Při jakékoli návrhářské práci se setkáte s mnoha pravidly a možnostmi. Musíte myslet na umístění komponent, postupy směrování, správu stohů, integritu signálu a napájení a další. Dá se říci, že na hladkém průběhu těchto procesů pracují tisíce inženýrů.
Dobrým začátkem je průvodce výběrem materiálů. Typická deska plošných spojů má jednu nebo více měděných vrstev. Tyto měděné vrstvy jsou laminovány mezi tenkými nevodivými vrstvami substrátu. DPS je fyzická základna, na které jsou umístěny elektrické součástky, vodivé stopy, podložky a další funkční prvky. V tomto článku se budeme zabývat materiály a konstrukčními body pro jednotlivé vrstvy DPS: sítotisk, pájecí maska, měď a substrát.
Výběr materiálu PCB
Manipulace s materiály PCB nutí každého inženýra přemýšlet o tepelných, mechanických, elektrických a chemických vlastnostech procesu.
Pokud jde o tepelný výkon, je třeba myslet na to, jak horké mohou být součásti a jaká je maximální pracovní teplota celé konstrukce. Mezi mechanické vlastnosti patří kryt a tvarový faktor a také hustota nebo flexibilita, zejména u desek s pevnou flexí.
Elektrické vlastnosti se týkají dielektrických potřeb, jako je impedance, integrita signálu a odpor. Konstruktér je musí vyvážit v rámci celé desky nebo systému. Pro životnost výrobku jsou potřebné chemické vlastnosti, jako je absorpce vlhkosti ve vlhkém prostředí, například u senzorů v zemědělském IoT. Důležitá je také hořlavost. Kromě toho ovlivní volbu materiálu pro desky plošných spojů ekologické limity a limity udržitelnosti.
Klíčové body ke kontrole
- Teplo: teplotní limity dílů a horká místa na desce.
- Mechanické: tvar, velikost, hustota a pružnost.
- Elektrické: dielektrická konstanta (Dk), ztrátový tangens, kontrola impedance a odpor.
- Chemické vlastnosti: absorpce vlhkosti, obsah halogenů a hořlavost.
- Životní prostředí: RoHS a další předpisy, recyklovatelnost.
Sítotisk
Sítotisk je vrstva, která na desku tiskne loga, písmena, symboly, čísla a další informace. Název je odvozen od metody sítotisku. Hlavním úkolem sítotisku je poskytovat informace pro osazování a identifikaci desek plošných spojů. Polarita, poloha součástek a další údaje jsou důležité pro správnou montáž.
Dvě nejběžnější techniky sítotisku jsou:
- Liquid Photo Imaging (LPI): časově náročný tisk ve vysokém rozlišení, který využívá inkoust vytvrzovaný UV zářením.
- Přímý tisk legendy (DLP): rychlejší a jednodušší inkoustový tisk, který používá akrylový inkoust.
Od referenčních značek až po použití certifikačního čísla UL je běžným pravidlem použití inkoustu, který kontrastuje s barvou podkladu. Nejběžnější barvou je bílá, ale k dispozici je mnoho dalších barev. Zřídkakdy se používá více než jedna barva sítotisku na stejné desce.
Soldermask
Pájecí maska je polymerová vrstva na měděné fólii, která dává desce plošných spojů její ikonický zelený vzhled, i když jsou možné i jiné barvy. Jak název napovídá, pomáhá zabránit pohybu pájky tam, kam nemá. Pájecí maska nutí pájku dopadat tam, kde ji výrobci chtějí mít, například na exponované prvky, jako jsou prstence a SMD plošky. Pájecí maska také izoluje vodivé měděné stopy, aby se nedotýkaly pájky, kovu nebo jiných vodivých částí, a pomáhá zabránit oxidaci.
Materiály pájecí masky se vybírají podle způsobu nanášení na měděnou vrstvu:
- Epoxidová kapalina: nejlevnější pájecí maska. Jedná se o termosetový epoxid nanášený sítotiskem.
- Tekutá pájecí maska s fotodiodou (LPSM): pro desky s nerovnými tvary se používá složení inkoustu vytvrzovaného UV zářením, který se natře a následně exponuje a vyvolá. LPSM sice neposkytuje dokonale rovnoměrnou vrstvu, ale lépe pokrývá složité povrchové prvky a může se dostat do úzkých prostor v blízkosti měděných stop.
