Sprievodca výberom materiálu pre plošné spoje

Najdôležitejšou súčasťou elektroniky je doska plošných spojov (PCB). Táto skratka tiež označuje dosky plošných spojov a karty plošných spojov, čo je v podstate to isté. Vzhľadom na kľúčovú úlohu týchto dosiek vo všetkom od počítačov až po kalkulačky by sa mal výber materiálu dosky plošných spojov vykonávať s opatrnosťou a znalosťou elektrických potrieb daného zariadenia.

Pred vývojom dosiek plošných spojov boli materiály dosiek plošných spojov väčšinou pokryté spleťami prepletených, prekrývajúcich sa vodičov, ktoré sa mohli na určitých miestach ľahko zlomiť. S pribúdajúcim vekom a praskaním niektorých vodičov mohlo dôjsť aj ku skratu. Ako sa dalo očakávať, manuálny proces zapojenia týchto skorých dosiek bol mätúci a prácny.

Keďže sa čoraz väčšia rozmanitosť každodenných elektronických súčiastok začala spoliehať na dosky plošných spojov, začali sa preteky vo vývoji jednoduchších a kompaktnejších alternatív, čo viedlo k vývoju materiálu, DPS. S materiálmi DPS je možné viesť obvody medzi množstvom rôznych súčiastok. Kov, ktorý uľahčuje prenos prúdu medzi doskou a akýmikoľvek pripojenými súčiastkami, sa nazýva spájka, ktorá vďaka svojim priľnavým vlastnostiam slúži aj na dvojaký účel.

Zloženie materiálu DPS

Zloženie dosky plošných spojov (PCB) sa vo všeobecnosti skladá zo štyroch vrstiev, ktoré sú tepelne laminované do jednej vrstvy. Materiál použitý v doske plošných spojov obsahuje nasledujúce vrstvy zhora nadol:

• Sieťotlač

• Spájkovačka

• Meď

• Substrát

Posledná z týchto vrstiev, substrát, je vyrobená zo sklenených vlákien a je tiež známa ako FR4, pričom písmená FR znamenajú „retardér horenia“. Táto substrátová vrstva poskytuje pevný základ pre dosky plošných spojov, hoci hrúbka sa môže líšiť v závislosti od použitia danej dosky.

Na trhu existuje aj lacnejší sortiment dosiek plošných spojov, ktoré nepoužívajú rovnaké spomínané materiály pre dosky plošných spojov, ale namiesto toho sú vyrobené z fenolov alebo epoxidov. Vzhľadom na tepelnú citlivosť týchto dosiek majú tendenciu ľahko strácať lamináciu. Tieto lacnejšie dosky sa dajú ľahko identifikovať podľa zápachu, ktorý vydávajú pri spájkovaní.

Druhá vrstva dosky plošných spojov je meď, ktorá je na substrát nanesená zmesou tepla a lepidla. Medená vrstva je tenká a na niektorých doskách sú dve takéto vrstvy – jedna nad a jedna pod substrátom. Dosky plošných spojov s iba jednou vrstvou medi sa zvyčajne používajú pre lacnejšie elektronické zariadenia.

Masívne používaný laminát s medeným plátovaním (CCL) možno zaradiť do rôznych kategórií podľa rôznych klasifikačných noriem vrátane výstužného materiálu, použitého živicového lepidla, horľavosti a vlastností CCL.

Nad zelenou spájkovacou maskou sa nachádza vrstva sieťotlače, ktorá pridáva písmená a číselné označenia, vďaka ktorým je DPS čitateľná pre technických programátorov. To následne uľahčuje elektrotechnickým montérom umiestnenie každej DPS na správne miesto a v správnom smere na každom komponente. Vrstva sieťotlače je zvyčajne biela, hoci sa niekedy používajú aj farby ako červená, žltá, sivá a čierna.

Technické termíny pre vrstvy plošných spojov

Okrem pochopenia toho, ako je doska plošných spojov vrstvená, je dôležité poznať aj nasledujúce technické pojmy, ktoré sa týkajú používania dosiek plošných spojov:

• Prstencový krúžok. Medený krúžok, ktorý obklopuje otvory na doske plošných spojov.

• DRC. Skratka pre kontrolu pravidiel návrhu. DRC je v podstate postup, pri ktorom sa kontroluje funkčnosť návrhu dosky plošných spojov. Medzi kontrolované detaily patrí šírka trás a vyvŕtaných otvorov.

