Vil du bygge dit eget printkort?

I ethvert designarbejde vil du møde mange regler og valg. Du skal tænke på komponentplacering, routing-praksis, stackup-styring, signal- og effektintegritet og meget mere. Man kan sige, at tusindvis af ingeniører arbejder på at gøre disse processer gnidningsløse.

Et godt sted at starte er en guide til materialevalg. Et typisk printkort har et eller flere kobberlag. Disse kobberlag er lamineret mellem tynde, ikke-ledende substratlag. Printkortet er den fysiske base, der rummer elektriske dele, ledende spor, puder og andre funktionelle egenskaber. I denne artikel ser vi på materialer og designpunkter for hvert PCB-lag: silketryk, loddemaske, kobber og substrat.

Valg af PCB-materiale

Håndtering af PCB-materialer får enhver ingeniør til at tænke på varme, mekaniske, elektriske og kemiske egenskaber i processen.

Når det gælder varmeydelse, skal du tænke på, hvor varme dele kan blive, og hvor høj arbejdstemperaturen må være i hele designet. Mekaniske egenskaber omfatter kabinet og formfaktor, og også tæthed eller fleksibilitet, især for rigid-flex-kort.

Elektriske egenskaber relaterer til dielektriske behov, såsom impedans, signalintegritet og modstand. Designingeniøren skal afbalancere disse på tværs af hele kortet eller systemet. For produktets levetid er der brug for kemiske egenskaber som fugtabsorption i fugtige miljøer, f.eks. sensorer i IoT i landbruget. Antændelighed er også vigtig. Desuden vil miljø- og bæredygtighedsgrænser påvirke dit valg af PCB-materiale.

Vigtige punkter at tjekke

• Varme: temperaturgrænser for dele og hot spots på tavlen.
• Mekanisk: form, størrelse, tæthed og fleksibilitet.
• Elektrisk: dielektrisk konstant (Dk), tabstangent, impedansstyring og modstand.
• Kemisk: Fugtoptagelse, halogenindhold og brændbarhed.
• Miljø: RoHS og andre regler, genanvendelighed.

Silketryk

Silketryk er det lag, der trykker logoer, bogstaver, symboler, tal og anden information på tavlen. Navnet kommer fra silketrykmetoden. Silketrykkets vigtigste opgave er at give information til PCB-samling og ID. Polaritet, delposition og andre detaljer er afgørende for korrekt montering.

De to mest almindelige silketrykteknikker er:

• Liquid Photo Imaging (LPI): et tidskrævende print i høj opløsning, der bruger UV-hærdende blæk.
• Direkte udskrivning af tegn (DLP): hurtigere og enklere inkjetprint, der bruger akrylblæk.

Fra referencemærker til påføring af et UL-certificeringsnummer er det en almindelig regel at bruge blæk, der står i kontrast til underlagets farve. Hvid er den mest almindelige farve, men der findes mange andre farver. Det er sjældent, at man bruger mere end én silketrykfarve på den samme plade.

Loddemaske

Loddemasken er det polymerlag over kobberfolien, der giver printkortet dets ikoniske grønne udseende, selv om andre farver er mulige. Som navnet siger, hjælper det med at forhindre loddetinnet i at bevæge sig derhen, hvor det ikke skal. Loddemasken tvinger loddetinnet til at lande, hvor producenterne ønsker det, f.eks. på udsatte steder som ringformede ringe og SMD-puder. Loddemasken isolerer også ledende kobberbaner, så de ikke rører ved loddetin, metal eller andre ledende dele, og den hjælper med at forhindre oxidering.

