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: Matalat monimutkaiset piirit, mukaan lukien virtalähteet, analoginen käsittely ja valaistus

edut: Halvin vaihtoehto; tukee suuria tuotantomääriä; helppo suunnitella ja korjata

Rajoitukset: Hyvin rajalliset liitännät 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: Soveltuu kohtalaisen monimutkaisille piireille, kuten teollisuusohjauksille, testilaitteille ja LED-valaistuksille.

edut: Mahdollistaa suuremman komponenttitiheyden; taloudellisempi kuin monikerroksinen vähemmän monimutkaisia ​​järjestelmiä varten; helpottaa joitakin SMT-osia.

Rajoitukset: Edelleen tilaa rajoitettu suhteessa monikerroksiseen; välttää erittäin hienojakoiset IC:t.

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: Huomattavasti korkeammat valmistuskustannukset ja haastavat signaalin/tehon eheyssuunnittelut. 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.

Sovellukset: Ihanteellinen puetettaviin laitteisiin, lääketieteen laitteisiin ja sotilasjärjestelmiin, joissa tilaa on erittäin rajoitetusti.

edut: Mukautuu monimutkaisiin muotoihin; kevyt. Kestää taipumista, tärinää, vääntymistä.

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

5. Rigid-Flex-piirilevyt

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

edut: Ainutlaatuisesti yhdistää jäykät ja joustavat ominaisuudet mahdollistaen tilansäästön ja innovaatiot teollisessa suunnittelussa.

näkökohdat: Paljon korkeammat kustannukset; pieni/keskimääräinen volyymi; 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 vs. vähäiset, työvoimavaltaiset vaihtoehdot.

näkökohdat: Vaatii merkittävää suunnitteluosaamista, mallintamista, prototyyppien luomista 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, autojen muuntimet, virtalähteet, moottorikäytöt

edut: Erittäin tehokas lämmönlevitys; kestää suuria tehotiheyksiä. Kestää mekaanista käyttöä. Halvemmat kustannukset kuin eksoottiset komposiitit.

Rajoitukset: Pääasiassa yksinkertaiset piirit; raskas; korroosioriski 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 lämmönpoistoominaisuudet kirkkaiden LEDien lämmön hallitsemiseksi. Mahdollistaa pienemmät LED-moduulit.

näkökohdat: Materiaalivalinta, jälkileveydet, reiän tulppa kaikki viritetty lämmönsiirtoa varten. Usein metalliytimet 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:een pitkiä aikoja varten; absorptionopeus voi vaikuttaa sähköisiin ominaisuuksiin. Häviö yli muutaman GHz.

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.

Hyödyt: Mahdollistaa pienihäviöisen lähetyksen 100 GHz asti; hallitsee dielektrisiä vakioita ja pieniä vinoutumista taajuuskaistoilla.

näkökohdat: Paljon korkeammat kulut; rajoitetut levykoot; vaaditaan haastavaa mallinnusta ja simulaatioita.

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:ssa pitkään; kestää äärimmäisiä syklejä. Matala lämpölaajeneminen. Materiaalit estävät hiiltymistä/vääristymistä. Korkea jäykkyys.

kompromissit: Erittäin kallista; 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 jatkuvaa tehotiheyttä. Kestää mekaanisia vaurioita.

Rajoitukset: Käytetään ensisijaisesti kustannusherkissä yksinkertaisissa piireissä minimaalisella reitityksellä; raskaampaa kuin komposiitit; riskiä galvaanisesta korroosiosta.

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.

Hyödyt: Pienempi häviö korkeilla taajuuksilla tai tasavirtatiheyksillä parantaa suorituskykyä; paksummat johtimet mahdollistavat tarvittaessa raskaamman pinnoituksen.

Kompromissit: Paljon pidemmät valmistusajat ja pienemmät tuotot lisäävät kustannuksia huomattavasti; koskee vain yksinkertaistettuja monisignaalikerroksen reitityksiä.

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.