Kaikessa suunnittelutyössä kohtaat monia sääntöjä ja valintoja. Sinun on pohdittava komponenttien sijoittelua, reitityskäytäntöjä, pinoamisen hallintaa, signaalin ja virran eheyttä ja paljon muuta. Voi sanoa, että tuhannet insinöörit työskentelevät, jotta nämä prosessit sujuisivat ongelmitta.
Hyvä paikka aloittaa on materiaalien valintaopas. Tyypillisessä piirilevyssä on yksi tai useampi kuparikerros. Nämä kuparikerrokset on laminoitu ohuiden, ei-johtavien substraattikerrosten väliin. Piirilevy on fyysinen pohja, johon mahtuu sähköosia, sähköä johtavia johtimia, padeja ja muita toiminnallisia ominaisuuksia. Tässä artikkelissa tarkastelemme kunkin piirilevykerroksen materiaaleja ja suunnittelukohtia: silkkipaino, juotosmaski, kupari ja substraatti.
PCB-materiaalin valinta
Piirilevymateriaalien käsittely saa kaikki insinöörit miettimään prosessin lämpöä, mekaanisia, sähköisiä ja kemiallisia ominaisuuksia.
Lämpötehokkuuden osalta on mietittävä, kuinka kuumiksi osat voivat kuumentua ja mikä on koko rakenteen huipputoimintalämpötila. Mekaanisiin ominaisuuksiin kuuluvat kotelo ja muotokerroin sekä tiheys tai joustavuus, erityisesti jäykkien ja joustavien piirilevyjen osalta.
Sähköiset ominaisuudet liittyvät dielektrisiin tarpeisiin, kuten impedanssiin, signaalin eheyteen ja resistanssiin. Suunnittelijan on tasapainotettava nämä koko levyn tai järjestelmän osalta. Tuotteen käyttöiän kannalta kemiallisia ominaisuuksia, kuten kosteuden imeytymistä, tarvitaan kosteissa ympäristöissä, esimerkiksi maatalouden esineiden internetissä käytettävien antureiden osalta. Myös syttyvyys on tärkeää. Lisäksi ympäristö- ja kestävyysrajoitukset vaikuttavat piirilevymateriaalin valintaan.
Tärkeimmät tarkistettavat seikat
- Lämpö: osan lämpötilarajat ja levyn kuumat kohdat.
- Mekaaninen: muoto, koko, tiheys ja joustavuus.
- Sähkö: dielektrisyysvakio (Dk), häviötangentti, impedanssin säätö ja resistanssi.
- Kemialliset: kosteuden imeytyminen, halogeenipitoisuus ja syttyvyys.
- Ympäristö: RoHS ja muut säännöt, kierrätettävyys.
Silkkipaino
Silkkipaino on kerros, joka painaa logot, kirjaimet, symbolit, numerot ja muut tiedot levylle. Nimi tulee silkkipainomenetelmästä. Silkkipainatuksen päätehtävä on antaa tietoa piirilevyn kokoonpanoa ja tunnistusta varten. Napaisuus, osan sijainti ja muut tiedot ovat tärkeitä oikean kokoonpanon kannalta.
Kaksi yleisintä silkkipainotekniikkaa ovat:
- Nestemäinen valokuvantaminen (LPI): aikaa vievä, korkearesoluutioinen tulostus, jossa käytetään UV-kovetteista mustetta.
- Suora selostetulostus (DLP): nopeampi ja yksinkertaisempi mustesuihkutulostus, jossa käytetään akryylimustetta.
Yleinen sääntö on käyttää musteessa, joka erottuu alustan väristä, niin viitemerkinnöissä kuin UL-sertifiointinumeron kiinnittämisessä. Valkoinen on yleisin väri, mutta monia muitakin värejä on saatavilla. On harvinaista käyttää useampaa kuin yhtä silkkipainoväriä samassa levyssä.
Soldermask
Juotosmaski on kuparifolion päällä oleva polymeerikerros, joka antaa piirilevylle sen ikonisen vihreän ulkonäön, vaikka muut värit ovat mahdollisia. Kuten nimikin kertoo, se auttaa estämään juotteen liikkumisen sinne, minne sen ei pitäisi mennä. Juotosmaski pakottaa juotteen laskeutumaan sinne, minne valmistajat haluavat sen laskeutuvan, esimerkiksi näkyviin ominaisuuksiin, kuten rengasmaisiin renkaisiin ja SMD-tyynyihin. Juotosmaski eristää myös johtavat kuparijäljet, jotta ne eivät kosketa juotetta, metallia tai muita johtavia osia, ja se auttaa estämään hapettumista.
Juotosmaskin materiaalit valitaan sen mukaan, miten ne levitetään kuparikerrokseen:
- Epoksineste: halvin juotosmaski. Se on lämpökovettunut epoksi, joka levitetään silkkipainamalla.
