Vodnik za izbiro materiala za tiskana vezja

Najpomembnejši del elektronike je tiskano vezje (PCB). Kratica se uporablja tudi za tiskana vezja in tiskane vezne kartice, kar je v bistvu ista stvar. Zaradi ključne vloge teh plošč v vsem, od računalnikov do kalkulatorjev, je treba material za tiskana vezja izbrati skrbno in s poznavanjem električnih potreb določene opreme.

Pred razvojem tiskanih vezij so bili materiali tiskanih vezij večinoma prekriti z gnezdi prepletenih, prekrivajočih se žic, ki so se na določenih stičiščih zlahka zlomile. Prav tako je lahko prišlo do kratkega stika, ko je starost prinesla določene žice in so začele pokati. Kot je bilo pričakovati, je bil ročni postopek ožičenja teh zgodnjih plošč zmeden in mukotrpen.

Ker se je vse večja raznolikost vsakdanjih elektronskih komponent začela zanašati na tiskana vezja, se je začela dirka za razvoj enostavnejših in kompaktnejših alternativ, kar je privedlo do razvoja materiala, tiskanih vezij (PCB). Z materiali za tiskana vezja je mogoče vezja usmeriti med množico različnih komponent. Kovina, ki omogoča prenos toka med ploščo in vsemi pritrjenimi komponentami, je znana kot spajka, ki s svojimi lepilnimi lastnostmi služi tudi dvojnemu namenu.

Sestava materiala tiskanih vezij

Sestava tiskanega vezja (PCB) je običajno sestavljena iz štirih plasti, ki so toplotno laminirane skupaj v eno plast. Material, uporabljen v tiskanem vezju, vključuje naslednje plasti od vrha do dna:

• Silkscreen

• Spajkalna maska

• Baker

• Podlaga

Zadnja od teh plasti, substrat, je izdelana iz steklenih vlaken in je znana tudi kot FR4, kjer črki FR pomenita »ognjevarno sredstvo«. Ta substratna plast zagotavlja trdno podlago za tiskana vezja, čeprav se debelina lahko razlikuje glede na uporabo določene plošče.

Na trgu obstaja tudi cenejša ponudba plošč, ki ne uporabljajo istih zgoraj omenjenih materialov za tiskana vezja, temveč so sestavljene iz fenolnih ali epoksidnih smol. Zaradi toplotne občutljivosti teh plošč se laminacija zlahka izgubi. Te cenejše plošče je pogosto enostavno prepoznati po vonju, ki ga oddajajo med spajkanjem.

Druga plast tiskanega vezja je baker, ki je laminiran na podlago z mešanico toplote in lepila. Bakrena plast je tanka, na nekaterih ploščah pa sta dve taki plasti – ena nad in ena pod podlago. Tiskana vezja z eno samo plastjo bakra se običajno uporabljajo za cenejše elektronske naprave.

Masovno uporabljen bakreno obložen laminat (CCL) lahko razvrstimo v različne kategorije glede na različne klasifikacijske standarde, vključno z ojačitvenim materialom, uporabljenim smolnim lepilom, vnetljivostjo in delovanjem CCL.

Nad zeleno spajkalno masko je plast sitotiska, ki doda črke in numerične oznake, zaradi katerih je tiskano vezje berljivo za tehnične programerje. To pa elektronikom olajša namestitev vsakega tiskanega vezja na pravilno mesto in v pravo smer na vsaki komponenti. Plast sitotiska je običajno bela, včasih pa se uporabljajo tudi barve, kot so rdeča, rumena, siva in črna.

Tehnični izrazi za plasti tiskanih vezij

Poleg razumevanja, kako je tiskano vezje (PCB) plastovito, je pomembno poznati tudi naslednje tehnične izraze, ki spremljajo uporabo tiskanih vezij:

• Obroč. Bakreni obroč, ki obdaja luknje na tiskanem vezju.

• DRC. Kratica za preverjanje pravil načrtovanja (design rule check). DRC je v bistvu praksa, pri kateri se preverja funkcionalnost zasnove tiskanega vezja. Preverjajo se podrobnosti, kot so širina sledi in izvrtin.

