Komplexní průvodce tloušťkou PCB

Při návrhu desek plošných spojů často dominují rozměry XY, ale stejně důležitá je osa Z – celková tloušťka desky plošných spojů. Celková tloušťka desky plošných spojů určuje její mechanickou tuhost, schopnosti odvodu tepla, integritu signálu (impedanci) a vhodnost pro výrobu. Špatně vypočítaná tloušťka desky plošných spojů může vést k nesouladu impedance, problémům s uchycením konektorů nebo k selhání pokovování během výroby. Tato komplexní příručka se zabývá vším, co hardwaroví inženýři a návrháři potřebují vědět o standardní tloušťce desek plošných spojů, výpočtech vícevrstvého vrstvení a o tom, jak optimalizovat tloušťku desky pro vysoce spolehlivé aplikace.

1. Anatomie tloušťky desek plošných spojů: Co vlastně měříte?

Celková tloušťka desky plošných spojů (PCB) není jen jeden kus sklolaminátu. Je to kumulativní měření několika různých vrstev laminovaných dohromady za vysoké teploty a tlaku. Abyste mohli přesně vypočítat a specifikovat konečnou tloušťku desky, musíte pochopit přínos každé složky ve vrstvě.

Jádrový substrát

Jádro je tuhý kus dielektrického materiálu (obvykle FR4, speciální nízkoztrátový laminát nebo polyimid) s předem spojenou měděnou fólií na jedné nebo obou stranách. Slouží jako konstrukční základ desky. Tloušťka jádra se obvykle pohybuje od 0.1 mm do 1.2 mm. U vícevrstvé desky je více jader naskládáno dohromady a jejich kombinovaná tloušťka tvoří převážnou část celkové tloušťky desky plošných spojů.

Prepreg (dielektrická rozteč)

Prepregované (předimpregnované) vrstvy jsou listy sklolaminátové tkaniny napuštěné částečně vytvrzenou epoxidovou pryskyřicí. Během procesu laminace se pryskyřice roztaví a spojí sousední jádra nebo měděné fólie dohromady. Tloušťka vytvrzené prepregované vrstvy závisí na stylu tkaní skelných vláken (např. 1080, 2116, 7628) a obsahu pryskyřice, obvykle se k celkové tloušťce desky plošných spojů přidává 0.05 mm až 0.2 mm na list.

Závaží z měděné fólie

Tloušťka mědi se měří v uncích na čtvereční stopu (oz/ft²). Tento kov významně ovlivňuje konečné měření na ose Z, zejména u konstrukcí s vysokou tloušťkou mědi.

• 0.5 unce mědi: Tloušťka ~0.7 mil (18 µm).
• 1.0 unce mědi: Tloušťka ~1.4 mil (35 µm).
• 2.0 unce mědi: Tloušťka ~2.8 mil (70 µm).

Pájecí maska ​​a povrchová úprava

I když začínající konstruktéři často ignorují tekutou fotozobrazitelnou pájecí masku (LPSM) a povrchové úpravy (jako ENIG, HASL nebo imerzní stříbro) přidávají mikroskopickou, ale měřitelnou výšku. Pájecí maska ​​obvykle přidává 0.5 až 1.0 mil (12–25 µm) na holý substrát a o něco méně na měděné vodiče. U nízkorychlostních konstrukcí je to sice zanedbatelné, ale je nutné to zohlednit při těsných mechanických krytech nebo vysoce přesných výpočtech vysokofrekvenční impedance.

2. Standardní tloušťka desek plošných spojů vs. zakázkové požadavky

Ne všechny desky plošných spojů jsou si rovny. V závislosti na aplikaci – od flexibilního nositelného zařízení až po masivní serverovou základní desku – si inženýři mohou vybrat z různých tlouštěk.

Průmyslový standard 1.57 mm (0.062 palce)

Nejrozšířenější standardní tloušťka desek plošných spojů je 1.57 mm, často zaokrouhlená na 1.6 mm nebo 0.062 palce. Tento historický standard vznikl v raných dobách elektroniky, kdy se bakelitové desky vyráběly přesně o tloušťce 1/16 palce. Dnes zůstává tloušťka 1.6 mm pro většinu výrobců výchozí volbou, protože nabízí ideální rovnováhu mezi mechanickou tuhostí, dielektrickou vzdáleností a výrobními náklady pro 2 až 6vrstvé desky.

