Руководство по выбору материалов для печатных плат

Самая важная часть электроники — печатная плата (ПП). С другой стороны, аббревиатура также относится к печатным платам и печатным платам, которые по сути являются одним и тем же. В связи с решающей ролью этих плат во всем, от компьютеров до калькуляторов, выбор материала для ПП должен осуществляться с осторожностью и знанием электрических потребностей данного оборудования.

До разработки печатных плат материалы печатных плат в основном покрывались гнездами спутанных, перекрывающих друг друга проводов, которые могли легко выйти из строя в определенных местах соединения. Они также могли закоротить, когда возраст брал свое, и некоторые провода начинали трескаться. Как и следовало ожидать, ручной процесс, который входил в разводку этих ранних плат, был запутанным и кропотливым.

Поскольку все большее разнообразие повседневных электронных компонентов стало полагаться на печатные платы, началась гонка за разработку более простых и компактных альтернатив, и это привело к разработке материала PCB. С материалами PCB схемы могут быть проложены между множеством различных компонентов. Металл, который облегчает передачу тока между платой и любыми прикрепленными компонентами, известен как припой, который также выполняет двойную функцию благодаря своим адгезионным свойствам.

Состав материала печатной платы

Состав печатной платы обычно состоит из четырех слоев, которые ламинируются вместе в один слой под действием тепла. Материал, используемый в печатной плате, включает следующие слои сверху вниз:

• Шелкография

• Паяльная маска

• Медь

• Субстрат

Последний из этих слоев, подложка, изготовлена ​​из стекловолокна и также известна как FR4, где буквы FR означают «огнестойкий». Этот слой подложки обеспечивает прочную основу для печатных плат, хотя его толщина может варьироваться в зависимости от использования конкретной платы.

На рынке также существует более дешевый ассортимент плат, которые не используют те же самые вышеупомянутые материалы печатных плат, а вместо этого состоят из фенольных смол или эпоксидных смол. Из-за термической чувствительности этих плат они, как правило, легко теряют свою ламинацию. Эти более дешевые платы часто легко определить по запаху, который они выделяют при пайке.

Второй слой печатной платы — медь, которая ламинируется на подложку смесью тепла и клея. Слой меди тонкий, и на некоторых платах таких слоев два — один над подложкой и один под ней. Печатные платы только с одним слоем меди, как правило, используются для более дешевых электронных устройств.

Широко используемый ламинат с медным покрытием (CCL) можно классифицировать по разным категориям в соответствии с различными стандартами классификации, включая армирующий материал, используемый смоляной клей, воспламеняемость, эксплуатационные характеристики CCL.

Над зеленой паяльной маской находится слой шелкографии, который добавляет буквы и числовые индикаторы, делающие печатную плату читаемой для технических программистов. Это, в свою очередь, облегчает сборщикам электроники размещение каждой печатной платы в нужном месте и в правильном направлении на каждом компоненте. Слой шелкографии обычно белый, хотя иногда используются также такие цвета, как красный, желтый, серый и черный.

Технические термины слоя печатной платы

Наряду с пониманием того, как устроена печатная плата, важно также знать следующие технические термины, сопутствующие использованию печатных плат:

• Кольцевое кольцо. Медное кольцо, которое окружает отверстия на печатной плате.

• DRC. Аббревиатура от design rule check. По сути, DRC — это практика, при которой конструкция печатной платы проверяется на предмет ее функциональности. Проверяемые детали включают ширину дорожек и отверстий.

• Удар сверлом. Используется для описания всех отверстий на печатной плате, как правильных, так и неверных. В некоторых случаях отверстие может быть немного неправильным из-за тупого сверлильного оборудования, используемого во время производства.

• Палец. Металл, выступающий вдоль края платы, который служит точкой соединения двух печатных плат. Пальцы чаще всего встречаются на старых видеоиграх и картах памяти.

• Мышиные биты. Часть платы, которая была чрезмерно просверлена до такой степени, что это угрожает структурной целостности печатной платы.

• Контактная площадка. Область открытого металла на печатной плате, на которую обычно наносится припаянная деталь.

• Панель. Большая печатная плата, состоящая из более мелких плат, которые в конечном итоге разделяются для индивидуального использования. Причина такой практики — устранение трудностей, с которыми сталкиваются обработчики при работе с более мелкими платами.

• Трафарет для пасты. Металлический трафарет на плате, на который наносится паста для пайки.

