Αναλυτική επισκόπηση της κατασκευής laminate PCB

Τα PCB είναι η ραχοκοκαλιά των σύγχρονων ηλεκτρονικών, παρέχοντας μια πλατφόρμα για τα διάφορα εξαρτήματα να συνδέονται και να λειτουργούν απρόσκοπτα. Στον πυρήνα κάθε PCB βρίσκεται μια πολύπλοκη δομή διασυνδεδεμένων στρωμάτων, το καθένα εξυπηρετεί έναν συγκεκριμένο σκοπό για τη διασφάλιση της λειτουργικότητας και της αξιοπιστίας της πλακέτας. Μεταξύ των βασικών στοιχείων που μια κατασκευή πολυστρωματικού PCB, τα διαγράμματα στοίβαξης διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στον καθορισμό της κατασκευής της πλακέτας και ηλεκτρικές ιδιότητες. Η κατανόηση αυτών των PCB Laminate Construction είναι απαραίτητη για τους σχεδιαστές και τους κατασκευαστές PCB για να δημιουργήσουν αποδοτικές και υψηλής ποιότητας πλακέτες κυκλωμάτων.

Η ουσία μιας πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) έγκειται στην περίπλοκη δομή της που περιλαμβάνει πολλά στρώματα που διασυνδέονται με υλικά Prepregs και Core.

Το Prepreg, που συχνά αναφέρεται ως φύλλα εμποτισμένα με ρητίνη σταδίου Β, είναι ένα μερικώς σκληρυμένο υλικό που αποτελείται από ρητίνη εμποτισμένη σε λεπτές μεμβράνες. Εξυπηρετεί διπλό σκοπό στην κατασκευή πολυστρωματικών PCB : λειτουργεί ως κόλλα για τη συγκόλληση των εσωτερικών αγώγιμων μοτίβων και παρέχει μόνωση μεταξύ των στρώσεων. Κατά την πλαστικοποίηση, η εποξειδική ρητίνη του Prepreg λιώνει, ρέει και στερεοποιείται, συγχωνεύοντας αποτελεσματικά τα στρώματα του κυκλώματος, σχηματίζοντας παράλληλα ένα αξιόπιστο μονωτικό φράγμα μεταξύ τους.

Το υλικό πυρήνα, από την άλλη πλευρά, αποτελεί το θεμελιώδες στοιχείο ενός PCB - μια άκαμπτη σανίδα με συγκεκριμένο πάχος και φύλλο χαλκού πλαστικοποιημένο και στις δύο πλευρές. Ένα τυπικό πολυστρωματικό PCB κατασκευάζεται μέσω της ελασματοποίησης εναλλασσόμενων στρωμάτων πυρήνα και Prepregs. Τα στρώματα Prepreg, τα οποία σχηματίζουν αυτό που ονομάζουμε στρώματα "wet-out" ή εμποτισμού, μπορούν να συνδέουν πολλαπλά στρώματα πυρήνα μεταξύ τους και παρόλο που έχουν αρχικό πάχος, παρουσιάζουν κάποια συρρίκνωση κατά τη διαδικασία συμπίεσης.

Συνήθως, τα δύο εξώτατα διηλεκτρικά στρώματα ενός πολυστρωματικού PCB είναι στρώματα εμποτισμού, που καλύπτονται από ξεχωριστά στρώματα φύλλου χαλκού που χρησιμεύουν ως εξωτερικά αγώγιμα επίπεδα. Οι προδιαγραφές ακατέργαστου πάχους για τα εξωτερικά και εσωτερικά φύλλα χαλκού διατίθενται συνήθως σε ποικιλίες 0.5OZ, 1OZ και 2OZ (με το 1OZ να είναι περίπου 35um ή 1.4mil). Μετά την επεξεργασία, το εξωτερικό στρώμα φύλλου χαλκού συνήθως αυξάνεται σε πάχος κατά σχεδόν 1 ΟΖ, ενώ το τελικό πάχος του εσωτερικού φύλλου χαλκού παραμένει κοντά στην αρχική τιμή, αλλά μπορεί να μειωθεί ελαφρώς λόγω χάραξης.