Tenké desky plošných spojů (0.2 mm až 1.0 mm) pro kompaktní elektroniku

Vzhledem k tomu, že zařízení internetu věcí, nositelná elektronika a chytré telefony vyžadují stále více miniaturizované součástky, staly se běžnými tenké desky plošných spojů (PCB). Často se používají desky o tloušťce 0.4 mm, 0.6 mm nebo 0.8 mm.
Tenké desky však s sebou nesou určité problémy: jsou velmi náchylné k deformaci během SMT reflow a během montáže mohou vyžadovat specializované manipulační přípravky.

Silné desky plošných spojů (2.0 mm až 3.2 mm+) pro náročné použití

Pro průmyslové řídicí systémy, automobilovou elektroniku a serverové základní desky je nezbytná silnější deska plošných spojů. Tloušťky jako 2.0 mm, 2.4 mm a 3.2 mm se používají k uložení silných měděných vrstev (3 unce nebo více) pro aplikace s vysokým proudem nebo k zajištění mechanické podpory pro těžké součástky, jako jsou velké transformátory a konektory s vysokou hustotou.

3. Jak tloušťka desek plošných spojů ovlivňuje elektrický výkon

U vysokorychlostních digitálních a RF/mikrovlnných konstrukcí není tloušťka desek plošných spojů mechanickou preferencí – jedná se o přísný elektrický požadavek.

Řízená impedance a geometrie trasy

Pro dosažení cílové charakteristické impedance (např. 50 ohmů pro RF antény nebo 90 ohmů pro diferenciální páry USB) musí být šířka stopy matematicky sladěna s tloušťkou dielektrické vrstvy oddělující stopu od její referenční zemní roviny. Pokud zmenšíte celkovou tloušťku desky plošných spojů (PCB), dielektrická vzdálenost se zmenší, což vás nutí používat užší stopy pro zachování stejné impedance. Naopak silnější deska plošných spojů umožňuje použití širších stop, což snižuje stejnosměrný odpor a ztráty ve vodičích.

Kapacitní a energetické distribuční sítě (PDN)

Ve vysokorychlostních digitálních obvodech vytváří těsné umístění napájecích a zemnících rovin mezi rovinami kapacitu, která funguje jako vysokofrekvenční oddělovací kondenzátor pro vaše integrované obvody. Tenčí deska plošných spojů nebo použití ultratenkých jader (například 3 mil nebo 4 mil) mezi napájecí a zemnící vrstvou výrazně zlepšuje výkon vaší PDN snížením zvlnění napájecí sběrnice.

Vysokofrekvenční RF a dielektrické ztráty

U vysokofrekvenčních konstrukcí (> 5 GHz) signál prochází dielektrickým médiem. Silnější dielektrické substráty vedou k většímu útlumu signálu (dielektrické ztráty). RF inženýři často specifikují vysokofrekvenční materiály (jako jsou speciální lamináty s nízkými ztrátami) s přesnými, tenkými profily (např. 10 mil nebo 20 mil) pro vnější RF vrstvy, aby minimalizovali vložné ztráty a zároveň optimalizovali celkovou tloušťku desky plošných spojů s hybridními strukturami FR4.

4. Mechanická pevnost, tepelná hmotnost a deformace

Fyzické prostředí, ve kterém bude deska plošných spojů fungovat, určuje její potřebné fyzické rozměry.

Tuhost a odolnost proti vibracím

Odolnost desky plošných spojů vůči ohybu se exponenciálně zvyšuje s její tloušťkou. V leteckém, automobilovém nebo robustním průmyslu, kde jsou vibrace konstantní, zabraňuje deska plošných spojů o tloušťce 1.6 mm nebo 2.0 mm mechanickému ohýbání. Nadměrné ohýbání může způsobit únavu pájeného spoje, což vede k občasným poruchám těžkých součástek nebo křehkých pouzder BGA.

Tepelná hmota a odvod tepla

Tepelný management do značné míry závisí na tloušťce desky plošných spojů. Silnější deska má vyšší tepelnou hmotnost, což jí umožňuje efektivněji absorbovat a rozvádět teplo generované výkonovými zesilovači, LED diodami nebo procesory. Silnější deska navíc umožňuje větší tepelné průchody a silnější měděné vrstvy, což zajišťuje lepší vodivou cestu k chladičům nebo hliníkovým krytům.

