Johdatus piirilevyihin ja erityyppisiin piirilevyihin

Piirilevyt tarjoavat perustan lähes kaikelle nykyaikaiselle elektroniikalle yksinkertaisista leluista edistyneisiin supertietokoneisiin. Elektroniikkakomponenttien asennuksen ja yhdistämisen alustana toimiva piirilevyjen suunnittelu ja materiaalit vaikuttavat voimakkaasti elektronisten laitteiden yleiseen toimintaan ja ominaisuuksiin.

Tämä kattava opas kattaa ensin piirilevyjen keskeiset perusteet. Sen jälkeen se tarjoaa yksityiskohtia yleisimmistä kuluttaja- ja teollisuuselektroniikassa käytetyistä piirilevyversioista sekä kunkin tyypin sovelluksista, eduista ja kompromisseista.

Mikä on piirilevy?

Painettu piirilevy koostuu eristävästä substraattimateriaalista, joka on vahvistettu johtavien kuparijälkien kerroksilla määritellyin kuvioin. Elektroniset komponentit ja integroidut piirit kiinnitetään piirilevyyn toimivuuden saavuttamiseksi. Johtavat jäljet ​​yhdistävät eri asennettuja osia, jolloin signaalit ja virta kulkevat. Piirilevyt tarjoavat siten väyliä komponenteille, jotka voivat toimia yhdessä elektronisena järjestelmänä tai osakokoonpanona.

Vaikka varhaiset piirilevyt johdotettiin huolella käsin pisteestä pisteeseen -johdotuksen avulla, valolitografisen valmistuksen myötä ensimmäiset todelliset painetut piirilevyt mahdollisti. Syövyttämällä kuparikerroksia kemiallisesti jälkien muodostamiseksi lähes mihin tahansa monimutkaiseen kuvioon, piirilevyt mahdollistivat kehittyneiden elektronisten järjestelmien automatisoidun ja suurivolyymin valmistuksen.

Perustuksen PCB-substraattina käytettyjä materiaaleja ovat lasikuitukomposiitit, kuten FR-4, edistyneemmät kertamuovi- tai termoplastiset komposiitit, keramiikka tai joissakin tapauksissa alumiini tai teräs lämmönjohtavuutta vaativiin sovelluksiin. PCB-substraatin valinta asettaa perustavanlaatuisia rajoituksia sellaisille tekijöille kuin käyttölämpötilat, dielektriset ominaisuudet, lämpöhäviö ja valmistusprosessit.

Piirilevyt kehittyvät jatkuvasti vastaamaan nousevia tiheyden, signaalin nopeuksien, tehonkäsittelyn ja luotettavuuden vaatimuksia jatkuvalla materiaalikehityksellä, liitäntätekniikoilla, kuten high-density interconnect (HDI) ja sokealla/hautaisella läpiviennillä, erikoiskäsittelyillä, kuten immersiokulta tai ENIG, ja valmistusprosesseilla, joilla saavutetaan pienemmät toleranssit ja pienemmät ominaisuudet.

Painettujen piirilevyjen käytön tärkeimmät edut

Vaikka varhaisimmat sähkölaitteet käyttivät manuaalisia johdotuksia tai primitiivisiä yksi- tai kaksikerroksisia kortteja, monikerroksiset piirilevyt hallitsevat nykyään nykyaikaista elektroniikkaa tärkeiden etujen vuoksi, kuten:

• Monimutkaisuus – Monikerroksiset levyt sopivat erittäin monimutkaisiin piireihin, joissa on suuri määrä komponentteja ja tiheät reititysyhteydet, joita ei voida saavuttaa käsin.
• miniatyrisointi – Huolellisesti reititetyt piirilevyt pienentävät huomattavasti kokoa ja eliminoivat tilaa vieviä mekaanisia liittimiä osakokoonpanojen välillä. Mikroviat helpottavat kutistumista.
• Luotettavuus – Automatisoitu, erittäin tarkka piirilevyvalmistus johtaa erittäin tasaiseen laatuun, joka poistaa manuaaliseen johdotukseen liittyvät virheet.
• Lämmönhallinta – Tietyt piirilevymateriaalit tarjoavat paljon paremman lämmönjohtavuuden ja leviämisen kuin vaihtoehdot elektroniikan tehotason noustessa.
• Nopeus – Piirilevyjen tiukasti ohjatut jäljitysgeometriat mahdollistavat tarkan impedanssisovituksen, joka on välttämätöntä nopeille signaaleille jopa usean GHz:n taajuuksille.
• huollettavuus – Modulaariset osakokoonpanopiirilevyt yksinkertaistavat diagnostiikkaa ja kenttävaihtoa monoliittisiin rakenteisiin verrattuna.
• skaalautuvuus – Kun alkuperäiset prototyypit on varmistettu, joustavat piirilevyjen valmistusprosessit mahdollistavat erittäin nopean mittakaavan suuren volyymin tuotantoon.
• Standardointi – Vakiomuototekijät, asennusreiät, liittimet jne. helpottavat eri toimittajien moduulien integrointia toimitusketjuissa.
• testattavuus – Suunnitellut testipisteet, rajat ja pääsy tukevat valmistettavuutta ja kenttädiagnostiikkaa.