• Zásah vrtákom. Používa sa na opis všetkých otvorov na doske plošných spojov, či už sú správne alebo nesprávne umiestnené. V niektorých prípadoch môže byť otvor mierne nesprávny kvôli tupému vŕtaciemu zariadeniu použitému počas výroby.

• Prst. Kov odkrytý pozdĺž okraja dosky, ktorý slúži ako spojovacie body medzi dvoma doskami plošných spojov. Prsty sa najčastejšie nachádzajú na starých videohrách a pamäťových kartách.

• Myšie kúsky. Časť dosky, ktorá bola nadmerne prevŕtaná do takej miery, že ohrozuje štrukturálnu integritu dosky plošných spojov.

• Podložka. Oblasť odkrytého kovu na doske plošných spojov, na ktorú sa zvyčajne aplikuje spájkovaný kus.

• Panel. Veľká doska plošných spojov pozostávajúca z menších dosiek, ktoré sa nakoniec oddelia na individuálne použitie. Dôvodom tejto praxe je eliminovať ťažkosti, s ktorými sa manipulátori stretávajú pri práci s menšími doskami.

• Šablóna na spájkovanie. Kovová šablóna na doske, na ktorú sa nanáša pasta na spájkovanie.

• Rovina. Väčšia časť odkrytej medi na doske plošných spojov, ktorá je označená okrajmi, ale chýba jej dráha.

• Pokovovaný priechodný otvor. Otvor, ktorý prechádza priamo cez dosku plošných spojov, zvyčajne na účely pripojenia iného komponentu. Otvor je pokovovaný a zvyčajne má prstencový krúžok.

• Štrbina. Akýkoľvek otvor, ktorý nie je kruhový. Dosky plošných spojov so štrbinami sú často drahé kvôli výrobným nákladom na vytváranie otvorov nepravidelných tvarov na doske plošných spojov. Štrbiny zvyčajne nie sú pokovované.

• Povrchová montáž. Metóda, pri ktorej sa externé komponenty montujú priamo na dosku bez použitia priechodných otvorov.

• Stopa. Súvisiaca medená línia na doske plošných spojov.

• V-ryha. Miesto, kde bola doska čiastočne prerezaná. To môže spôsobiť, že doska plošných spojov bude náchylná na zlomenie.

• Prechodka. Otvor, cez ktorý prechádzajú signály medzi vrstvami. Prechodky sa vyskytujú v prevedení s prechodkou a bez prechodky. Prechodky s prechodkou sú pokryté ochrannou spájkovacou maskou, zatiaľ čo prechodky bez prechodky sa používajú na pripojenie konektorov.

Číslo, ktoré predchádza vrstve, označuje presný počet vodivých vrstiev, či už ide o smerovaciu alebo rovinnú vrstvu – tieto dva typy vrstiev. Vrstvy majú zvyčajne číslo 1 alebo ktorékoľvek z nasledujúcich štyroch párnych čísel: 2, 4, 6, 8. Dosky s vrstvami majú niekedy nepárne čísla, ale tie sú zriedkavé a sotva by mali nejaký význam. Napríklad materiál dosky plošných spojov v 5-vrstvovej alebo 6-vrstvovej doske by bol prakticky identický.

Tieto dva typy vrstiev majú odlišné funkcie. Smerovacie vrstvy obsahujú stopy. Rovinné vrstvy slúžia ako napájacie konektory a obsahujú medené roviny. Rovinné vrstvy tiež obsahujú ostrovčeky, ktoré určujú účel signalizácie dosky, či už je to 3.3 V alebo 5 V.

FR4 je kódové označenie pre sklom vystužené epoxidové laminované dosky. Vďaka svojej pevnosti, ako aj schopnosti odolávať vlhkosti a ohňu je FR4 jedným z najobľúbenejších materiálov pre dosky plošných spojov.

Ďalšie aspekty návrhu dosky plošných spojov

Na označenie hrúbky dosky s viacerými vrstvami sa používa číslo, napríklad 1.6 mm. Pri štvorvrstvových doskách je štandardnou mierou 4 mm. Hrúbka je niečo, na čo si treba dávať pozor pri výbere dosiek pre zariadenie. Dosky s väčšou hrúbkou napríklad ponúknu väčšiu oporu, keď je potrebné podoprieť ťažké spojovacie predmety.

Štandardná hrúbka medi na rovných vrstvách je 35 mikrónov. Prípadne sa hrúbka medi niekedy uvádza v unciach alebo gramoch. Na doskách, ktoré podporujú veľa aplikácií, je najlepšie zvoliť vyššiu hrúbku medi.