Prevence deformace (ohýbání a kroucení)

Během intenzivního tepla při SMT reflow pájení se materiály roztahují. Pokud je deska plošných spojů příliš tenká nebo pokud je rozložení mědi napříč vrstvami asymetrické, deska se zdeformuje. Normy IPC-A-600 uvádějí, že maximální povolené prohnutí a zkroucení pro desky pro povrchovou montáž (SMT) je 0.75 %. Specifikace robustní tloušťky desky plošných spojů a zajištění symetrického vrstvení vrstev jsou nejúčinnějšími způsoby, jak zabránit deformaci způsobující ničení sestavy.

5. Výrobní omezení a důsledky pro montáž

Než se rozhodnete pro svůj návrh, je důležité pochopit, jak bude zvolená tloušťka desky plošných spojů zpracovávána ve výrobním závodě.

Poměry stran vrtáku a spolehlivost PTH

Poměr stran desky plošných spojů (PCB) je poměr tloušťky desky k průměru nejmenšího vyvrtaného otvoru. Například deska o tloušťce 1.6 mm s průchodkou o průměru 0.2 mm má poměr stran 8:1. Standardní výrobci mohou pohodlně pokovovat průchodky s poměrem stran 10:1. Pokud navrhnete základní desku o tloušťce 3.2 mm a pokusíte se použít průchodky o tloušťce 0.2 mm (poměr 16:1), pokovovací chemie se bude obtížně dostat do středu válce průchodky, což bude mít za následek slabé nebo přerušené elektrické spojení.

Laminovací cykly a registrace

S rostoucím počtem vrstev se deska nevyhnutelně stává tlustší. Deska s 16 nebo 24 vrstvami vyžaduje několik lisovacích cyklů a přesné slepení jednotlivých vrstev. Pokud je deska příliš silná, může během lisování dojít k posunu vnitřní vrstvy, což může způsobit vylomení vrtáků. Výrobci musí pečlivě profilovat teplotu a tlak, aby zajistili správný tok pryskyřice v celé silné vrstvě.

Depanelizace a zapojení konektorů

Standardní konektory na hranách desek plošných spojů (jako jsou PCIe prsty) jsou speciálně navrženy pro použití s ​​deskami o tloušťce 1.6 mm (0.062″). Pokud zadáte tloušťku 2.0 mm, deska se do slotu jednoduše nevejde. Tloušťka desky plošných spojů navíc ovlivňuje depanelizaci; silné desky vyžadují robustní V-drážkování nebo frézování, zatímco velmi tenké desky se mohou při nesprávném podepření roztříštit nebo roztrhnout.

6. Nejlepší postupy pro specifikaci tloušťky desky plošných spojů

Abyste zajistili bezproblémový přechod od prototypu k hromadné výrobě, dodržujte při určování celkové tloušťky desky plošných spojů tyto profesionální pokyny:

Vyvážení počtu vrstev s náklady

Netlačte desku s vysokým počtem vrstev do ultratenkého profilu, pokud to není nezbytně nutné. Stlačení 10vrstvé desky do tloušťky 0.8 mm vyžaduje extrémně drahé, ultratenké prepregy a jádra, což výrazně zvyšuje vaše výrobní náklady. Držte se standardních tlouštěk materiálů, kdykoli to vaše mechanické provedení dovolí.

Jasně sdělujte tolerance

Výroba desek plošných spojů (PCB) zahrnuje fyzické materiály vystavené teplu a tlaku, proto je nemožné určit přesnou tloušťku. Standardní tolerance pro celkovou tloušťku desek plošných spojů v průmyslu je ±10 %. Pokud váš projekt zahrnuje těsné mechanické šasi nebo přísné požadavky na impedanci, uveďte požadované tolerance ve výrobních poznámkách a souborech Gerber.

Využijte odbornou podporu výroby

Ve společnosti Highleap Electronics náš technický tým denně pomáhá návrhářům s optimalizací vrstev. Ať už navrhujete ultratenkou tuhou a flexibilní desku pro nositelné zařízení pro lékařské účely, vyžadujete přesné služby reballování BGA pro osazování desek plošných spojů nebo stavíte 3.2 mm silný průmyslový kontrolér z těžké mědi, provádíme kontroly DFM (Design for Manufacturing), abychom zajistili, že zvolená tloušťka desky plošných spojů dokonale odpovídá cílovým hodnotám impedance, limitům poměru stran a požadavkům na finální montáž.

Vyžádejte si kontrolu a cenovou nabídku Stackup ještě dnes

Když se projekt přesune z výzkumu do RFQ, zkontrolujte kontrolu sestavy BGA a proces od prototypu po sériovou výrobu desek plošných spojů , aby požadavky na materiál, proces a kontrolu zůstaly v souladu.