• Плоскость. Более крупный участок открытой меди на печатной плате, обозначенный границами, но не имеющий пути.

• Металлизированное сквозное отверстие. Отверстие, которое проходит прямо через печатную плату, обычно для соединения с другим компонентом. Отверстие металлизировано и обычно имеет кольцевое кольцо.

• Слот. Любое отверстие, которое не является круглым. Печатные платы с пазами часто имеют высокую цену из-за производственных затрат на создание отверстий неправильной формы на печатной плате. Пазы обычно не имеют металлизации.

• Поверхностный монтаж. Метод, при котором внешние компоненты монтируются непосредственно на плату без использования сквозных отверстий.

• Трасса. Непрерывная линия меди на печатной плате.

• V-образная насечка. Место, где плата частично разрезана. Это может сделать печатную плату уязвимой к поломке.

• Via. Отверстие, через которое сигналы передаются между слоями. Vias видны в тентованных и не тентованных версиях. Тентованные версии покрыты защитной паяльной маской, в то время как не тентованные via используются для подключения разъемов.

Число, которое предшествует слою, относится к точному числу проводящих слоев, будь то слой маршрутизации или слой плоскости — два типа слоев. Слои, как правило, имеют номер 1 или любое из следующих четырех четных чисел: 2, 4, 6, 8. Платы слоев иногда имеют нечетные числа, но это редкость и вряд ли будет иметь какое-либо значение. Например, материал печатной платы в 5-слойной или 6-слойной плате будет практически идентичным.

Два типа слоев имеют разные функции. Слои маршрутизации имеют дорожки. Слои плоскостей служат в качестве разъемов питания и имеют медные плоскости. Слои плоскостей также имеют острова, которые определяют сигнальное назначение платы, будь то 3.3 В или 5 В.

FR4 — кодовое название ламинированных стекловолокном эпоксидных листов. Благодаря своей прочности, а также способности противостоять влаге и огню, FR4 является одним из самых популярных материалов для печатных плат.

Дополнительные соображения по проектированию печатной платы

Для обозначения толщины слоистой платы используется цифра 1.6 мм. На 4-слойных платах стандартной мерой является 1.6 мм. Толщина — это то, на что следует обращать внимание при выборе плат для устройства. Например, платы большей толщины обеспечат большую поддержку, когда необходимо поддерживать тяжелые соединительные объекты.

Стандартный уровень толщины меди на плоских слоях составляет 35 микрон. В качестве альтернативы толщина меди иногда указывается в унциях или граммах. Лучше всего выбирать толщину меди выше обычной на платах, которые поддерживают множество приложений.

Пути не предназначены для передачи мощности, но иногда это может произойти, когда сигналы не обрабатывают частоты должным образом. Если проблему не контролировать, пути могут в конечном итоге потерять значительное количество мощности. Чтобы переместить как можно больше мощности с одной стороны пути на другую, схема пути должна учитывать уравнения передачи.

В общем, два дюйма — это правильное расстояние между дорожками на платах слоев, состоящих из материала печатной платы FR4 с медными дорожками, при условии, что время сигнала составляет одну наносекунду. Однако вы также должны учитывать влияние линии передачи для больших длин дорожек, особенно если целостность сигнала имеет решающее значение. Интернет полон программ и электронных таблиц, которые разработаны, чтобы помочь людям сделать правильные расчеты импеданса для определенных плат слоев.

На большинстве плат переходные отверстия пустые, и вы обычно можете видеть сквозь них. Тем не менее, существуют различные обстоятельства, при которых переходные отверстия могут быть заполнены. Для начала, необходимо заполнить переходные отверстия, когда речь идет о формировании защитных барьеров от пыли и других загрязнений. Во-вторых, переходные отверстия могут быть заполнены для повышения пропускной способности тока, в этом случае могут использоваться проводящие материалы. Другая причина, по которой переходные отверстия могут быть заполнены, — это выравнивание платы.

Обычно отверстия заполняются деталями BGA (Ball Grid Array). Если контакт происходит между штифтом BGA и внутренним слоем, припой может проскользнуть через отверстие и попасть на другой слой. Поэтому отверстия заполняются, чтобы гарантировать, что припой не вытечет на другой слой, а целостность контактов сохраняется, как и предполагалось.