• Zadetek vrtanja. Uporablja se za opis vseh lukenj na tiskanem vezju, ne glede na to, ali so pravilno nameščene ali napačno. V nekaterih primerih je lahko luknja nekoliko napačna zaradi topega vrtalnega orodja, uporabljenega med proizvodnjo.

• Prst. Kovina, izpostavljena vzdolž roba plošče, ki služi kot povezovalne točke med dvema tiskanima vezjema. Prste najpogosteje najdemo na starih videoigrah in pomnilniških karticah.

• Mišji delci. Del plošče, ki je bil preveč izvrtan do te mere, da ogroža strukturno celovitost tiskanega vezja.

• Blazinica. Območje izpostavljene kovine na tiskanem vezju, na katero je običajno nanesen spajkani kos.

• Plošča. Veliko tiskano vezje, sestavljeno iz manjših plošč, ki se sčasoma ločijo za individualno uporabo. Razlog za to prakso je odpraviti težave, s katerimi se srečujejo uporabniki pri delu z manjšimi ploščami.

• Šablona za spajkanje. Kovinska šablona na plošči, na katero se nanese pasta za spajkanje.

• Ravnina. Večji del izpostavljenega bakra na tiskanem vezju, ki je označen z robovi, vendar mu manjka pot.

• Prevlečena skoznja luknja. Luknja, ki gre naravnost skozi tiskano vezje, običajno za priključitev druge komponente. Luknja je prevlečena in ima običajno obroč.

• Reža. Vsaka luknja, ki ni okrogla. Tiskana vezja z režami so pogosto draga zaradi proizvodnih stroškov ustvarjanja lukenj nenavadnih oblik na tiskanem vezju. Reže običajno niso prevlečene.

• Površinska montaža. Metoda, pri kateri so zunanje komponente nameščene neposredno na ploščo brez uporabe skoznjih lukenj.

• Sled. Neprekinjena bakrena linija čez tiskano vezje.

• V-zareza. Mesto, kjer je bila plošča delno prerezana. Zaradi tega je lahko tiskano vezje ranljivo in se lahko zlomi.

• Prehod. Luknja, skozi katero potujejo signali med plastmi. Prehodi so vidni v šotorskih in nešatorskih različicah. Šotorske različice so prekrite z zaščitno spajkalno masko, medtem ko se nešatorski prehodi uporabljajo za priključitev konektorjev.

Številka, ki stoji pred plastjo, se nanaša na natančno število prevodnih plasti, pa naj gre za usmerjevalno ali ravninsko plast – ti dve vrsti plasti. Plasti imajo običajno številko 1 ali katero koli od naslednjih štirih sodih števil: 2, 4, 6, 8. Plošče s plastmi imajo včasih lihe številke, vendar so te redke in ne bi bistveno vplivale na rezultate. Na primer, material tiskanega vezja v 5- ali 6-plastni plošči bi bil praktično enak.

Ti dve vrsti plasti imata različni funkciji. Usmerjevalne plasti imajo sledi. Ravninske plasti služijo kot napajalni priključki in imajo bakrene ravnine. Ravninske plasti imajo tudi otoke, ki določajo namen signalizacije plošče, pa naj bo to 3.3 V ali 5 V.

FR4 je kodno ime za epoksi laminirane plošče, ojačane s steklenimi vlakni. Zaradi svoje trdnosti ter odpornosti na vlago in ogenj je FR4 eden najbolj priljubljenih materialov za tiskana vezja.

Dodatni premisleki glede načrtovanja tiskanih vezij

Številka, kot je 1.6 mm, se uporablja za označevanje debeline plošče s plastmi. Pri štirih plasteh je standardna mera 4 mm. Pri izbiri plošč za napravo je treba biti pozoren na debelino. Plošče z večjo debelino bodo na primer nudile večjo oporo, ko je treba podpreti težke priključne predmete.

Standardna debelina bakra na ravnih plasteh je 35 mikronov. Debelina bakra je včasih navedena tudi v unčah ali gramih. Na ploščah, ki podpirajo veliko aplikacij, je najbolje izbrati višjo debelino bakra od običajne.