Trate nie sú určené na prenos energie, ale to sa niekedy môže stať, keď signály správne nespracúvajú frekvencie. Ak sa problém nekontroluje, trate môžu stratiť veľké množstvo energie. Aby sa z jednej strany trate na druhú presunulo čo najviac energie, rozloženie trate musí zohľadňovať prenosové rovnice.

Vo všeobecnosti sú dva palce správna vzdialenosť dráh na vrstvených doskách, ktoré sú vyrobené z materiálu FR4 PCB s medenými dráhami, za predpokladu, že čas signálu je jedna nanosekunda. Musíte však tiež zohľadniť vplyv prenosového vedenia pri veľkých dĺžkach dráh, najmä ak je integrita signálu kľúčová. Internet je plný programov a tabuliek, ktoré sú navrhnuté tak, aby pomohli ľuďom vykonať správne výpočty impedancie pre konkrétne vrstvené dosky.

Na väčšine dosiek s plošnými spojmi sú prechodové otvory prázdne a zvyčajne cez ne vidíte. Existujú však rôzne okolnosti, za ktorých je možné prechodové otvory vyplniť. V prvom rade je potrebné, aby boli prechodové otvory vyplnené, pokiaľ ide o vytvorenie ochranných bariér pred prachom a inými nečistotami. Po druhé, prechodové otvory môžu byť vyplnené na zvýšenie nosnosti prúdu, v takom prípade sa môžu použiť vodivé materiály. Ďalším dôvodom, prečo môžu byť prechodové otvory vyplnené, je vyrovnanie dosky s plošnými spojmi.

Prechodové otvory sú zvyčajne vyplnené dielikmi BGA (guľôčkové mriežkové pole). Ak dôjde ku kontaktu medzi pinom BGA a vnútornou vrstvou, spájka by mohla prepadnúť cez prechod na inú vrstvu. Preto sú prechodové otvory vyplnené, aby sa zabezpečilo, že spájka nepretečie do inej vrstvy a aby sa zachovala integrita kontaktov podľa očakávania.

Jedným z problematickejších javov na doske s vrstvami je, keď sa kontakt v určitom bode dosky preruší. Čím častejšie sa to stáva, tým skôr je pravdepodobné, že daná časť dosky úplne vypadne. Priemerný používateľ domácej elektroniky sa s týmto problémom stretne, keď jedno z tlačidiel na kalkulačke prestane fungovať. Každé tlačidlo stlačí konkrétnu časť dosky s vrstvami a keď sa jedno miesto pokazí, tlačidlo, ktoré k tomuto miestu prináleží, nemôže vysielať svoj signál.

Ďalším spôsobom, ako sa môžu kontakty na určitých miestach zotrieť, je vloženie sekundárneho slotu pre kartu na základnú dosku. Ak sa s kartou nesprávne zaobchádza, jedno z miest pozdĺž karty sa môže poškodiť a odvtedy prestane fungovať. Najlepším spôsobom, ako chrániť povrchy dosky, ktoré sa navzájom dotýkajú, je použitie vrstvy zlata, ktorá slúži ako bariéra zvyšujúca životnosť. Zlato však môže byť drahé a jeho použitie v jazýčkoch pridáva ďalší krok v procese výroby dosiek plošných spojov.

Spájkovacia maska ​​na PCB

Farba, ktorú väčšina ľudí pozná, pokiaľ ide o základné dosky, je zelená, farba spájkovacej masky. Hoci to nie je ani zďaleka také bežné, spájkovacia maska ​​sa niekedy vyskytuje aj v iných farbách, ako je červená alebo modrá. Spájkovacia maska ​​je tiež známa pod skratkou LPISM, čo je skratka pre liquid photo imagable soldermask (liquid photo imagable soldermask). Účelom spájkovacej masky je zabrániť úniku tekutej spájky. V posledných rokoch sa tento výskyt stal bežnejším kvôli nedostatku spájkovacej masky. Podľa väčšiny správ však používatelia vo všeobecnosti uprednostňujú dosky, ktoré majú spájkovaciu masku, pred doskami, ktoré ju nemajú.

Po nanesení spájkovacej masky na dosku plošných spojov sa doska plošných spojov vystaví roztavenej spájke. Pri tomto procese sa odkryté povrchy medi spájkujú. Toto všetko je súčasťou procesu známeho ako vyrovnávanie spájky horúcim vzduchom (HASL). Počas spájkovania SMD čipov sa doska zahrieva do bodu, kedy spájka nadobudne roztavený tvar a súčiastky sa umiestnia na svoje správne miesto. Ako spájka schne, súčiastky sa tiež spájkujú. HASL zvyčajne obsahuje olovo ako jednu zo zlúčenín v spájke, hoci existujú aj bezolovnaté možnosti.

