Tóm tắt
Bài viết này giải thích về phân loại, lựa chọn vật liệu, xu hướng công nghệ, quy tắc thiết kế và tiêu chuẩn gia công cho bảng mạch in (PCB) được sử dụng trong các sản phẩm truyền thông. Tài liệu này dành cho các nhà thiết kế PCB và kỹ sư quy trình sử dụng.
Mục đích và chức năng của bảng mạch in
Hệ thống truyền thông điện tử sử dụng nhiều bảng mạch in. Những bảng mạch này là các bộ phận chức năng của phần cứng. Chúng giống như các cơ quan trong cơ thể. Các bảng mạch trên hệ thống hoặc thiết bị đầu cuối chứa các mạch điện. Chúng tạo thành khung xương, hệ thống dây dẫn và các đường dẫn cho nguồn điện và tín hiệu.
Các loại bảng mạch in
Phân loại PCB theo mục đích sử dụng và công nghệ. Theo cấu trúc và chức năng, có các loại bảng mạch đơn mặt, bảng mạch đôi mặt và Bo mạch đa lớp.
Các loại vật liệu và tính chất của tấm nền PCB
Vật liệu nền được chia thành hai loại: vật liệu nền cứng và vật liệu nền mềm. Vật liệu nền cứng bao gồm các loại laminate giấy phủ đồng, laminate giấy epoxy phủ đồng và laminate sợi thủy tinh epoxy phủ đồng. Các loại này sử dụng nhựa phenolic hoặc nhựa epoxy làm chất kết dính. Chúng sử dụng giấy hoặc vải thủy tinh không chứa kiềm làm vật liệu gia cố. Sau khi một hoặc hai mặt được phủ bằng lá đồng, chúng trở thành các laminate cách điện.
Các tính chất của các vật liệu nền này phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế được công nhận rộng rãi như IPC-4101 (Thông số kỹ thuật cho vật liệu nền của bảng mạch in cứng và nhiều lớp) và các tài liệu liên quan. IEC các ấn phẩm; khả năng chống cháy thường được kiểm tra bằng cách UL 94 Đánh giá mức độ cháy theo chiều dọc, và NEMA LI-1 / FR-4 Thuật ngữ này được sử dụng quốc tế để xác định các tấm composite sợi thủy tinh-epoxy. Khi chỉ định vật liệu cho sản xuất toàn cầu, hãy tham khảo các bảng thông số kỹ thuật IPC (kết hợp chính xác giữa nhựa, vải và đồng) hoặc các mã định danh IEC để các nhà cung cấp và nhà sản xuất trên toàn thế giới có thể tìm kiếm các sản phẩm tương đương có sẵn trong kho và đảm bảo hiệu suất nhất quán.
3.1 Tấm composite sợi thủy tinh phủ epoxy mạ đồng
Lớp laminate này sử dụng nhựa epoxy làm chất kết dính và vải sợi thủy tinh làm vật liệu gia cường. Nó có độ bền cơ học, độ ổn định kích thước và khả năng chống va đập tốt hơn so với các lớp laminate giấy. Hằng số điện môi ε cho FR4 Và FR5 có giá trị nằm trong khoảng từ 4,3 đến 4,9. Các tính chất điện của chúng rất tốt. Chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. FR4 có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 130℃, còn FR5 lên đến 170℃. Chúng ít bị ảnh hưởng bởi độ ẩm. Đó là lý do tại sao chúng được sử dụng rộng rãi trong thiết bị truyền thông.
3.2 Tấm liên kết sợi thủy tinh epoxy cho bảng mạch nhiều lớp (Prepreg)
Đây là các vật liệu vải thủy tinh đã được tẩm sẵn nhựa epoxy ở giai đoạn B. Sử dụng chúng để sản xuất các bảng mạch đa lớp. Chúng kết dính các lớp riêng biệt. một lớp Hoặc ghép các bảng mạch có mẫu dẫn điện hai lớp lại với nhau. Sau khi ép laminate, chúng hoạt động như các lớp cách điện. Chúng được sản xuất bằng cách ngâm tẩm trước vải thủy tinh không chứa kiềm với epoxy. Nhựa epoxy được đông cứng đến giai đoạn B. Sau khi ép và định hình cuối cùng, epoxy đông cứng hoàn toàn. Kết quả là một bảng mạch in đa lớp cứng.
3.3 Vật liệu composite phủ đồng tự dập tắt (chống cháy)
Các vật liệu này có các tính chất cơ bản tương tự như các loại tấm laminate phủ đồng khác. Chúng cũng có khả năng chống cháy. Chúng giảm thiểu nguy cơ cháy nổ do các bộ phận quá nhiệt. Chúng cũng hạn chế sự lan rộng của đám cháy nhỏ. Sử dụng chúng ở những nơi cần đảm bảo an toàn cháy nổ.