Tiri niso namenjeni prenosu moči, vendar se to včasih lahko zgodi, ko signali ne obvladujejo frekvenc pravilno. Če težave ne odpravimo, lahko tiri izgubijo velike količine moči. Da bi se čim več moči preneslo z ene strani tira na drugo, mora postavitev tira upoštevati enačbe prenosa.

Na splošno sta dva palca pravilna razdalja sledi na plastnih ploščah, ki so izdelane iz bakreno sledljivega materiala FR4 PCB, pod pogojem, da je čas signala ena nanosekunda. Vendar pa morate upoštevati tudi vplive daljnovoda pri dolgih dolžinah sledi, zlasti če je celovitost signala ključnega pomena. Internet je poln programov in preglednic, ki so zasnovane tako, da ljudem pomagajo pri pravilnih izračunih impedance za določene plastne plošče.

Na večini plošč so prehodi prazni in običajno lahko vidite skoznje. Kljub temu obstajajo različne okoliščine, v katerih je mogoče prehode zapolniti. Za začetek je potrebno, da so prehodi zapolnjeni, ko gre za oblikovanje zaščitnih ovir pred prahom in drugimi nečistočami. Drugič, prehodi se lahko zapolnijo za povečanje nosilnosti toka, v tem primeru se lahko uporabijo prevodni materiali. Drug razlog, zakaj se lahko prehodi zapolnijo, je izravnava plošče.

Prehodi so običajno zapolnjeni s koščki BGA (ball grid array). Če pride do stika med pinom BGA in notranjo plastjo, lahko spajka zdrsne skozi prehod na drugo plast. Zato so prehodi zapolnjeni, da se zagotovi, da spajka ne pušča na drugo plast in da se ohrani celovitost kontaktov, kot je predvideno.

Eden bolj problematičnih pojavov na plošči je, ko se kontakt na določeni točki vzdolž plošče prekine in izklopi. Pogosteje ko se to zgodi, prej bo ta del plošče popolnoma odpovedal. Povprečen uporabnik gospodinjske elektronike bo to težavo doživel, ko eden od gumbov na kalkulatorju preneha delovati. Vsak gumb pritisne na določen del plošče in ko se eno mesto pokvari, gumb, ki je povezan s tem mestom, ne more poslati svojega signala.

Drug način, kako se lahko stiki na določenih mestih obrabijo, je, ko je na matično ploščo vstavljena sekundarna reža za kartico. Če s kartico ne ravnamo pravilno, se lahko eno od mest vzdolž kartice poškoduje in od tam naprej ne bo več delovalo. Najboljši način za zaščito površin plošče, ki se stikajo med seboj, je uporaba zlate plasti, ki služi kot zaščita za daljšo življenjsko dobo. Vendar je zlato lahko drago in njegova uporaba v jezičkih doda še en korak v procesu izdelave tiskanih vezij.

Spajkalna maska ​​za tiskana vezja

Barva, ki jo večina ljudi pozna pri matičnih ploščah, je zelena, barva spajkalne maske. Čeprav ni niti približno tako pogosta, se spajkalna maska ​​včasih pojavlja tudi v drugih barvah, kot sta rdeča ali modra. Spajkalna maska ​​je znana tudi pod kratico LPISM, kar pomeni tekoča fotoosjetljiva spajkalna maska. Namen spajkalne maske je preprečiti puščanje tekočega spajka. V zadnjih letih so se ti primeri pogostejši zaradi pomanjkanja spajkalne maske. Vendar pa večina uporabnikov po mnenju mnogih raje uporablja plošče s spajkalno masko kot plošče brez nje.

Ko je spajkalna maska ​​nanesena na tiskano vezje, se tiskano vezje izpostavi staljenemu spajkanju. Med tem postopkom se izpostavljene površine bakra spajkajo. Vse to je del postopka, znanega kot izravnavanje spajkanja z vročim zrakom (HASL). Ko se SMD čipi spajkajo, se plošča segreje do točke, ko spajka prevzame staljeno obliko in se komponente namestijo na svoje mesto. Ko se spajka suši, se tudi komponente spajkajo. HASL običajno vsebuje svinec kot eno od spojin v spajki, čeprav obstajajo tudi možnosti brez svinca.

