Керівництво з вибору матеріалу для друкованих плат

Найважливішою частиною електроніки є друкована плата (PCB). Або ж ця абревіатура також означає друковані плати та друковані карти, що по суті є одним і тим самим. Через вирішальну роль цих плат у всьому, від комп'ютерів до калькуляторів, вибір матеріалу для друкованих плат слід проводити з обережністю та знанням електричних потреб даного обладнання.

До розробки друкованих плат матеріали друкованих плат були здебільшого покриті гніздами переплетених, перекриваючихся проводів, які могли легко вийти з ладу в певних місцях. Вони також могли призвести до короткого замикання, коли з часом набув сили, і деякі дроти почали тріскатися. Як і слід було очікувати, ручний процес підключення цих ранніх плат був заплутаним і копітким.

Оскільки все більша кількість повсякденних електронних компонентів почала використовувати друковані плати, розпочалася гонка за розробкою простіших і компактніших альтернатив, що призвело до розробки матеріалу – друкованої плати (PCB). За допомогою матеріалів для друкованих плат (PCB) схеми можна прокладати між безліччю різних компонентів. Метал, який сприяє передачі струму між платою та будь-якими приєднаними компонентами, відомий як припій, який також виконує подвійну функцію завдяки своїм адгезійним властивостям.

Склад матеріалу друкованої плати

Склад друкованої плати зазвичай складається з чотирьох шарів, які ламінуються разом за допомогою теплового ламінування в один шар. Матеріал, що використовується в друкованій платі, включає такі шари зверху вниз:

• Шовкографія

• Паяльна маска

• Мідь

• Субстрат

Останній із цих шарів, підкладка, виготовлена ​​зі скловолокна та також відома як FR4, де FR означає «вогнезахисний». Цей шар підкладки забезпечує міцну основу для друкованих плат, хоча товщина може змінюватися залежно від використання даної плати.

На ринку також існує дешевший асортимент плат, які не використовують ті ж вищезгадані матеріали для друкованих плат, а натомість складаються з фенолів або епоксидних смол. Через термочутливість цих плат вони легко втрачають свою ламінацію. Ці дешевші плати часто легко впізнати за запахом, який вони виділяють під час паяння.

Другий шар друкованої плати – це мідь, яка ламінується на підкладку за допомогою суміші тепла та клею. Мідний шар тонкий, і на деяких платах є два таких шари – один над підкладкою, а інший під нею. Друковані плати лише з одним шаром міді, як правило, використовуються для дешевших електронних пристроїв.

Масово використовуваний міднопластований ламінат (CCL) можна класифікувати на різні категорії відповідно до різних стандартів класифікації, включаючи армуючий матеріал, використаний клей на основі смоли, горючість, характеристики CCL.

Над зеленою паяльною маскою розташований шар шовкографії, який додає літери та числові індикатори, що роблять друковану плату читабельною для технічних програмістів. Це, у свою чергу, полегшує складальникам електроніки розміщення кожної друкованої плати у правильному місці та в правильному напрямку на кожному компоненті. Шар шовкографії зазвичай білий, хоча іноді використовуються також такі кольори, як червоний, жовтий, сірий та чорний.

Технічні терміни шару друкованої плати

Поряд з розумінням того, як нашаровується друкована плата, важливо також знати наступні технічні терміни, що супроводжують використання друкованих плат:

• Кільцеве кільце. Мідне кільце, що оточує отвори на друкованій платі.

• DRC. Абревіатура від Design Rule Check (перевірка правил проектування). По суті, DRC – це практика, за допомогою якої перевіряється функціональність друкованої плати. Перевіряються такі деталі, як ширина доріжок та отворів.

• Удар свердлом. Використовується для опису всіх отворів на друкованій платі, незалежно від того, чи вони розташовані правильно, чи неправильно. У деяких випадках отвір може бути дещо неправильним через тупе свердлильне обладнання, яке використовується під час виробництва.

• Палець. Метал, що оголюється вздовж краю плати, служить точками з'єднання між двома друкованими платами. Пальці найчастіше зустрічаються на старих відеоіграх та картах пам'яті.

• Мишачі біти. Ділянка плати, яка була надмірно просвердлена до точки, що це загрожує структурній цілісності друкованої плати.

• Контактна площадка. Ділянка відкритого металу на друкованій платі, на яку зазвичай наноситься припаяний елемент.

• Панель. Велика друкована плата, що складається з менших плат, які зрештою розділяються для індивідуального використання. Причина такої практики полягає в усуненні труднощів, з якими стикаються оператори, коли справа доходить до роботи з меншими платами.