3.4 Bảng sợi thủy tinh phủ đồng PTFE (Teflon)
Bảng mạch PTFE phủ đồng sử dụng PTFE (Teflon) làm chất kết dính và sợi thủy tinh làm vật liệu gia cường. Chúng có tính chất điện môi xuất sắc. Độ tổn hao điện môi thấp và hệ số tổn hao (tgδ) ở mức 10⁻³. Phạm vi hằng số điện môi của chúng rất rộng. Bạn có thể lựa chọn nhiều loại vật liệu nền để đáp ứng nhu cầu. Chúng chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm. Chúng có độ ổn định hóa học tốt. Chúng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng. Những đặc tính này khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các bảng mạch in (PCB) dùng trong truyền thông tần số cao và vi sóng.
Nhưng bảng mạch PTFE có giá cao hơn. Chúng ít cứng cáp hơn. Độ bám dính của lá đồng thấp hơn. Điều này khiến việc sản xuất các bảng mạch đa lớp có số lượng lớp cao trở nên khó khăn. Các vật liệu nền PCB PTFE thông dụng được cung cấp bởi các nhà sản xuất như Rogers, Taconic, Arlon, Metclad và GIL.
3.5 Mạch in có lõi kim loại bọc đồng
Còn được gọi là PCB lõi kim loại, các loại PCB này sử dụng các tấm kim loại có độ dày khác nhau, thường là nhôm, thay vì vật liệu gia cố sợi thủy tinh. Sau khi được xử lý đặc biệt, bề mặt kim loại được phủ một lớp cách điện. Lớp cách điện này có điện trở nhiệt thấp, khả năng cách điện cao và độ bám dính mạnh. Sau đó, lớp đồng mỏng có độ dày yêu cầu được gắn vào bề mặt cách điện.
Bo mạch in (PCB) lõi kim loại được sử dụng cho lắp ráp mật độ cao và mật độ công suất cao. Sử dụng chúng cho các mạch nguồn có công suất tiêu tán cao. Ưu điểm của chúng là khả năng tản nhiệt tốt và độ ổn định kích thước cao. Lớp nền kim loại cũng cung cấp khả năng chắn nhiễu. Các sản phẩm hiện tại sử dụng vật liệu từ các nhà cung cấp như Bergquist và các viện nghiên cứu như Viện 51 của Bộ Công nghiệp Thông tin.
3.6 Vật liệu nền mạch in linh hoạt (Flexible PCB)
Bo mạch in linh hoạt Các chất nền được sản xuất bằng cách dán lá đồng lên màng nhựa mỏng. Các vật liệu nền màng nhựa thông dụng bao gồm:
(1) Màng polyester. Nhiệt độ làm việc từ 80℃ đến 130℃. Nó có điểm nóng chảy thấp. Nó mềm và biến dạng ở nhiệt độ hàn.
(2) Màng polyimide. Nó có độ linh hoạt tốt. Loại bỏ độ ẩm hấp thụ bằng cách xử lý nhiệt trước khi hàn. Sau khi sấy khô, nó có thể được hàn an toàn. Màng polyimide loại keo thông thường có thể hoạt động liên tục ở 150℃. Vật liệu polyimide sử dụng FEP làm màng trung gian và keo dán đặc biệt có thể hoạt động ở 250℃.
(3) Màng ethylene propylene fluorinated (FEP). Thường được sử dụng kết hợp với polyimide và vải thủy tinh. Nó có độ linh hoạt tốt. Nó có khả năng chống ẩm, axit và dung môi cao hơn.
Các xu hướng chính trong sự phát triển công nghệ PCB
Xu hướng chính trong phát triển PCB là tăng mật độ. Các phương pháp để đạt được mật độ cao bao gồm đường mạch mảnh, lỗ via nhỏ, nhiều lớp, lỗ via ẩn và lỗ via chôn. Quy trình phổ biến cho PCB mật độ cao (HDI) là công nghệ xây dựng nhiều lớp (BUM).
Các chỉ số hiệu suất chính và lựa chọn độ dày lá đồng cho vật liệu composite sợi thủy tinh epoxy phủ đồng
Ngoài độ dày và độ dày của lớp đồng, vật liệu composite còn có các tính chất khác. Các tính chất này bao gồm độ bền bóc tách, độ cong vênh, độ bền điện môi, điện trở cách điện, hằng số điện môi, hệ số tổn hao điện môi, khả năng chịu sốc nhiệt, khả năng hấp thụ độ ẩm và khả năng chống cháy. Yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu composite sợi thủy tinh epoxy phủ đồng phải tuân thủ tiêu chuẩn GB/T4725.