Razmik med tirnicami je označen s pomišljajem. Na primer, ko vidite številko 6/6 mil, to pomeni, da je najmanjša širina tirnic in najmanjši razmik med tirnicami 6 mil. Zato morajo vsi razmiki na zadevni plošči dosegati ali presegati 6 mil. Za tiste, ki niso seznanjeni, se enote mil uporabljajo za določanje razdalj na materialih tiskanih vezij. Širina in razmik sta še posebej pomembna pri ploščah, ki so zasnovane za prenos velikih količin toka.

Ko je tiskano vezje večplastno, različnih sledi ni mogoče vizualno pregledati glede njihove dostopnosti. Zato se izvede test, pri katerem se na konec sledi namestijo sonde, da se preveri, ali so vsi signali dosegljivi. Test se izvede z uporabo napetosti z enega konca. Če se te napetosti zaznajo z druge strani, se šteje, da sledi delujejo. Čeprav test ni vedno potreben na ploščah z samo eno ali dvema slojema, je še vedno priporočljiv, če vam je resnično pomembna kakovost.

Prehodi, ki povezujejo notranje in zunanje plasti, so znani kot slepi prehodi. Ime izhaja iz dejstva, da je takšne prehode mogoče opaziti le z ene strani. Prehodi, ki povezujejo dve ali več notranjih plasti, so znani kot zakopani prehodi, ki jih ni mogoče opaziti z zunanje strani na nobeni strani. Na ploščah, ki vsebujejo slepe in zakopane prehode, se prehodi pogosto zapolnjujejo. To ohranja zunanjo površino varnejšo in pomaga zmanjšati možnost, da bi spajka zdrsnila skozi in prodrla v notranje prehode.

Izbira materialov, ki vpliva na stroške

Tiskana vezja so običajno dražja, če vsebujejo elemente, kot so zlati jezički, slepi ali zakopani prehodi ali zapolnitev prehodov. Prav tako so tiskana vezja z razmikom med črtami in širino pod 6 mil običajno dražja. Razlog za te višje cene je alternativni postopek, ki se uporablja pri proizvodnji nenavadnih tiskanih vezij. Po drugi strani pa se izkaže, da nekatere proizvodnje tiskanih vezij niso niti približno tako donosne ali uspešne, če so uporabljene majhne črte ali notranji prehodi, višja cena pa je namenjena kritju izgub. Obstajajo proizvajalci, ki proizvajajo tiskana vezja z meritvami črt/širin do 3 mil, vendar to na splošno ni priporočljivo, razen če je to vaša edina možnost za določeno komponento.

Vpliv moči in toplote na izbiro materiala tiskanih vezij

Od vseh dejavnikov, ki vplivajo na tiskana vezja, sta dva najbolj intenzivna moč in toplota. Zato je ključnega pomena določiti pragove za vsakega, kar je mogoče storiti z oceno toplotne prevodnosti tiskanega vezja. Ta določa, kako se moč pretvori v temperaturo po dolžini materiala. Vendar pa ni uveljavljenih industrijskih vrednosti za toplotno prevodnost.

Na primer, Rogers Corp. ponuja material za tiskana vezja, RT/duroid 5880, ki se pogosto uporablja v elektronskem bojevanju in komunikacijah. Dielektrična konstanta tega materiala je nizka, saj gre za kompozitni material, ki vsebuje elemente mikrovlaken iz steklenih vlaken. Ta mikrovlakna služijo povečanju trdnosti vlaken v materialu.

Zaradi te nizke dielektrične konstante je tiskano vezje idealno za aplikacije, ki uporabljajo visoke frekvence. Vendar pa se zaradi nizke toplotne prevodnosti materiala zlahka segreje, kar je lahko velika pomanjkljivost pri toplotno intenzivnih aplikacijah.