• Трафарет з пасти. Металевий трафарет на платі, на який наноситься паста для паяння.

• Площина. Більша ділянка оголеної міді на друкованій платі, позначена рамками, але без контуру.

• Наскрізний отвір з гальванічним покриттям. Отвір, який проходить прямо через друковану плату, зазвичай для підключення іншого компонента. Отвір гальванічний і зазвичай має кільцеподібне кільце.

• Паз. Будь-який отвір, який не є круглим. Друковані плати зі пазами часто мають високу ціну через виробничі витрати на створення отворів нестандартної форми на друкованій платі. Пази зазвичай не гальванізовані.

• Поверхневий монтаж. Метод, за якого зовнішні компоненти монтуються безпосередньо на плату без використання наскрізних отворів.

• Слід. Безперервна лінія міді на друкованій платі.

• V-подібний надріз. Місце, де плата була частково розрізана. Це може зробити друковану плату вразливою до зламування.

• Перехідний отвір. Отвір, через який сигнали передаються між шарами. Перехідні отвори бувають у тентованих та нетентованих версіях. Тентовані версії покриті захисною паяльною маскою, тоді як нетентовані використовуються для кріплення роз'ємів.

Число, що стоїть перед шаром, вказує на точну кількість провідних шарів, будь то шар трасування чи плоский шар — два типи шарів. Шари зазвичай мають число 1 або будь-яке з наступних чотирьох парних чисел: 2, 4, 6, 8. Плати з шарами іноді мають непарні числа, але вони трапляються рідко і майже не мають значення. Наприклад, матеріал друкованої плати у 5-шаровій або 6-шаровій платі буде практично ідентичним.

Ці два типи шарів мають різні функції. Шари трасування мають доріжки. Площинні шари служать роз'ємами живлення та мають мідні площини. Площинні шари також мають острови, які визначають призначення сигналізації плати, будь то 3.3 В чи 5 В.

FR4 – це кодова назва для епоксидних ламінованих листів, армованих скловолокном. Завдяки своїй міцності, а також здатності протистояти вологості та вогню, FR4 є одним із найпопулярніших матеріалів для друкованих плат.

Додаткові міркування щодо проектування друкованих плат

Наприклад, для позначення товщини багатошарової плати використовується число, таке як 1.6 мм. Для чотиришарових плат стандартним показником є ​​4 мм. Товщину слід звертати увагу при виборі плат для пристрою. Плати більшої товщини, наприклад, забезпечать кращу опору, коли потрібно буде підтримувати важкі з'єднувальні елементи.

Стандартний рівень товщини міді на плоских шарах становить 35 мікронів. Як варіант, товщину міді іноді вказують в унціях або грамах. Найкраще вибирати більшу, ніж зазвичай, товщину міді на платах, які підтримують багато застосувань.

Колії не призначені для передачі енергії, але це іноді може траплятися, коли сигнали неправильно обробляють частоти. Якщо проблему не контролювати, колії можуть втратити значну кількість енергії. Щоб перемістити якомога більше енергії з одного боку колії на інший, їхнє розташування має враховувати рівняння передачі.

Загалом, два дюйми – це правильна відстань доріжок на багатошарових платах, що виготовлені з друкованої плати FR4 з мідними доріжками, за умови, що час сигналу становить одну наносекунду. Однак, необхідно також враховувати вплив лінії передачі для доріжок великої довжини, особливо якщо цілісність сигналу має вирішальне значення. Інтернет сповнений програм та електронних таблиць, розроблених, щоб допомогти людям правильно розрахувати імпеданс для конкретних багатошарових плат.

На більшості плат перехідні отвори порожні, і зазвичай крізь них видно. Тим не менш, існують різні обставини, за яких перехідні отвори можна заповнити. По-перше, необхідно, щоб перехідні отвори були заповнені, коли справа доходить до формування захисних бар'єрів від пилу та інших домішок. По-друге, перехідні отвори можуть бути заповнені для підвищення пропускної здатності струму, і в цьому випадку можуть бути використані провідні матеріали. Ще одна причина, чому перехідні отвори можуть бути заповнені, - це вирівнювання плати.

Перехідні отвори зазвичай заповнені деталями кулькової сітки (BGA). Якщо між контактом BGA та внутрішнім шаром відбувається контакт, припій може прослизнути через перехідний отвір на інший шар. Тому перехідні отвори заповнюються, щоб запобігти протіканню припою на інший шар і зберегти цілісність контактів належним чином.