Одной из самых неприятных ситуаций на плате слоев является разрыв контакта в какой-то точке платы. Чем чаще это происходит, тем скорее эта часть платы может полностью выйти из строя. Среднестатистический пользователь бытовой электроники столкнется с этой проблемой, когда одна из кнопок калькулятора перестанет работать. Каждая кнопка нажимает на определенную часть платы слоев, и когда одна точка выходит из строя, кнопка, которая соответствует этой точке, не может отправить свой сигнал.

Другой способ, которым контакты могут быть стерты в определенных местах, — это когда вторичный слот для карты вставляется в материнскую плату. Если с картой обращаться неправильно, одно из мест на карте может быть повреждено и с этого момента перестать работать. Лучший способ защитить поверхности платы, которые контактируют друг с другом, — это использовать слой золота, который служит барьером, повышающим срок службы. Однако золото может быть дорогим, и его использование в контактных площадках добавляет еще один шаг в процесс изготовления печатной платы.

Паяльная маска для печатных плат

Цвет, который знаком большинству людей, когда речь идет о материнских платах, — зеленый, цвет паяльной маски. Хотя это встречается не так часто, паяльная маска иногда встречается и в других цветах, например, в красном или синем. Паяльная маска также известна под аббревиатурой LPISM, что означает жидкая фотоизображенная паяльная маска. Целью паяльной маски является предотвращение утечки жидкого припоя. В последние годы такие случаи стали более распространенными из-за отсутствия паяльной маски. Однако, по большинству отзывов, пользователи обычно предпочитают платы с паяльной маской, чем платы без нее.

После нанесения паяльной маски на печатную плату, печатная плата подвергается воздействию расплавленного припоя. В ходе этого процесса открытые поверхности меди спаиваются. Все это является частью процесса, известного как выравнивание припоя горячим воздухом (HASL). По мере пайки SMD-чипов плата нагревается до точки, в которой припой принимает расплавленную форму, и компоненты устанавливаются на свои места. По мере высыхания припоя компоненты также спаиваются. HASL обычно включает свинец в качестве одного из соединений в припое, хотя существуют и варианты без свинца.

Расстояние между дорожками обозначается тире. Например, когда вы видите цифру 6/6 мил, это будет означать 6 мил как минимальную ширину дорожки, а также минимальное расстояние между дорожками. Таким образом, все расстояния на рассматриваемой плате должны либо соответствовать 6 милам, либо превышать их. Для тех, кто не знаком, единицы мил используются для определения расстояний на материалах печатных плат. Ширина и расстояние особенно важны, когда речь идет о платах, которые рассчитаны на обработку больших токов.

Если печатная плата многослойная, различные дорожки невозможно визуально проверить на предмет их доступности. Поэтому проводится тест, при котором зонды помещаются в конец дорожек, чтобы убедиться, что все сигналы доступны. Тест проводится с применением вольт с одного конца. Если эти напряжения считываются с другой стороны, дорожки считаются находящимися в рабочем состоянии. Хотя тест не всегда необходим на платах с одним или двумя слоями, он все равно рекомендуется, если вы действительно заботитесь о качестве.

Переходные отверстия, соединяющие внутренние и внешние слои, называются глухими переходными отверстиями. Название происходит от того факта, что такие переходные отверстия можно обнаружить только с одной стороны. Переходные отверстия, соединяющие два или более внутренних слоев, называются скрытыми переходными отверстиями, которые невозможно обнаружить снаружи с любой стороны. На платах, содержащих глухие и скрытые переходные отверстия, часто используется заполнение переходных отверстий. Это делает внешнюю поверхность более надежной и помогает снизить вероятность проскальзывания припоя и проникновения во внутренние переходные отверстия.

Выбор материалов, влияющих на стоимость

Печатная плата обычно стоит дороже, если она содержит такие элементы, как золотые язычки, глухие или скрытые переходные отверстия или заполнение переходных отверстий. Аналогично, печатная плата с расстоянием между линиями и шириной менее 6 мил также имеет тенденцию стоить дороже. Причиной этих более высоких цен является альтернативный процесс, который используется при производстве необычных печатных плат. По той же причине некоторые производства печатных плат оказываются не такими прибыльными или успешными, когда используются низкие милы или внутренние переходные отверстия, и более высокая цена устанавливается для возмещения потерь. Существуют производители, которые производят печатные платы с измерениями между линиями и шириной всего лишь 3 мила, но это, как правило, не рекомендуется, если только это не ваш единственный вариант для конкретного компонента.