Độ dày của lá đồng có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của các đường dẫn in và chiều rộng tối thiểu của đường dẫn trong quá trình sản xuất. Quy tắc chung là: lá đồng càng dày, độ ăn mòn dưới càng lớn. Đường dẫn in sẽ hẹp hơn. Khi chiều rộng của đường dẫn trở nên quá nhỏ, nó không thể được sản xuất. Vì vậy, khi thiết lập chiều rộng tối thiểu của đường dẫn trên PCB, hãy xem xét độ dày của lá đồng bên cạnh dòng điện, mật độ đường dẫn và các quy tắc khác.
Dữ liệu cho thấy đối với lá đồng có độ dày 35 μm, chiều rộng của dây dẫn phải lớn hơn 0,15 mm. Đối với lá đồng có độ dày 18 μm, chiều rộng của dây dẫn phải lớn hơn 0,1 mm.
Lựa chọn hình dạng bo mạch in (PCB), độ dày và kích thước bo mạch đơn
6.1 Lựa chọn sơ đồ mạch đơn bo mạch
PCBs thường sử dụng hình chữ nhật có chiều dài và chiều rộng tương đương. Tránh sử dụng bảng mạch có hình dạng bất thường. Để thuận tiện cho việc chuyển dây và lắp vào giá đỡ, các góc có thể sử dụng các cung tròn nhỏ hoặc cạnh vát.
Các bảng mạch rất nhỏ (ví dụ: bảng mạch có kích thước nhỏ hơn 100 mm × 100 mm) nên được ghép thành bảng mạch lớn. Khi các loại bảng mạch cho cùng một sản phẩm có cùng số lớp, cùng độ dày và lớp cách điện, cùng độ dày đồng, và cùng số lượng, hãy ghép chúng thành một bảng mạch lớn duy nhất.
6.2 Độ dày của bảng mạch in (PCB)
Chọn độ dày của bảng mạch dựa trên chức năng, khối lượng linh kiện, thông số kỹ thuật của connector, kích thước bảng mạch và tải trọng cơ học. Đối với các bảng mạch lớn dễ biến dạng, hãy thêm các thanh gia cố hoặc khung để tăng cường độ cứng cáp cho chúng.
Đối với các bảng mạch có kích thước dưới 300 mm × 250 mm, độ dày thông thường là 1,6 mm. Các bảng mạch chính và các bảng mạch đơn có kích thước lớn hơn nên có độ dày trên 2 mm. Tuy nhiên, giới hạn công suất ép có thể ảnh hưởng đến quá trình gia công. Độ dày thông thường nên dưới 4 mm.
6.3 Dòng kích thước bên ngoài của bảng mạch in (PCB)
Đối với các bảng mạch in (PCB) không được lắp đặt trong giá đỡ, tham khảo tiêu chuẩn GB9315 để xác định kích thước của bảng mạch. Trong tủ điện, các bảng mạch in cắm vào (plug-in PCB) có kết nối cạnh (edge connectors) là loại phổ biến.
Ghi chú và Lời khuyên đơn giản
- Chọn vật liệu đáp ứng tiêu chuẩn và có thể được nhà sản xuất cung cấp. Điều này giúp giảm thiểu thời gian chờ đợi.
- Đối với bảng mạch tần số cao, hãy sử dụng vật liệu dựa trên PTFE khi cần độ suy hao thấp và hằng số điện môi ổn định. Kiểm tra chi phí và giới hạn sản xuất.
- Đối với các bo mạch nguồn nhạy cảm với nhiệt độ, nên sử dụng bo mạch có lõi kim loại để cải thiện khả năng tản nhiệt.
- Đối với mạch in linh hoạt, hãy chọn loại polyimide hoặc FEP tùy theo yêu cầu về hàn và nhiệt độ. Nếu vật liệu hấp thụ độ ẩm, hãy làm khô chúng.
- Đối với thiết kế HDI, hãy lập kế hoạch cho các lỗ vias và cấu trúc lớp sớm. Sử dụng phương pháp xây dựng lớp khi cần nhiều lỗ vias ẩn hoặc chôn.
- Đối với sản xuất, liệt kê các mục quan trọng trong bản vẽ: độ dày cuối cùng, độ dày lõi của cặp lớp, trọng lượng đồng trên mỗi lớp khi cần thiết, các lớp nào là tín hiệu và các lớp nào là mặt phẳng, và độ trở kháng mục tiêu cho các mạng quan trọng. Thêm chú thích rằng việc bố trí vật liệu prepreg sẽ do nhà sản xuất xác định để đáp ứng yêu cầu về độ trở kháng và độ dày tổng thể, trừ khi cần sử dụng các tấm prepreg cụ thể và nhà thiết kế có thể chỉ định chúng một cách chắc chắn.
