Σε κάθε εργασία σχεδιασμού, θα συναντήσετε πολλούς κανόνες και επιλογές. Πρέπει να σκεφτείτε την τοποθέτηση εξαρτημάτων, την πρακτική δρομολόγησης, τη διαχείριση της στοίβαξης, την ακεραιότητα σήματος και ισχύος και πολλά άλλα. Μπορείτε να πείτε ότι χιλιάδες μηχανικοί εργάζονται για να κάνουν αυτές τις διαδικασίες ομαλές.
Ένα καλό σημείο εκκίνησης είναι ένας οδηγός επιλογής υλικών. Ένα τυπικό PCB έχει ένα ή περισσότερα στρώματα χαλκού. Αυτά τα στρώματα χαλκού είναι τοποθετημένα μεταξύ λεπτών, μη αγώγιμων στρωμάτων υποστρώματος. Το PCB είναι η φυσική βάση που συγκρατεί τα ηλεκτρικά εξαρτήματα, τα αγώγιμα ίχνη, τα μαξιλαράκια και άλλα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τα υλικά και τα σημεία σχεδιασμού για κάθε στρώμα PCB: μεταξοτυπία, soldermask, χαλκός και υπόστρωμα.
Επιλογή υλικού PCB
Ο χειρισμός υλικών PCB κάνει κάθε μηχανικό να σκέφτεται τα θερμικά, μηχανικά, ηλεκτρικά και χημικά χαρακτηριστικά της διαδικασίας.
Για τις θερμικές επιδόσεις, πρέπει να σκεφτείτε πόσο θερμά μπορούν να γίνουν τα εξαρτήματα και τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας στο σύνολο του σχεδιασμού. Τα μηχανικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν το περίβλημα και τον παράγοντα μορφής, καθώς και την πυκνότητα ή την ευελιξία, ειδικά για τις πλακέτες άκαμπτης κάμψης.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες σχετίζονται με διηλεκτρικές ανάγκες, όπως η σύνθετη αντίσταση, η ακεραιότητα σήματος και η αντίσταση. Ο μηχανικός σχεδιασμού πρέπει να τις εξισορροπήσει σε ολόκληρη την πλακέτα ή το σύστημα. Για τη διάρκεια ζωής του προϊόντος, οι χημικές ιδιότητες, όπως η απορρόφηση της υγρασίας, είναι απαραίτητες για υγρά περιβάλλοντα, για παράδειγμα αισθητήρες σε γεωργικό IoT. Η ευφλεκτότητα είναι επίσης σημαντική. Επιπλέον, τα περιβαλλοντικά όρια και τα όρια βιωσιμότητας θα επηρεάσουν την επιλογή του υλικού της πλακέτας σας.
Βασικά σημεία προς έλεγχο
- Θερμότητα: όρια θερμοκρασίας εξαρτημάτων και θερμά σημεία της πλακέτας.
- Μηχανικά: σχήμα, μέγεθος, πυκνότητα και ευελιξία.
- Ηλεκτρικά: διηλεκτρική σταθερά (Dk), εφαπτομένη απωλειών, έλεγχος σύνθετης αντίστασης και αντίσταση.
- Χημικά: απορρόφηση υγρασίας, περιεκτικότητα σε αλογόνα και ευφλεκτότητα.
- Περιβάλλον: RoHS και άλλοι κανόνες, δυνατότητα ανακύκλωσης.
Μεταξοτυπία
Η μεταξοτυπία είναι το στρώμα που εκτυπώνει λογότυπα, γράμματα, σύμβολα, αριθμούς και άλλες πληροφορίες στον πίνακα. Το όνομα προέρχεται από τη μέθοδο μεταξοτυπίας. Η κύρια εργασία της μεταξοτυπίας είναι να δίνει πληροφορίες για τη συναρμολόγηση και την αναγνώριση της πλακέτας. Η πολικότητα, η θέση του εξαρτήματος και άλλες λεπτομέρειες είναι ζωτικής σημασίας για τη σωστή συναρμολόγηση.
Οι δύο πιο συνηθισμένες τεχνικές εκτύπωσης με μεταξοτυπία είναι:
- Απεικόνιση υγρών φωτογραφιών (LPI): μια χρονοβόρα, υψηλής ανάλυσης εκτύπωση που χρησιμοποιεί μελάνι με δυνατότητα σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία.
- Άμεση εκτύπωση υπόμνημα (DLP): γρηγορότερη και απλούστερη εκτύπωση inkjet που χρησιμοποιεί ακρυλικό μελάνι.