Το εξωτερικό στρώμα μιας πολυστρωματικής πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) αποτελείται από τη μάσκα συγκόλλησης , γνωστή στην καθομιλουμένη ως «Πράσινο λάδι», αν και μπορεί επίσης να έχει κίτρινο ή άλλα χρώματα. Το πάχος της μάσκας συγκόλλησης δεν προσδιορίζεται εύκολα με ακρίβεια, καθώς είναι παχύτερη σε περιοχές χωρίς χαλκό σε σύγκριση με εκείνες με χαλκό, ωστόσο η προεξοχή του χαλκού εξακολουθεί να είναι αισθητή κατά την απτική επιθεώρηση της επιφάνειας της PCB.

Παράμετροι και Υλικά PCB

Διαφορές στις παραμέτρους PCB υπάρχουν μεταξύ των διαφορετικών κατασκευαστών, γεγονός που καθιστά απαραίτητη την επικοινωνία με τους μηχανικούς του εργοστασίου PCB για τη λήψη των συγκεκριμένων δεδομένων τους, εστιάζοντας κυρίως στη διηλεκτρική σταθερά και το πάχος της μάσκας συγκόλλησης, τα οποία μπορεί να διαφέρουν από κατασκευαστή σε κατασκευαστή.

Εξωτερικό στρώμα φύλλου χαλκού Τα διαθέσιμα πάχη φύλλου χαλκού εξωτερικού στρώματος περιλαμβάνουν 12um, 18um και 35um. Μετά την επεξεργασία, αυτά γενικά έχουν ως αποτέλεσμα τελικά πάχη περίπου 44um, 50um και 67um, περίπου ισοδύναμα με βάρη χαλκού 1 OZ, 1.5 OZ και 2 OZ αντίστοιχα. Σημειώστε ότι όταν χρησιμοποιείτε λογισμικό υπολογισμού σύνθετης αντίστασης για έλεγχο, δεν υπάρχει επιλογή για πάχος χαλκού 0.5 OZ για τα εξωτερικά στρώματα.

Υλικό πυρήνα Το συνήθως χρησιμοποιούμενο υλικό πυρήνα είναι το S1141A, το οποίο είναι τυπικό υλικό FR-4, με διπλή όψη επικάλυψης χαλκού, με επιλέξιμες προδιαγραφές που μπορούν να επιβεβαιωθούν απευθείας με τον κατασκευαστή.

Τα προ-εμποτισμένα (Prepreg ) διατίθενται σε διάφορες αρχικές προδιαγραφές πάχους, όπως 7628 (0.185mm/7.4mil), 2116 (0.105mm/4.2mil), 1080 (0.075mm/3mil) και 3313 (0.095mm/4mil). Κατά την πραγματική συμπίεση, το πάχος συνήθως μειώνεται κατά περίπου 10-15um (0.5-1mil), επομένως το ελάχιστο πάχος της διηλεκτρικής στρώσης σε ένα σχέδιο στοίβαξης δεν πρέπει να είναι μικρότερο από 3mil. Ένα μόνο στρώμα εμποτισμού μπορεί να χρησιμοποιήσει έως και τρία προ-εμποτισμένα (Prepreg), όπου κανένα από τα τρία δεν μπορεί να έχει το ίδιο πάχος. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί τουλάχιστον ένα προ-εμποτισμένο (Prepreg), αν και ορισμένοι κατασκευαστές απαιτούν τουλάχιστον δύο. Εάν το πάχος του προ-εμποτισμένου (Prepreg) δεν επαρκεί, το φύλλο χαλκού και στις δύο πλευρές του πυρήνα μπορεί να αφαιρεθεί με χάραξη και στη συνέχεια να επανασυνδεθεί με τα προ-εμποτισμένα (Prepreg), επιτυγχάνοντας ένα παχύτερο στρώμα εμποτισμού. Η διηλεκτρική σταθερά των προεμποτισμάτων ποικίλλει ανάλογα με το πάχος τους και ο ακόλουθος πίνακας παραθέτει τα πάχη των διαφόρων μοντέλων και τις αντίστοιχες διηλεκτρικές σταθερές τους:

Η διηλεκτρική σταθερά μιας πολυστρωματικής σανίδας εξαρτάται από το υλικό ρητίνης που χρησιμοποιείται. Οι πλακέτες FR4 τυπικά παρουσιάζουν ένα εύρος διηλεκτρικής σταθεράς από 4.2 έως 4.7, το οποίο μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας.