Materiali za tiskana vezja in njihova uporaba v industriji

Za uporabo v vojaški, vesoljski, avtomobilski in medicinski industriji se tiskana vezja izdelujejo v enostranskih in dvostranskih različicah, nekatere so prevlečene z bakrom, druge pa iz aluminija. V vsaki od teh panog se material uporablja za maksimalno zmogljivost na določenih področjih. Zato so materiali za tiskana vezja v nekaterih panogah izbrani zaradi njihove lahke teže, v drugih pa zaradi njihove sposobnosti prenašanja velikih količin energije. Pri upoštevanju zmogljivosti je zato ključnega pomena določiti, katere funkcije je treba primerjati med seboj, saj so ravni materialov povezane z ravnmi zmogljivosti.

Fleksibilne in togo-fleksibilne plošče

V zadnjih letih so fleksibilne in togo-fleksibilne plošče postale bolj priljubljene zaradi možnosti, ki jih omogočajo pri različnih uporabah. V bistvu jih je mogoče upogibati, prepogibati in celo ovijati okoli predmetov, zato jih je mogoče uporabiti za doseganje aplikacij, ki z ravnimi tiskanimi vezji ne bi bile nikoli mogoče. Fleksibilna plošča se lahko na primer uporabi za kos opreme, ki bi zahteval ploščo, ki bi se prepognila pod kotom in bi še vedno prenašala tok od enega konca do drugega, ne da bi bilo treba priključiti plošče.

Večina fleksibilnih plošč na trgu je izdelanih iz Kaptona, poliimidne folije, ki jo je razvilo podjetje DuPont Corporation. Folija se ponaša z lastnostmi, kot so toplotna odpornost, dimenzijska konsistenca in dielektrična konstanta le 3.6.

Kapton je na voljo v treh različicah Pyralux:

• Zaviralec gorenja (FR)

• Negorljivo (NFR)

• Brez lepila / visoka zmogljivost (AP)

Izbira materialov za tiskana vezja – kakovost na prvem mestu

Pri izbiri materialov za tiskana vezja je kakovost izjemnega pomena pri izdelavi katere koli vrste plošče, ne glede na to, ali je namenjena za domačo elektroniko ali industrijsko opremo. Komponenta, ki vsebuje tiskano vezje, je lahko velika ali majhna, poceni ali draga, vendar je najpomembneje, da zadevni izdelek ponuja vrhunsko zmogljivost v celotni predvideni življenjski dobi.

Čeprav obstaja več vrst materialov za tiskana vezja, ki se uporabljajo v posameznih ploščah, je zanesljivost izdelka tisto, kar potrošniki in podjetja navsezadnje iščejo pri izdelkih, ki uporabljajo tiskana vezja. Seveda je ključnega pomena tudi, da so materiali za tiskana vezja dovolj močni, da se držijo skupaj, tudi če komponenta pomotoma pade ali se prevrne.

Na primer, v računalniški opremi trpežne tiskane vezja zagotavljajo posodobitve strojne opreme, ne da bi pri tem poškodovali obstoječe materiale tiskanih vezjev. Enako velja za elektronske naprave, mikrovalovne pečice in druge gospodinjske aparate, ki se za delovanje zanašajo na tehnologijo tiskanih vezjev. Tudi v elektronskih javnih objektih, kot so bankomati, morajo tiskana vezja delovati brezhibno, da bodo gumbi delovali in da bodo ukazi razumljeni brez zamika.

At Wonderful PCB, ponujamo celotno paleto dobave tiskanih vezij in storitev montaže. Zaradi več kot 20 let poslovnih izkušenj in inovativnih tehnologij, Wonderful PCB Zmore obdelati različne laminatne materiale in substrate, vključno s FR4, Rogers itd., ki so najbolj priljubljeni in široko uporabljeni. Naše storitve uporabljajo inženirji iz različnih industrijskih sektorjev z edinstvenimi cilji, ko gre za delovanje in funkcionalnost komponent, ki uporabljajo tiskana vezja. Če želite izvedeti več o naših storitvah, obiščite naše strani s pregledom montaže in zmogljivostmi ali pa nas kontaktirajte za takojšnjo ponudbo še danes.