Одним із найнеприємніших явищ на багатошаровій платі є обрив контакту в певній точці плати. Чим частіше це трапляється, тим швидше ця частина плати повністю вийде з ладу. Пересічний користувач побутової електроніки стикається з цією проблемою, коли одна з кнопок на калькуляторі перестає працювати. Кожна кнопка натискає на певну частину багатошарової плати, і коли одна точка виходить з ладу, кнопка, що відповідає цій точці, не може надсилати свій сигнал.

Ще один спосіб, яким можуть стиратися контакти в певних місцях, – це встановлення додаткового слота для карт на материнську плату. Якщо з картою поводитися неналежним чином, одна з точок вздовж неї може пошкодитися і перестати працювати. Найкращий спосіб захистити поверхні плати, які контактують одна з одною, – це використання шару золота, який служить бар'єром, що підвищує термін служби. Однак золото може бути дорогим, і його використання у вкладках додає ще один крок у процес виготовлення друкованих плат.

Паяльна маска для друкованих плат

Колір, з яким знайома більшість людей, коли йдеться про материнські плати, – це зелений, колір паяльної маски. Хоча паяльна маска зустрічається не так часто, вона іноді зустрічається в інших кольорах, таких як червоний або синій. Паяльна маска також відома під абревіатурою LPISM, що розшифровується як рідка фотозображена паяльна маска. Мета паяльної маски – запобігти витіканню рідкого припою. В останні роки це стало частішим через відсутність паяльної маски. Однак, за більшістю даних, користувачі зазвичай віддають перевагу платам з паяльною маскою, ніж платам без неї.

Після нанесення паяльної маски на друковану плату, її піддають впливу розплавленого припою. У процесі цього процесу відкриті поверхні міді паяються. Все це частина процесу, відомого як вирівнювання припою гарячим повітрям (HASL). Під час паяння SMD-чіпів плата нагрівається до точки, де припій набуває розплавленої форми, а компоненти розміщуються на своїх місцях. Коли припій висихає, компоненти також паяються. HASL зазвичай містить свинець як одну з сполук у припої, хоча існують також варіанти без свинцю.

Відстань між доріжками позначається рискою. Наприклад, якщо ви бачите цифру 6/6 міл, це означатиме, що 6 міл є мінімальною шириною доріжки, а також мінімальною відстанню між доріжками. Тому всі відстані на відповідній платі повинні або відповідати, або перевищувати 6 міл. Для тих, хто не знайомий, одиниці міл використовуються для визначення відстаней на матеріалах друкованих плат. Ширина та відстань особливо важливі, коли йдеться про плати, призначені для роботи з великими струмами.

Коли друкована плата багатошарова, різні доріжки неможливо візуально перевірити на їх доступність. Тому проводиться тест, під час якого зонди розміщуються на кінцях доріжок, щоб перевірити доступність усіх сигналів. Тест проводиться шляхом подачі напруги з одного кінця. Якщо ці напруги виявляються з іншого боку, доріжки вважаються робочими. Хоча тест не завжди є обов'язковим на платах з одним або двома шарами, його все ж рекомендується проводити, якщо ви дійсно дбаєте про якість.

Перехідні отвори, що з'єднують внутрішній і зовнішній шари, відомі як сліпі перехідні отвори. Назва зумовлена ​​тим, що такі перехідні отвори можна помітити лише з одного боку. Перехідні отвори, що з'єднують два або більше внутрішніх шарів, відомі як приховані перехідні отвори, які неможливо помітити зовні з жодного боку. На платах, що містять сліпі та приховані перехідні отвори, часто використовується заповнення перехідних отворів. Це забезпечує більш надійний захист зовнішньої поверхні та допомагає зменшити ймовірність прослизання припою та проникнення його у внутрішні перехідні отвори.

Вибір матеріалів, що впливає на вартість

Друкована плата зазвичай коштує дорожче, якщо вона містить такі елементи, як золоті виступи, глухі або приховані перехідні отвори, або заповнення перехідних отворів. Аналогічно, друкована плата з відстанню між лініями та шириною менше 6 міл також, як правило, коштує дорожче. Причиною цих вищих цін є альтернативний процес, який використовується у виробництві незвичайних плат друкованих плат. Так само, деякі виробництва друкованих плат виявляються не такими прибутковими чи успішними, коли використовуються низькі міли або внутрішні перехідні отвори, а вища ціна встановлена ​​для покриття збитків. Існують виробники, які виробляють друковані плати з вимірами між лініями та шириною до 3 міл, але це зазвичай не рекомендується, якщо це не єдиний варіант для певного компонента.