Влияние мощности и тепла на выбор материала печатной платы

Из всех факторов, которые влияют на печатные платы, два наиболее интенсивных — это мощность и тепло. Поэтому крайне важно определить пороговые значения для каждого из них, что можно сделать, оценив теплопроводность печатной платы. Это определяет, как мощность в ваттах преобразуется в температуру по длине материала. Однако не существует общеотраслевых установленных значений теплопроводности.

Например, Rogers Corp. поставляет материал печатной платы RT/duroid 5880, который часто применяется в EW и коммуникациях. Диэлектрическая проницаемость этого материала низкая, так как это композитный материал, содержащий микроволокнистые стеклянные элементы. Эти микроволокна служат для повышения прочности волокна в материале.

Благодаря этой низкой диэлектрической постоянной печатная плата идеально подходит для приложений, использующих высокие частоты. Однако из-за низкой теплопроводности материала она может легко нагреваться, что может быть огромным недостатком в теплоемких приложениях.

Материалы для печатных плат и их применение в промышленности

Для применения в военной, аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности печатные платы производятся как односторонние, так и двухсторонние, некоторые из которых покрыты медью, а другие используют алюминий. В каждой из этих отраслей материал используется для максимальной производительности в определенных областях. Таким образом, материалы для печатных плат выбираются из-за их легкого веса в определенных отраслях или из-за их способности выдерживать большие объемы энергии в других. Таким образом, когда принимаются во внимание эксплуатационные характеристики, крайне важно определить, какие функции необходимо сравнивать друг с другом при выборе материалов для печатных плат, поскольку уровни материалов коррелируют с уровнями производительности.

Гибкие и жестко-гибкие платы

В последние годы гибкие и жестко-гибкие платы стали более популярными из-за возможностей, которые они предоставляют в различных применениях. По сути, их можно сгибать, складывать и даже обертывать вокруг объектов, поэтому их можно использовать для достижения приложений, которые никогда не были бы возможны с плоскими печатными платами. Например, гибкая плата может использоваться для части оборудования, которая потребует, чтобы плата складывалась под углом и по-прежнему передавала ток с одного конца на другой без необходимости в соединительных панелях.

Большинство гибких плат на рынке состоят из Kapton, полиимидной пленки, созданной корпорацией DuPont. Пленка обладает такими качествами, как термостойкость, размерная однородность и диэлектрическая проницаемость всего 3.6.

Kapton выпускается в трех версиях Pyralux:

• Огнестойкий (FR)

• Не поддерживает горение (NFR)

• Без клея / высокая производительность (AP)

Выбор материалов для печатных плат — качество прежде всего

Когда дело доходит до выбора материалов для печатной платы, качество имеет первостепенное значение при создании любого типа платы, независимо от того, предназначена ли она для домашней электроники или промышленного оборудования. Компонент, содержащий печатную плату, может быть большим или маленьким, дешевым или дорогим, но самое главное, чтобы рассматриваемый элемент обеспечивал превосходную производительность в течение всего ожидаемого срока службы.

Хотя существует несколько типов материалов печатных плат, которые входят в состав определенной платы, надежность продукта — это то, что потребители и компании в конечном итоге ищут в продуктах, использующих печатные платы. Конечно, также важно, чтобы материалы печатных плат были достаточно прочными, чтобы удерживаться вместе, даже если компонент случайно упадет или ударится вбок.

Например, на компьютеризированном оборудовании прочные печатные платы гарантируют, что обновления оборудования могут быть сделаны без повреждения уже существующих материалов печатной платы. То же самое относится к электронным устройствам, микроволновым печам и другим бытовым приборам, которые зависят от технологии печатных плат, чтобы оставаться в рабочем состоянии. Даже в электронных общественных объектах, таких как банкоматы, печатные платы должны работать без сбоев, чтобы кнопки работали, а команды понимались без задержки.

At Wonderful PCB, мы предлагаем полный спектр услуг по поставкам и сборке печатных плат. Благодаря нашему более чем 20-летнему опыту работы и инновационным технологиям, Wonderful PCB способен обрабатывать различные ламинированные материалы и материалы подложек, включая FR4, Rogers и т. д., которые являются наиболее популярными и широко применяемыми. Нашими услугами пользуются инженеры из разных отраслей промышленности с уникальными целями, когда дело касается работы и функциональности компонентов, использующих печатные платы. Чтобы узнать больше о наших услугах, посетите наши страницы обзора сборки и возможностей или свяжитесь с нами для мгновенного расчета стоимости уже сегодня.