Rozstup šírky dráh je označený pomlčkou. Napríklad, keď vidíte číslo 6/6 mil, znamená to, že minimálna šírka dráhy, ako aj minimálny rozstup dráh sú 6 mil. Preto by všetky rozstupy na príslušnej doske mali byť buď rovnaké, alebo väčšie ako 6 mil. Pre tých, ktorí to nevedia, jednotky mil sa používajú na určenie vzdialeností na materiáloch plošných spojov. Šírka a rozstupy sú obzvlášť dôležité, pokiaľ ide o dosky, ktoré sú určené na zvládnutie vysokého prúdu.

Keď je doska plošných spojov viacvrstvová, nie je možné vizuálne skontrolovať prístupnosť rôznych dráh. Preto sa vykonáva test, pri ktorom sa na koniec dráh umiestnia sondy, aby sa overilo, či sú všetky signály dosiahnuteľné. Test sa vykonáva s privedením napätia z jedného konca. Ak sa toto napätie sníma z druhej strany, dráhy sa považujú za prevádzkyschopné. Hoci test nie je vždy nevyhnutný na doskách s iba jednou alebo dvoma vrstvami, stále sa odporúča, ak vám skutočne záleží na kvalite.

Prechody, ktoré spájajú vnútorné a vonkajšie vrstvy, sa nazývajú slepé prechody. Názov je odvodený od skutočnosti, že takéto prechody je možné vidieť iba z jednej strany. Prechody, ktoré spájajú dve alebo viac vnútorných vrstiev, sa nazývajú zapustené prechody, ktoré nie je možné vidieť zvonku na žiadnej strane. Na doskách s plošnými spojmi, ktoré obsahujú slepé a zapustené prechody, sa často používa výplň prechodov. To udržiava vonkajší povrch bezpečnejší a pomáha znížiť možnosť prešmyknutia a preniknutia spájky cez vnútorné prechody.

Výber materiálov ovplyvňujúcich náklady

Doska plošných spojov (PCB) zvyčajne stojí viac, ak obsahuje prvky, ako sú zlaté výstupky, slepé alebo zapustené prechodky alebo výplň prechodiek. Podobne aj doska plošných spojov s rozstupom čiar a šírky menším ako 6 mil býva drahšia. Dôvodom týchto vyšších cien je alternatívny proces, ktorý sa používa pri výrobe nezvyčajných dosiek plošných spojov. Z rovnakého dôvodu sa niektoré výroby dosiek plošných spojov ukážu ako menej ziskové alebo úspešné, keď sa používajú nízke rozstupy čiar a šírky alebo vnútorné prechodky, a vyššia cena je nastavená na pokrytie strát. Existujú výrobcovia, ktorí vyrábajú dosky plošných spojov s rozmermi čiar a šírky už od 3 mil, ale to sa vo všeobecnosti neodporúča, pokiaľ to nie je vaša jediná možnosť pre konkrétny komponent.

Vplyv výkonu a tepla na výber materiálu DPS

Zo všetkých faktorov, ktoré ovplyvňujú dosky plošných spojov, sú dva najintenzívnejšie energia a teplo. Preto je nevyhnutné určiť prahové hodnoty pre každý z nich, čo sa dá dosiahnuť posúdením tepelnej vodivosti dosky plošných spojov. Táto hodnota definuje, ako sa výkon premieňa na teplotu v závislosti od dĺžky materiálu. Neexistujú však žiadne stanovené hodnoty tepelnej vodivosti platné pre celý priemysel.

Napríklad spoločnosť Rogers Corp. ponúka materiál PCB, RT/duroid 5880, ktorý sa často používa v elektronickom boji a komunikáciách. Dielektrická konštanta tohto materiálu je nízka, pretože ide o kompozitný materiál, ktorý obsahuje prvky mikrovláknového skla. Tieto mikrovlákna slúžia na zvýšenie pevnosti vlákien v materiáli.

Vďaka tejto nízkej dielektrickej konštante je doska plošných spojov ideálna pre aplikácie, ktoré využívajú vysoké frekvencie. Kvôli nízkej tepelnej vodivosti materiálu sa však môže ľahko zahriať, čo môže byť obrovskou nevýhodou v aplikáciách s vysokou tepelnou náročnosťou.