Вплив потужності та тепла на вибір матеріалу друкованої плати

З усіх факторів, що впливають на друковані плати, два з них найбільш інтенсивні – це потужність та тепло. Тому вкрай важливо визначити порогові значення для кожного з них, що можна зробити, оцінивши теплопровідність друкованої плати. Це визначає, як потужність перетворюється на температуру по довжині матеріалу. Однак, встановлених загальногалузевих значень теплопровідності не існує.

Наприклад, Rogers Corp. пропонує матеріал для друкованої плати RT/duroid 5880, який часто застосовується в радіоелектронній зброї та зв'язку. Діелектрична проникність цього матеріалу низька, оскільки це композитний матеріал, що містить мікроволокнисті скляні елементи. Ці мікроволокна служать для підвищення міцності волокна в матеріалі.

Завдяки низькій діелектричній проникності, друкована плата ідеально підходить для застосувань, що використовують високі частоти. Однак через низьку теплопровідність матеріалу він може легко нагріватися, що може бути величезним недоліком у теплоємких застосуваннях.

Матеріали для друкованих плат та їх застосування в промисловості

Для застосування у військовій, аерокосмічній, автомобільній та медичній промисловості друковані плати виготовляються як в односторонніх, так і двосторонніх варіантах, деякі з яких мають мідне покриття, а інші — алюмінієве. У кожній з цих галузей промисловості матеріал використовується для максимальної продуктивності в певних сферах. Таким чином, матеріали для друкованих плат вибираються за їхню легкість у певних галузях або за їхню здатність витримувати високі навантаження в інших. Таким чином, враховуючи продуктивність, важливо визначити, які функції потрібно порівнювати між собою при виборі матеріалів для друкованих плат, оскільки рівні матеріалу співвідносяться з рівнями продуктивності.

Гнучкі та жорстко-гнучкі дошки

В останні роки гнучкі та жорстко-гнучкі плати набули популярності завдяки можливостям, які вони надають у різних сферах використання. По суті, їх можна згинати, складати і навіть обмотувати навколо предметів, тому їх можна використовувати для реалізації завдань, які ніколи не були б можливі з плоскими друкованими платами. Наприклад, гнучка плата може використовуватися для обладнання, яке потребує складання плати під кутом, але при цьому забезпечує проходження струму від одного кінця до іншого без необхідності з'єднувальних панелей.

Більшість гнучких плат на ринку виготовлені з каптону, поліімідної плівки, розробленої корпорацією DuPont. Плівка може похвалитися такими якостями, як термостійкість, розмірна стабільність та діелектрична проникність лише 3.6.

Kapton випускається у трьох версіях Pyralux:

• Вогнестійкий (FR)

• Невогнестійкий (NFR)

• Безклейовий / високопродуктивний (AP)

Вибір матеріалів для друкованих плат – якість понад усе

Коли справа доходить до вибору матеріалів для друкованих плат, якість має першорядне значення при виготовленні будь-якого типу плати, незалежно від того, чи призначена вона для побутової електроніки, чи для промислового обладнання. Компонент, що містить друковану плату, може бути великим чи малим, дешевим чи дорогим, але найважливіше те, щоб даний виріб забезпечував чудову продуктивність протягом усього очікуваного терміну служби.

Хоча існує кілька типів матеріалів для друкованих плат, з яких виготовляється та чи інша плата, надійність продукту – це зрештою те, чого споживачі та підприємства шукають у продуктах, що використовують друковані плати. Звичайно, також важливо, щоб матеріали друкованих плат були достатньо міцними, щоб триматися разом, навіть якщо компонент випадково впаде або вдариться вбік.

Наприклад, у комп’ютеризованому обладнанні довговічні друковані плати забезпечують можливість оновлення апаратного забезпечення без пошкодження матеріалів існуючих плат. Те саме стосується електронних пристроїв, мікрохвильових печей та інших побутових приладів, які залежать від технології друкованих плат для підтримки працездатності. Навіть в електронних громадських закладах, таких як банкомати, друковані плати повинні працювати безвідмовно, щоб кнопки працювали, а команди розумілися без затримки.

At Wonderful PCB, ми пропонуємо повний спектр послуг з постачання та складання друкованих плат. Завдяки нашому більш ніж 20-річному досвіду роботи та інноваційним технологіям, Wonderful PCB здатний обробляти різні ламінатні матеріали та матеріали підкладок, включаючи FR4, Rogers тощо, які є найпопулярнішими та широко застосовуваними. Нашими послугами користуються інженери з різних промислових секторів, які мають унікальні цілі щодо роботи та функціональності компонентів, що використовують друковані плати. Щоб дізнатися більше про наші послуги, відвідайте наші сторінки з оглядом складання та можливостями або зв'яжіться з нами для отримання миттєвої цінової пропозиції вже сьогодні.