nivel de industrie pentru conductivitatea termică.

De exemplu, Rogers Corp. comercializează un material pentru PCB, RT/duroid 5880, care este adesea utilizat în domeniul electrocuției și al comunicațiilor. Constanta dielectrică a acestui material este scăzută, deoarece este un material compozit care conține elemente microfibroase din sticlă. Aceste microfibre au rolul de a spori rezistența fibrei din material.

Datorită acestei constante dielectrice scăzute, PCB-ul este ideal pentru aplicații care utilizează frecvențe înalte. Cu toate acestea, din cauza conductivității termice scăzute a materialului, acesta se poate încălzi ușor, ceea ce poate fi un dezavantaj uriaș în aplicațiile care necesită multă căldură.

Materiale PCB și aplicații industriale

Pentru aplicații în industria militară, aerospațială, auto și medicală, PCB-urile sunt fabricate atât în ​​variante cu o singură față, cât și cu două fețe, unele dintre ele fiind placate cu cupru, iar altele utilizând aluminiu. În fiecare dintre aceste industrii, materialul este utilizat pentru performanțe maxime în anumite domenii. Ca atare, materialele PCB sunt selectate pentru calitatea lor redusă în anumite industrii sau pentru capacitatea lor de a gestiona cantități mari de energie în altele. Prin urmare, atunci când se iau în considerare aptitudinile de performanță, este esențial să se determine ce funcții trebuie comparate între ele atunci când se selectează materiale PCB, deoarece nivelurile materialelor se corelează cu nivelurile de performanță.

Plăci flexibile și rigide-flexibile

În ultimii ani, plăcile flexibile și rigid-flex au crescut în popularitate datorită opțiunilor pe care le permit într-o varietate de utilizări. Practic, acestea pot fi îndoite, pliate și chiar înfășurate în jurul obiectelor, astfel încât pot fi utilizate pentru a realiza aplicații care nu ar fi niciodată posibile cu plăcile cu circuite plate. De exemplu, o placă flexibilă ar putea fi utilizată pentru un echipament care ar necesita ca o placă să se plieze într-un unghi și totuși să transporte curent de la un capăt la altul, fără a fi nevoie de panouri de conectare.

Majoritatea plăcilor flexibile de pe piață sunt fabricate din Kapton, o peliculă de poliimidă creată de DuPont Corporation. Pelicula se mândrește cu calități precum rezistență la căldură, consistență dimensională și o constantă dielectrică de numai 3.6.

Kapton este disponibil în trei versiuni Pyralux:

• Ignifug (FR)

• Ne-ignifug (NFR)

• Fără adeziv / performanță ridicată (AP)

Selectarea materialelor pentru plăcile PCB – Calitatea pe primul loc

Când vine vorba de selectarea materialelor pentru plăcile PCB, calitatea este de o importanță capitală în construcția oricărui tip de placă, fie că este destinată electronicii de uz casnic sau echipamentelor industriale. O componentă care conține o placă de circuit imprimat poate fi mare sau mică, ieftină sau scumpă, dar ceea ce contează cel mai mult este ca elementul în cauză să ofere performanțe superioare pe întreaga durată de viață așteptată.

Deși există mai multe tipuri de materiale PCB care intră în fabricarea unei anumite plăci, fiabilitatea produsului este, în cele din urmă, ceea ce caută consumatorii și companiile în produsele care utilizează plăci de circuit. Desigur, este, de asemenea, crucial ca materialele plăcii PCB să fie suficient de rezistente pentru a se menține împreună, chiar dacă o componentă este scăpată accidental sau lovită lateral.

De exemplu, pe echipamentele computerizate, PCB-urile durabile asigură că actualizările hardware pot fi efectuate fără a deteriora materialele plăcii PCB preexistente. Același lucru este valabil și pentru dispozitivele electronice, cuptoarele cu microunde și alte dispozitive de uz casnic care se bazează pe tehnologia PCB pentru a rămâne în stare de funcționare. Chiar și în facilitățile publice electronice, cum ar fi bancomatele, PCB-urile trebuie să funcționeze fără erori, astfel încât butoanele să funcționeze, iar comenzile să fie înțelese fără întârziere.

At Wonderful PCB, oferim o gamă completă de consumabile și servicii de asamblare PCB. Datorită experienței noastre de peste 20 de ani în afaceri și tehnologiilor inovatoare, Wonderful PCB este capabil să gestioneze diferite materiale laminate și materiale de substrat, inclusiv FR4, Rogers etc., care sunt cele mai populare și utilizate pe scară largă. Serviciile noastre au fost utilizate de ingineri din diverse sectoare industriale, cu obiective unice în ceea ce privește funcționarea și funcționalitatea componentelor care utilizează PCB. Pentru a afla mai multe despre serviciile noastre, vizitați paginile noastre cu prezentarea generală a asamblării și capacitățile sau contactați-ne astăzi pentru o ofertă instantanee.