- Suchá filmová pájecí maska (DPSM): u plochých desek s rovnoměrnou topografií se suchý film vakuově laminuje a poté exponuje a vyvolává. Suchý film poskytuje rovnoměrnou tloušťku, ale lze jej použít pouze na ploché desky.
Mědí plátovaný laminát (CCL)
Pod pájecí maskou je měděný plátovaný laminát (CCL). CCL se skládá ze dvou částí:
- Měděná fólie: tenká vrstva vodivé mědi. Mezi běžné výrobní typy patří STD (typ E, elektrolyticky nanášený), ANN (typ E, elektrolyticky žíhaný) a AR (typ W, válcovaný).
- Substrát: nevodivá vrstva, která poskytuje mechanickou pevnost a oporu. Podklad je obvykle vyroben z fr4, což je epoxidový laminát vyztužený skleněnými vlákny, a nehořlavého epoxidového pojiva. Zkratka “fr” znamená zpomalovač hoření a existuje mnoho klasifikací podle výkonu, hořlavosti a typu použité výztuže.
Když se řekne dvouvrstvá nebo oboustranná deska, myslí se tím deska CCL s měděnou fólií na horní a spodní straně substrátu. Standardní vícevrstvá deska se obvykle vyrábí poskládáním dvou nebo více oboustranných desek s izolačními vrstvami mezi nimi. Proto se většina standardních vícevrstvých desek dodává se sudým počtem měděných vrstev. Více vrstev poskytuje více zemních rovin, které pomáhají rozložit výkon a snižují šum. Jedinou skutečnou nevýhodou přidávání vrstev je cena.
Proč záleží na počtu vrstev
- Více vrstev = lepší rozložení výkonu a lepší kontrola EMI.
- Více vrstev = vyšší náklady a složitější výroba.
- Pokud potřebujete řízenou impedanci, více zemních rovin nebo těsné směrování, použijte více vrstev.
Budoucnost materiálů PCB
Malé a lehké desky pro mobilní zařízení vyžadují více vrstev a hustší konstrukce. Většina inovací se dnes zaměřuje na zlepšení CCL, nikoli na drobné změny v silkscreenu nebo pájecí masce.
Vylepšené epoxidové systémy, jako jsou Getek, Megtron, 4000-13 a fr-408, mají lepší vlastnosti než základní fr4 při snižování Dk a tangensu ztrát. Vysoce výkonné materiály, jako jsou Asahi Glass A-PPE, Nelco 600-21 Si a Rogers 4350, vykazují zřetelný přínos v podobě nižší Dk, lepšího řízení impedance a snížení jitteru u vysokorychlostních signálů.
Flexibilní desky CCL z polyimidu (PI) nebo polyesteru poskytují skutečnou flexibilitu. Ty jsou vhodné, když potřebujete ohýbatelný obvod.
Přísná pravidla RoHS vyžadují vyšší tepelnou odolnost a spolehlivost. Bezhalogenová norma CCL omezuje obsah chloru a bromu na 900 ppm nebo méně. Bezolovnatý CCL nahrazuje vytvrzovací systém DICY používaný ve standardním fr4 vytvrzovacím systémem PN, který používá fenolová vytvrzovací činidla, takže deska dobře funguje s bezolovnatou montáží.
Závěrečné poznámky
Výběr materiálů pro desky plošných spojů znamená kompromisy. Výběr musíte přizpůsobit použití výrobku, rychlosti signálu, způsobu výroby a pravidlům ochrany životního prostředí. Pro mnoho běžných desek použijte fr4, ale pokud potřebujete lepší řízení impedance nebo nižší ztráty, zvolte vysoce výkonné lamináty. Pro flexibilní konstrukce zvolte flexibilní CCL na bázi PI nebo polyesteru. Pro montáž zvolte správnou metodu sítotisku a pájecí masky, aby odpovídala tvaru desky a rozložení plošek.
Pokud budete potřebovat, mohu vám pomoci vytvořit z tohoto textu sekci webové stránky s nadpisy, krátkými odstavci a jednoduchými odrážkami pro váš zahraniční web.