Materiály DPS a priemyselné aplikácie

Pre aplikácie vo vojenskom, leteckom, automobilovom a lekárskom priemysle sa dosky plošných spojov vyrábajú v jednostranných aj obojstranných variantoch, z ktorých niektoré sú potiahnuté meďou a iné používajú hliník. V každom z týchto odvetví sa tento materiál používa pre maximálny výkon v špecifických oblastiach. Preto sa materiály dosiek plošných spojov vyberajú pre svoju nízku hmotnosť v určitých odvetviach alebo pre svoju schopnosť zvládať vysoké množstvo energie v iných. Pri zohľadnení výkonnostných vlastností je preto dôležité určiť, ktoré funkcie je potrebné porovnávať pri výbere materiálov dosiek plošných spojov, pretože úrovne materiálu korelujú s úrovňami výkonu.

Flexibilné a pevne-flexibilné dosky

V posledných rokoch sa flexibilné a tuho-flexibilné dosky tešia na popularite vďaka možnostiam, ktoré umožňujú v rôznych aplikáciách. V podstate sa dajú ohýbať, skladať a dokonca aj omotávať okolo predmetov, takže sa dajú použiť na dosiahnutie aplikácií, ktoré by s plochými doskami plošných spojov nikdy neboli možné. Napríklad flexibilná doska by sa mohla použiť pre zariadenie, ktoré by vyžadovalo, aby sa doska skladala pod uhlom a stále prenášala prúd z jedného konca na druhý bez potreby pripájania panelov.

Väčšina flexibilných dosiek na trhu sa skladá z Kaptonu, polyimidovej fólie, ktorú vyvinula spoločnosť DuPont Corporation. Fólia sa vyznačuje vlastnosťami, ako je tepelná odolnosť, rozmerová konzistencia a dielektrická konštanta iba 3.6.

Kapton sa dodáva v troch verziách Pyralux:

• Spomaľovač horenia (FR)

• Nehorľavý (NFR)

• Bezlepivý / vysoký výkon (AP)

Výber materiálov dosiek plošných spojov – kvalita na prvom mieste

Pokiaľ ide o výber materiálov pre dosky plošných spojov, kvalita je pri konštrukcii akéhokoľvek typu dosky mimoriadne dôležitá, či už je určená pre domácu elektroniku alebo priemyselné zariadenia. Súčiastka, ktorá obsahuje dosku plošných spojov, môže byť veľká alebo malá, lacná alebo drahá, ale najdôležitejšie je, aby daná položka ponúkala vynikajúci výkon počas celej svojej očakávanej životnosti.

Hoci existuje niekoľko typov materiálov pre dosky plošných spojov, ktoré sa používajú v danej doske, spoľahlivosť produktu je v konečnom dôsledku to, čo spotrebitelia a firmy hľadajú v produktoch, ktoré používajú dosky plošných spojov. Samozrejme, je tiež dôležité, aby materiály dosiek plošných spojov boli dostatočne pevné, aby držali pohromade, aj keď súčiastka náhodou spadne alebo sa prevráti nabok.

Napríklad v počítačových zariadeniach odolné dosky plošných spojov zabezpečujú, že aktualizácie hardvéru je možné vykonávať bez poškodenia existujúcich materiálov dosiek plošných spojov. To isté platí pre elektronické zariadenia, mikrovlnné rúry a iné domáce spotrebiče, ktoré sa spoliehajú na technológiu plošných spojov, aby zostali v prevádzkyschopnom stave. Aj v elektronických verejných zariadeniach, ako sú bankomaty, musia dosky plošných spojov fungovať bezchybne, aby tlačidlá fungovali a príkazy boli pochopené bez oneskorenia.

At Wonderful PCB, ponúkame kompletný sortiment dodávok a montážnych služieb v oblasti DPS. Vďaka našim viac ako 20-ročným obchodným skúsenostiam a inovatívnym technológiám, Wonderful PCB dokáže spracovať rôzne laminátové materiály a substráty vrátane FR4, Rogers atď., ktoré sú najobľúbenejšie a najširšie používané. Naše služby využívajú inžinieri v rôznych priemyselných odvetviach s jedinečnými cieľmi, pokiaľ ide o prevádzku a funkčnosť súčiastok, ktoré používajú dosky plošných spojov. Ak sa chcete dozvedieť viac o našich službách, navštívte naše stránky s prehľadom montáže a možnosťami alebo nás kontaktujte ešte dnes a získajte okamžitú cenovú ponuku.