Tämä ainutlaatuinen etujen yhdistelmä ylläpitää PCB:t elektronisten järjestelmien selkärangana kuluttajien laitteissa, laitteissa, autoissa, viestintäinfrastruktuurissa, teollisuusautomaatiossa, puolustusjärjestelmissä ja muissa lähitulevaisuudessa.

Painettujen piirilevyjen tyypit

Vaikka kaikilla piirilevyillä on yhteinen perusta, sähköjärjestelmien valtava monimuotoisuus sanelee laajan kirjon PCB-materiaaleja, rakennusmenetelmiä, tiheyksiä ja muita sovelluksiin räätälöityjä ominaisuuksia. Tässä on yleisimmät käytössä olevat piirilevyjen luokat ja tyypit:

1. Yksipuoliset piirilevyt

Yksipuolisissa piirilevyissä käytetään yhtä ohutta kuparikerrosta, joka on laminoitu eristävälle fenoli- tai lasikuitukomposiittisubstraatille. Yksinkertainen rakenne tekee näistä edullisimman piirilevyvaihtoehdon.

Sovellukset: Kevyet piirit, mukaan lukien virtalähteet, analoginen prosessointi ja valaistus

Edut: Halvin vaihtoehto; tukee suurten volyymien tuotantoa; helppo suunnitella ja korjata

Rajoitukset: Hyvin rajalliset yhteenliitännät ja komponenttitiheydet

2. Kaksipuoliset piirilevyt

Kaksipuoliset piirilevyt ylittävät yksikerroksisten yhteenliittämisrajoitusten lisäämällä toisen johtavan kalvokerroksen, joka on yhdistetty pinnoitettujen läpimenevien reikien kanssa, jotka yhdistävät molemmat puolet.

Sovellukset: Sopii kohtalaisen monimutkaisille piireille, kuten teollisuusohjaimille, testauslaitteille ja LED-valaistukselle.

Edut: Mahdollistaa suuremman komponenttitiheyden; taloudellisempi kuin monikerros vähemmän monimutkaisissa järjestelmissä; helpottaa joidenkin SMT-osien valmistusta.

Rajoitukset: Edelleen tila on rajallinen monikerrosrakenteisiin verrattuna; välttää erittäin hienojakoisia integroituja piirejä.

3. Monikerroksiset piirilevyt

Useiden johtavien ja eristävän eristävän ydinsubstraattikerrosten pinoaminen, jotka on yhdistetty mikroläpiviennillä, tukee erittäin tiheää, monimutkaista reititystä, jota ei voida saavuttaa muilla keinoin. Nämä monikerroksiset piirilevyt hallitsevat kehittynyttä elektroniikkaa, kuten puhelimia, tietokoneita, autoelektroniikkaa ja lääketieteellisiä järjestelmiä.

Edut: Mahdollistaa huomattavasti suuremman monimutkaisuuden, komponenttitiheyden, pienentämisen ja toimintojen integroinnin kompakteissa ja edullisissa paketeissa.

Kompromissit: Merkittävästi korkeammat valmistuskustannukset ja haastavat signaalin/tehon eheyden suunnittelut. Vaikea manuaalinen korjaus.

4. Joustavat piirilevyt

Joustavat alustat, jotka on valmistettu kestävistä polymeerikalvoista, mahdollistavat taivutettujen piirilevyjen sopimisen epäsäännöllisiin ääriviivoihin rajoittavien tuotekoteloiden sisään samalla kun ne kestävät mekaanisia rasituksia.

Käyttökohteet: Ihanteellinen puettaville laitteille, lääketieteellisille teknologialaitteille ja sotilasjärjestelmille, joissa tila on erittäin rajallinen.