Loddemaskematerialer vælges ud fra, hvordan de påføres kobberlaget:

• Epoxy-væske: den billigste loddemaske. Det er en termohærdende epoxy, der påføres ved serigrafi.
• Flydende fotobilledbar loddemaske (LPSM): til printplader med ujævne former, hvor der anvendes en UV-hærdende blækformel, som påføres og derefter eksponeres og fremkaldes. LPSM giver måske ikke et perfekt ensartet lag, men det dækker komplekse overfladeegenskaber bedre og kan nå ind i snævre rum nær kobberspor.
• Fotobilledbar loddemaske med tør film (DPSM): Til flade tavler med ensartet topografi vakuumlamineres tørfilm, hvorefter den eksponeres og fremkaldes. Tørfilm giver ensartet tykkelse, men kan kun bruges på flade tavler.

Kobberbeklædt laminat (CCL)

Under loddemasken ligger det kobberbeklædte laminat, CCL. CCL består af to dele:

• Kobberfolie: et tyndt lag ledende kobber. Almindelige fremstillingstyper omfatter STD (E-type, elektrodeponeret), ANN (E-type, udglødet elektrodeponeret) og AR (W-type, valset).
• Underlag: det ikke-ledende lag, der giver mekanisk styrke og støtte. Underlaget er normalt lavet af fr4, som er glasfiberforstærket epoxylaminat, og et flammehæmmende epoxybindemiddel. “fr” står for flammehæmmende, og der er mange klassifikationer baseret på ydeevne, brændbarhed og den anvendte type armering.

Når folk siger en to-lags eller dobbeltsidet plade, mener de en CCL med kobberfolie på toppen og bunden af substratet. En standard flerlagsplade fremstilles normalt ved at stable to eller flere dobbeltsidede paneler med isolerende lag imellem. Det er derfor, de fleste standard flerlagskort har et lige antal kobberlag. Flere lag giver dig flere jordplaner, der hjælper med at sprede strømmen og sænke støjen. Den eneste reelle ulempe ved at tilføje lag er prisen.

Hvorfor antallet af lag er vigtigt

• Flere lag = mere strømfordeling og bedre EMI-kontrol.
• Flere lag = højere omkostninger og mere kompleks fremstilling.
• Brug flere lag, når du har brug for kontrolleret impedans, flere jordplaner eller stram routing.

Fremtiden for PCB-materialer

Små, lette kort til mobile enheder øger efterspørgslen efter flere lag og tættere design. De fleste innovationer i dag handler om at forbedre CCL'en, ikke om små ændringer i silketryk eller loddemaske.

Forbedrede epoxysystemer som Getek, Megtron, 4000-13 og fr-408 klarer sig bedre end grundlæggende fr4 ved at sænke Dk og tabstangen. Højtydende materialer som Asahi Glass A-PPE, Nelco 600-21 Si og Rogers 4350 viser klare gevinster i form af lavere Dk, bedre impedansstyring og reduceret jitter for højhastighedssignaler.

Fleksible CCL lavet af polyimid (PI) eller polyester giver dig ægte flexboards. De er gode, når du har brug for et bøjeligt kredsløb.

Strenge RoHS-regler presser på for højere varmebestandighed og pålidelighed. Halogenfri CCL begrænser klor og brom til 900 ppm eller lavere. Blyfri CCL erstatter DICY-hærdningssystemet, der bruges i standard fr4, med et PN-hærdningssystem, der bruger fenoliske hærdningsmidler, så kortet fungerer godt sammen med blyfri montering.

Afsluttende noter

At vælge PCB-materialer betyder kompromiser. Du skal tilpasse valget til produktets anvendelse, signalhastigheden, fremstillingsmetoden og miljøreglerne. Brug fr4 til mange almindelige print, men vælg højtydende laminater, når du har brug for bedre impedanskontrol eller lavere tab. Til fleksible designs skal du vælge PI eller polyesterbaseret fleksibel CCL. Ved montering skal du vælge den rigtige silketryk- og loddemaskemetode, der passer til kortets form og pad-layout.

Hvis du har brug for det, kan jeg hjælpe dig med at omdanne det til en webside med overskrifter, korte afsnit og enkle punkter til dit udenlandske website.