Στρώμα μάσκας συγκόλλησης Το πάχος του στρώματος μάσκας συγκόλλησης πάνω από το φύλλο χαλκού, που συμβολίζεται ως C2, είναι περίπου 8-10 μm. Το πάχος της μάσκας συγκόλλησης σε περιοχές χωρίς χαλκό, C1, ποικίλλει ανάλογα με το πάχος της επιφάνειας του χαλκού, κυμαινόμενο περίπου στα 13-15 μm για χαλκό πάχους 45 μm και περίπου 17-18 μm για χαλκό πάχους 70 μm. Κατά τον υπολογισμό με SI9000, αρκεί μια τιμή πάχους μάσκας συγκόλλησης 0.5 ουγγιές.

Διατομή Αγωγού Λόγω της χάραξης, η διατομή των αγωγών δεν είναι ορθογώνια αλλά τραπεζοειδής. Για παράδειγμα, στο TOP στρώμα, όταν το πάχος του φύλλου χαλκού είναι 1OZ, η άνω βάση του τραπεζοειδούς είναι περίπου 1MIL μικρότερη από την κάτω βάση. Έτσι, εάν το σχεδιασμένο πλάτος γραμμής είναι W=5MIL, το άνω πλάτος θα είναι περίπου 4MIL και το κάτω πλάτος 5MIL. Η διαφορά μεταξύ της άνω και της κάτω βάσης σχετίζεται με το πάχος του χαλκού, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα υπό διαφορετικές συνθήκες:

Υπολογισμοί σύνθετης αντίστασης Οι τυπικοί υπολογισμοί σύνθετης αντίστασης χρησιμοποιούν τα ακόλουθα μοντέλα:

• Μοντέλο γραμμής Microstrip
• Μοντέλο Stripline

Στο μοντέλο microstrip, υπάρχουν και άλλες διαμορφώσεις, συμπεριλαμβανομένου ενός μοντέλου που δεν χρησιμοποιείται χωρίς επίστρωση. Οι διηλεκτρικές σταθερές Er1 και Er2 στο εικονιζόμενο μοντέλο εξαρτώνται από το συγκεκριμένο μοντέλο προεμποτισμού που χρησιμοποιείται. Τα βασικά μοντέλα παρατίθενται προηγουμένως και οι λεπτομερείς παράμετροι πρέπει να ληφθούν απευθείας από τον κατασκευαστή PCB.

Όταν το έργο μεταβαίνει από την έρευνα σε μια RFQ, ελέγξτε την επιλογή laminate PCB και τη συναρμολόγηση BGA λεπτού βήματος, ώστε οι απαιτήσεις υλικού, διαδικασίας και επιθεώρησης να παραμένουν ευθυγραμμισμένες.

Συνολικά, η κατανόηση της περίπλοκης δομής και των υλικών μιας πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) είναι ζωτικής σημασίας για το σχεδιασμό και την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ποιότητας. Τα υλικά προεμποτίσματος και πυρήνα παίζουν ουσιαστικό ρόλο στη συγκόλληση των στρωμάτων και στην παροχή μόνωσης, ενώ τα φύλλα χαλκού και οι μάσκες συγκόλλησης συμβάλλουν στην αγωγιμότητα και την προστασία της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος.

Οι διαφορές στις παραμέτρους και τα υλικά PCB μεταξύ των κατασκευαστών υπογραμμίζουν τη σημασία της επικοινωνίας και της λήψης συγκεκριμένων δεδομένων για κάθε έργο. Τα διαγράμματα στοίβαξης χρησιμεύουν ως ανεκτίμητα εργαλεία, παρέχοντας ένα σχέδιο της κατασκευής και των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του PCB.

Κατανοώντας τα βασικά στοιχεία των διαγραμμάτων στοίβαξης, οι σχεδιαστές μπορούν να εξασφαλίσουν την ακεραιότητα και την αξιοπιστία των σχεδίων PCB τους, οδηγώντας τελικά σε καλύτερες επιδόσεις και πιο στιβαρές ηλεκτρονικές συσκευές.