Από τα σήματα αναφοράς έως την εφαρμογή ενός αριθμού πιστοποίησης UL, ένας κοινός κανόνας είναι η χρήση μελανιού που έρχεται σε αντίθεση με το χρώμα του υποστρώματος. Το λευκό είναι το πιο συνηθισμένο χρώμα, αλλά διατίθενται πολλά άλλα χρώματα. Είναι σπάνιο να χρησιμοποιούνται περισσότερα από ένα χρώματα μεταξοτυπίας στην ίδια πλακέτα.
Soldermask
Η μάσκα συγκόλλησης είναι το πολυμερές στρώμα πάνω από το φύλλο χαλκού που δίνει στην πλακέτα την εικονική πράσινη εμφάνιση, αν και άλλα χρώματα είναι δυνατά. Όπως λέει και το όνομά της, βοηθά στην αποτροπή της μετακίνησης του συγκολλητικού υλικού εκεί που δεν πρέπει να πάει. Η soldermask αναγκάζει τη συγκόλληση να προσγειωθεί εκεί που θέλουν οι κατασκευαστές, για παράδειγμα σε εκτεθειμένα χαρακτηριστικά όπως δακτυλιοειδείς δακτύλιοι και μαξιλαράκια SMD. Η soldermask απομονώνει επίσης τα αγώγιμα χάλκινα ίχνη, ώστε να μην αγγίζουν κόλληση, μέταλλο ή άλλα αγώγιμα μέρη, και βοηθά στην αποφυγή της οξείδωσης.
Τα υλικά soldermask επιλέγονται με βάση τον τρόπο εφαρμογής τους στο στρώμα χαλκού:
- Εποξειδικό υγρό: η φθηνότερη μάσκα συγκόλλησης. Πρόκειται για ένα θερμοσκληρυνόμενο εποξειδικό υλικό που εφαρμόζεται με μεταξοτυπία.
- Υγρή φωτοεικονική συγκολλητική μάσκα (LPSM): για πίνακες με ανομοιόμορφα σχήματα, χρησιμοποιεί μια φόρμουλα μελάνης που είναι σκληρή με υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία επικαλύπτεται και στη συνέχεια εκτίθεται και αναπτύσσεται. Το LPSM μπορεί να μην δίνει ένα τέλειο ομοιόμορφο στρώμα, αλλά καλύπτει καλύτερα τα πολύπλοκα χαρακτηριστικά της επιφάνειας και μπορεί να φτάσει σε στενούς χώρους κοντά σε ίχνη χαλκού.
- Φωτοεικονιζόμενη μάσκα συγκόλλησης ξηρού φιλμ (DPSM): για επίπεδους πίνακες με ομοιόμορφη τοπογραφία, το ξηρό φιλμ πλαστικοποιείται υπό κενό και στη συνέχεια εκτίθεται και αναπτύσσεται. Το ξηρό φιλμ δίνει ομοιόμορφο πάχος αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε επίπεδες πλάκες.
Επενδυμένο με χαλκό έλασμα (CCL)
Κάτω από τη μάσκα συγκόλλησης βρίσκεται το έλασμα με επένδυση χαλκού ή CCL. Το CCL αποτελείται από δύο μέρη:
- Φύλλο χαλκού: ένα λεπτό στρώμα αγώγιμου χαλκού. Οι συνήθεις τύποι κατασκευής περιλαμβάνουν STD (τύπος Ε, ηλεκτροαποθέσεις), ANN (τύπος Ε, ανόπτηση ηλεκτροαποθέσεων) και AR (τύπος W, έλαση).
- Υπόστρωμα: το μη αγώγιμο στρώμα που προσδίδει μηχανική αντοχή και στήριξη. Το υπόστρωμα κατασκευάζεται συνήθως από fr4, το οποίο είναι εποξειδικό έλασμα ενισχυμένο με ίνες γυαλιού, και ένα εποξειδικό συνδετικό υλικό επιβραδυντικό φλόγας. Το “fr” σημαίνει επιβραδυντής φλόγας και υπάρχουν πολλές ταξινομήσεις με βάση την απόδοση, την καυστότητα και τον τύπο της ενίσχυσης που χρησιμοποιείται.