Edut: Myötäilee monimutkaisia ​​muotoja; kevyt. Kestää taipumista, tärinää ja vääntöä.

Rajoitukset: Paljon korkeammat kustannukset; tukee vain yksinkertaisempia piirejä. Vaatii liimoja.

5. Rigid-Flex-piirilevyt

Jäykkien levyalueiden yhdistäminen monimutkaisten komponenttien asentamiseen ja reititys ohuilla flex-piiriliitännöillä mahdollistaa erittäin tehokkaan 3D-asettelun tiukoissa epäsäännöllisissä muodoissa.

Edut: Ainutlaatuinen yhdistelmä jäykkyyttä ja joustavuutta mahdollistaa tilansäästön ja innovaatiot teollisessa muotoilussa.

Huomioitavaa: Paljon korkeammat kustannukset; pienten/keskisuurten volyymien markkinarako; erittäin haastava valmistuslogistiikka ja suunnittelun monimutkaisuus.

6. HDI PCB:t

High-density interconnect (HDI) PCB-piirilevyt, joissa on mikroläpivientejä, hienoja viivoja ja välejä sekä ohuita dielektrisiä osia, tukevat kehittyneitä kannettavia laitteita ja nopeaa tietojenkäsittelyä, jotka pakkaavat tuhansia liitäntöjä neliötuumalle.

Edut: Kompakti monimutkaisuus; nopeus; taloudelliset verrattuna pienimuotoisiin ja työvoimavaltaisiin vaihtoehtoihin.

Huomioitavaa: Vaatii merkittävää suunnitteluosaamista, mallinnusta ja prototyyppien valmistusta hyvän signaalin eheyden, tehonsiirron ja valmistettavuuden varmistamiseksi.

7. Alumiiniset PCB-levyt

Perinteisten eristysalustojen korvaaminen lämpöä johtavilla alumiinisydämispiirilevyillä siirtää lämpöä tehokkaasti suuritehoisista komponenteista, kuten LED-ajureista.

Sovellukset: LED-valaisimet, autoteollisuuden muuntimet, virtalähteet, moottoriohjaimet

Edut: Erittäin tehokas lämmönlevitys; kestää suuria tehotiheyksiä. Kestää mekaanista rasitusta. Alhaisempi hinta kuin eksoottisilla komposiiteilla.

Rajoitukset: Pääasiassa yksinkertaiset piirit; raskaat; korroosioriskit ilman suojatoimenpiteitä.

8. LED-piirilevyt

LED-piirilevyissä on paksut kuparikerrokset lämmön jakamiseksi yhdistettynä alhaisen lämmönvastuksen dielektrisiin materiaaleihin, jotka ovat kriittisiä LED-valaisimille ja -näytöille, joissa lämpösuunnittelu vaikuttaa voimakkaasti kustannuksiin, luotettavuuteen, kirkkauden tasaisuuteen ja käyttöikään.

Edut: Erinomaiset lämmönpoisto-ominaisuudet hallitsevat kirkkaiden LEDien lämpöä. Mahdollistaa pienempien LED-moduulien käytön.

Huomioitavaa: Materiaalivalinta, johtimien leveydet, reikien tulppaus – kaikki säädetty lämmönsiirtoa varten. Usein metalliydin tai keraamiset alustat.

9. FR-4 PCB:t

FR-4 lasikuituvahvistettu epoksilaminaatti tarjoaa taloudellisen tasapainon ominaisuuksien välillä toimiakseen oletusarvoisena valtavirran piirilevysubstraattina useimmissa kustannusherkissä kuluttaja- ja kevyen teollisuuden elektroniikkajärjestelmissä, jotka eivät paina äärimmäisiä kirjekuoria.

Edut: Kypsät valmistusprosessit; kohtalainen sähköinen suorituskyky; alhaiset kustannukset.

Rajoitukset: Lämpötila-alue rajoitettu noin 130 °C:seen jatkuvassa ajassa; absorptionopeus voi vaikuttaa sähköisiin ominaisuuksiin. Häviöllinen muutaman GHz:n yläpuolella.

10. Suurtaajuiset piirilevyt

Viestintäinfrastruktuuri, ilmailu-ilmailu, puolustuselektroniikka ja tieteellinen instrumentointi vaativat erikoistuneita piirilevymateriaaleja, joiden sähköiset ominaisuudet ovat tarkasti säädetyt, jotta ne toimisivat mikroaalto-, millimetriaalto- ja usean gigahertsin spektreillä.