- Nestemäinen valokuvauskelpoinen juotosmaski (LPSM): Epätasaisen muotoisille levyille käytetään UV-kovetteista mustekaavaa, joka päällystetään ja sitten valotetaan ja kehitetään. LPSM ei ehkä anna täydellistä tasaista kerrosta, mutta se peittää paremmin monimutkaiset pinnanmuodot ja pääsee ahtaisiin paikkoihin kuparijälkien läheisyyteen.
- Kuivakalvoinen valokuvauskelpoinen juotosmaski (DPSM): tasakuvioisten levyjen osalta kuiva kalvo tyhjiölaminoidaan, valotetaan ja kehitetään. Kuivakalvo antaa tasaisen paksuuden, mutta sitä voidaan käyttää vain tasaisille levyille.
Kuparipäällysteinen laminaatti (CCL)
Juotosmaskin alla on kuparipinnoitettu laminaatti eli CCL. CCL:ssä on kaksi osaa:
- Kuparifolio: ohut kerros johtavaa kuparia. Yleisiä valmistustyyppejä ovat STD (E-tyyppi, sähkösuodatettu), ANN (E-tyyppi, hehkutettu sähkösuodatus) ja AR (W-tyyppi, valssattu).
- Substraatti: ei-johtava kerros, joka antaa mekaanisen lujuuden ja tuen. Alusta on yleensä valmistettu fr4:stä, joka on lasikuituvahvisteinen epoksilaminaatti, ja palonestoepoksisideaineesta. “fr” tarkoittaa palonestoainetta, ja on olemassa monia luokituksia, jotka perustuvat suorituskykyyn, palavuuteen ja käytetyn lujitteen tyyppiin.
Kun puhutaan kaksikerroksisesta tai kaksipuolisesta levystä, tarkoitetaan CCL-levyä, jossa on kuparifolio substraatin ylä- ja alapuolella. Tavallinen monikerroksinen levy valmistetaan yleensä pinoamalla kaksi tai useampia kaksipuolisia levyjä, joiden välissä on eristekerroksia. Siksi useimmissa tavallisissa monikerroslevyissä on parillinen määrä kuparikerroksia. Enemmän kerroksia antaa enemmän maatasoja, jotka auttavat levittämään tehoa ja vähentämään kohinaa. Ainoa todellinen haittapuoli kerrosten lisäämisessä ovat kustannukset.
Miksi kerrosten määrällä on merkitystä
- Enemmän kerroksia = enemmän tehonjakoa ja parempi EMI:n hallinta.
- Enemmän kerroksia = korkeammat kustannukset ja monimutkaisempi valmistus.
- Käytä useampia kerroksia, kun tarvitset hallittua impedanssia, enemmän maatasoja tai tiukkaa reititystä.
PCB-materiaalien tulevaisuus
Mobiililaitteiden pienet ja kevyet piirilevyt lisäävät kerrospinoamisen ja tiheämpien mallien kysyntää. Useimmat innovaatiot koskevat nykyään CCL:n parantamista, eivät pieniä muutoksia silkkipainoon tai juotosmaskiin.
Tehostetut epoksijärjestelmät, kuten Getek, Megtron, 4000-13 ja fr-408, alentavat Dk:ta ja häviötangenttia paremmin kuin perusfr4. Korkean suorituskyvyn materiaalit, kuten Asahi Glass A-PPE, Nelco 600-21 Si ja Rogers 4350, parantavat selvästi Dk:n alenemista, parempaa impedanssin hallintaa ja pienempää jitteriä nopeissa signaaleissa.
Polyimidistä (PI) tai polyesteristä valmistetut joustavat CCL-levyt antavat sinulle todellisia joustolevyjä. Nämä ovat hyviä, kun tarvitset taivutettavan piirin.
Tiukat RoHS-säännöt edellyttävät korkeampaa lämmönkestävyyttä ja luotettavuutta. Halogeenivapaa CCL rajoittaa kloorin ja bromin pitoisuudet 900 ppm:ään tai alle. Lyijytön CCL korvaa standardissa fr4:ssä käytetyn DICY-kovetusjärjestelmän PN-kovetusjärjestelmällä, jossa käytetään fenolikovetteja, joten levy toimii hyvin lyijyttömän kokoonpanon kanssa.
Lopulliset muistiinpanot
PCB-materiaalien valinta merkitsee kompromisseja. Valinta on sovitettava tuotteen käyttötarkoitukseen, signaalinopeuteen, valmistusmenetelmään ja ympäristösääntöihin. Käytä fr4:ää moniin tavallisiin levyihin, mutta valitse korkean suorituskyvyn laminaatit, kun tarvitset parempaa impedanssin hallintaa tai pienempää häviötä. Valitse joustaviin malleihin PI- tai polyesteripohjainen joustava CCL. Valitse kokoonpanoa varten oikea silkkipaino- ja juotosmaskamenetelmä, joka sopii levyn muotoon ja tyynyjen asetteluun.
Tarvittaessa voin auttaa muuttamaan tämän verkkosivun osioksi, jossa on otsikoita, lyhyitä kappaleita ja yksinkertaisia luetelmakohtia ulkomaista sivustoasi varten.