Όταν οι άνθρωποι λένε πλακέτα δύο στρώσεων ή διπλής όψης, εννοούν μια πλακέτα CCL με φύλλο χαλκού στο πάνω και στο κάτω μέρος του υποστρώματος. Μια τυπική πολυστρωματική πλακέτα κατασκευάζεται συνήθως με τη στοίβαξη δύο ή περισσότερων πλακετών διπλής όψης με μονωτικά στρώματα μεταξύ τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι περισσότερες τυποποιημένες πολυστρωματικές πλακέτες διαθέτουν ζυγό αριθμό στρώσεων χαλκού. Οι περισσότερες στρώσεις σας δίνουν περισσότερες επιφάνειες γείωσης που βοηθούν στην κατανομή της ισχύος και στη μείωση του θορύβου. Το μόνο πραγματικό μειονέκτημα της προσθήκης στρωμάτων είναι το κόστος.
Γιατί έχει σημασία ο αριθμός των στρωμάτων
- Περισσότερα στρώματα = περισσότερη διανομή ισχύος και καλύτερος έλεγχος ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής.
- Περισσότερα στρώματα = υψηλότερο κόστος και πιο πολύπλοκη κατασκευή.
- Χρησιμοποιήστε περισσότερα στρώματα όταν χρειάζεστε ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση, περισσότερα επίπεδα γείωσης ή στενή δρομολόγηση.
Το μέλλον των υλικών PCB
Οι μικρές, ελαφριές πλακέτες για φορητές συσκευές ωθούν τη ζήτηση για μεγαλύτερη στοίβαξη στρωμάτων και πυκνότερα σχέδια. Οι περισσότερες καινοτομίες σήμερα αφορούν τη βελτίωση του CCL και όχι μικρές αλλαγές στη μεταξοτυπία ή τη μάσκα συγκόλλησης.
Τα βελτιωμένα εποξειδικά συστήματα όπως τα Getek, Megtron, 4000-13 και fr-408 έχουν καλύτερες επιδόσεις από το βασικό fr4 στη μείωση του Dk και της εφαπτομένης απωλειών. Υλικά υψηλής απόδοσης όπως το Asahi Glass A-PPE, το Nelco 600-21 Si και το Rogers 4350 παρουσιάζουν σαφή κέρδη σε χαμηλότερο Dk, καλύτερο έλεγχο της σύνθετης αντίστασης και μειωμένο jitter για σήματα υψηλής ταχύτητας.
Τα εύκαμπτα CCL από πολυϊμίδιο (PI) ή πολυεστέρα σας δίνουν πραγματικά εύκαμπτες πλακέτες. Αυτές είναι καλές όταν χρειάζεστε ένα εύκαμπτο κύκλωμα.
Οι αυστηροί κανόνες RoHS επιβάλλουν υψηλότερη αντοχή στη θερμότητα και αξιοπιστία. Το CCL χωρίς αλογόνα περιορίζει το χλώριο και το βρώμιο στα 900 ppm ή χαμηλότερα. Το CCL χωρίς μόλυβδο αντικαθιστά το σύστημα σκλήρυνσης DICY που χρησιμοποιείται στο πρότυπο fr4 με ένα σύστημα σκλήρυνσης PN που χρησιμοποιεί φαινολικούς παράγοντες σκλήρυνσης, ώστε η πλακέτα να λειτουργεί καλά με συναρμολόγηση χωρίς μόλυβδο.
Τελικές σημειώσεις
Η επιλογή υλικών PCB σημαίνει συμβιβασμούς. Πρέπει να προσαρμόσετε την επιλογή στη χρήση του προϊόντος, την ταχύτητα του σήματος, τη μέθοδο κατασκευής και τους περιβαλλοντικούς κανόνες. Χρησιμοποιήστε fr4 για πολλές κοινές πλακέτες, αλλά επιλέξτε ελάσματα υψηλής απόδοσης όταν χρειάζεστε καλύτερο έλεγχο της σύνθετης αντίστασης ή χαμηλότερες απώλειες. Για ευέλικτα σχέδια, επιλέξτε εύκαμπτο CCL με βάση το PI ή με βάση τον πολυεστέρα. Για τη συναρμολόγηση, επιλέξτε τη σωστή μέθοδο μεταξοτυπίας και συγκολλητικής μάσκας για να ταιριάζει με το σχήμα της πλακέτας και τη διάταξη των pad.
Αν χρειάζεστε, μπορώ να σας βοηθήσω να το μετατρέψετε σε τμήμα ιστοσελίδας με επικεφαλίδες, σύντομες παραγράφους και απλές κουκκίδες για τον ιστότοπό σας στο εξωτερικό.