Edut: Mahdollistaa pienihäviöisen tiedonsiirron jopa 100 GHz:iin asti; hallitsee dielektrisiä vakioita ja vähentää vinoumaa taajuuskaistojen välillä.

Huomioitavaa: Paljon korkeammat kustannukset; rajoitetut piirilevykoot; vaadittava haastava mallinnus ja simulaatiot.

11. Korkean lämpötilan piirilevyt

Autojen elektroniikka, sotilaallinen avioniikka, geoterminen instrumentointi ja porauslaitteet hyötyvät kestävistä, vähän laajenevista PCB-materiaaleista, jotka pystyvät toimimaan luotettavasti yli 260 °C:n lämpötilassa tuhansia järjestelmän käyttöiän tunteja näiden pitkän käyttöiän sovellusten sanelemana.

Edut: Toimii luotettavasti yli 260 °C:n lämpötilassa pitkiä aikoja; kestää äärimmäisiä syklejä. Vähäinen lämpölaajeneminen. Materiaalit estävät hiiltymisen/käyristymisen. Korkea jäykkyys.

Kompromissit : Erittäin kallis; erittäin pitkät toimitusajat; korjaukset epätodennäköisiä.

12. Metalliydinpiirilevyt

Metallisubstraatin, kuten alumiinin tai kuparin, valinta tavanomaisiin eristyslaminaatteihin verrattuna muodostaa lämmönlevittimen, jonka avulla metalliytiminen piirilevyt voivat haihduttaa voimakkaita lämpökuormia suuritehoisista komponenteista, jotka ovat yleisiä sähköajoneuvojen vetomuuntimissa, palvelinprosessoreissa, RF-vahvistimissa, virtalähteissä ja vastaavissa sovelluksissa.

Edut: Erittäin korkea lämmönjohtavuus siirtää tehokkaasti lämpöä kuumista komponenteista ympäröivään ilmaan. Kestää suuria jatkuvia tehotiheyksiä. Kestää mekaanista rasitusta.

Rajoitukset: Käytetään pääasiassa kustannusherkissä yksinkertaisissa piireissä, joissa on minimaalinen reititys; painavampaa kuin komposiitit; galvaanisen korroosion riski.

13. Paksut kuparipiirilevyt

Perinteisen 1–2 unssin kuparifolion paksuuden kaksinkertaistaminen tai nelinkertaistaminen 4 tai 8 unssiin palvelee sovelluksia, kuten tietojenkäsittelypalvelimia ja tietoliikennelaitteistoja, jotka pakattavat monia nopeita signaaleja rinnakkaisiin siirtojohtokokoonpanoihin, mikä hyötyy pienemmistä häviöistä ja paksummilla jälkiä käyttämällä saavutetusta ylikuulumisesta.

Edut: Pienempi häviö korkeilla taajuuksilla tai tasavirran tiheyksillä parantaa suorituskykyä; paksummat johtimet mahdollistavat paksumman pinnoituksen tarvittaessa.

Kompromissit: Paljon pidemmät valmistusajat ja alhaisemmat saannot lisäävät kustannuksia huomattavasti; koskee vain yksinkertaisia ​​monisignaalikerrosreitityksiä.

Tämä 13 hallitsevan piirilevyversion kehys, jota käytetään eri elektroniikkasektoreilla, auttaa räätälöimään valinnat teknisen suunnittelun tavoitteiden, käyttöympäristöjen, tuotteiden eliniän ja kustannusten optimoimiseksi.

Yhteenveto

Painetut piirilevyt muodostavat perustan kaikkien elektronisten komponenttien ja IC:ien yhdistämiselle ja käytölle järjestelmätason toimivuuden saavuttamiseksi. PCB-materiaalien, valmistusominaisuuksien, signalointitekniikoiden, lämmönhallinnan ja pakkausten jatkuva kehitys kasvattaa räjähdysmäisesti käsittelynopeuksia, tiedon kaistanleveyksiä, sulautettua älykkyyttä ja lähes kaikkia elektroniikkaa koskevia ansioita.

Saatavilla olevien piirilevytekniikoiden kirjon sekä niiden vahvuudet ja heikkoudet ymmärtäminen auttaa suunnittelijoita löytämään kompromisseja kustannusten, ominaisuuksien ja fyysisten rajoitusten suhteen.