Углубленный обзор конструкции ламината на печатной плате

Печатные платы являются основой современной электроники, обеспечивая платформу для беспрепятственного подключения и бесперебойной работы различных компонентов. В основе каждой печатной платы лежит сложная структура взаимосвязанных слоев, каждый из которых служит определенной цели, обеспечивая функциональность и надежность платы. Среди ключевых элементов конструкции печатной платы из ламината схемы компоновки играют решающую роль в определении конструкции платы. и электрические свойства. Понимание конструкции ламината для печатных плат необходимо разработчикам и производителям печатных плат для создания эффективных и высококачественных печатных плат.

Сущность печатной платы (PCB) заключается в ее сложной структуре, состоящей из нескольких слоев, соединенных между собой препрегами и материалами сердцевины.

Препрег, часто называемый пропитанными смолой листами стадии B, представляет собой частично отвержденный материал, состоящий из смолы, пропитанной в тонкие пленки. Он выполняет двойную функцию в производстве многослойных печатных плат : действует как клей для соединения внутренних проводящих элементов и обеспечивает межслойную изоляцию. Во время ламинирования эпоксидная смола препрега плавится, растекается и затвердевает, эффективно соединяя слои схемы и образуя надежный изоляционный барьер между ними.

С другой стороны, основной материал представляет собой фундаментальный элемент печатной платы — жесткую плату определенной толщины, ламинированную с обеих сторон медной фольгой. Типичная многослойная печатная плата изготавливается путем ламинирования чередующихся слоев основного материала и препрегов. Слои препрегов, образующие так называемые «пропитывающие» или импрегнационные слои, могут соединять несколько слоев основного материала вместе, и, несмотря на свою начальную толщину, они испытывают некоторую усадку в процессе прессования. Для конструкции с низкими потерями следует использовать технологию HVLP-печати медью через всю плату вместе с диэлектрическими слоями, поскольку шероховатость проводника также влияет на модель канала.

Обычно два крайних диэлектрических слоя многослойной печатной платы представляют собой слои пропитки, покрытые отдельными слоями медной фольги, служащими внешними проводящими плоскостями. Спецификации исходной толщины внешней и внутренней медной фольги обычно бывают 0.5 унции, 1 унции и 2 унции (при этом 1 унция составляет примерно 35 мкм или 1.4 мил). После последующей обработки толщина внешнего слоя медной фольги обычно увеличивается почти на 1 унцию, в то время как окончательная толщина внутренней медной фольги остается близкой к исходному значению, но может немного уменьшиться из-за травления.

Самый внешний слой многослойной печатной платы состоит из паяльной маски , которую в просторечии называют «зеленым маслом», хотя она может быть также желтой или других цветов. Толщину паяльной маски сложно точно определить: она толще в областях без меди, чем в областях с медью, однако выступы меди все еще заметны при тактильном осмотре поверхности печатной платы.

Параметры и материалы печатной платы

У разных производителей существуют различия в параметрах печатных плат, что требует общения с инженерами заводов по производству печатных плат для получения конкретных данных, в первую очередь уделяя особое внимание диэлектрической проницаемости и толщине паяльной маски, которые могут варьироваться от одного производителя к другому.

Доступные толщины внешнего слоя медной фольги составляют 12 мкм, 18 мкм и 35 мкм. После обработки эти значения обычно дают конечную толщину около 44 мкм, 50 мкм и 67 мкм, что примерно эквивалентно 1 унции, 1.5 унции и 2 унциям меди соответственно. Обратите внимание, что при использовании программного обеспечения для расчета импеданса в качестве управляющего параметра отсутствует возможность выбора толщины меди 0.5 унции для внешних слоев.

Основной материал. Обычно используется материал S1141A, стандартный материал FR-4, двухстороннее медное покрытие, с возможностью выбора характеристик, которые можно уточнить непосредственно у производителя.

Препреги выпускаются с различными исходными характеристиками толщины, такими как 7628 (0.185 мм/7.4 мил), 2116 (0.105 мм/4.2 мил), 1080 (0.075 мм/3 мил) и 3313 (0.095 мм/4 мил). При фактическом сжатии толщина обычно уменьшается примерно на 10-15 мкм (0.5-1 мил), поэтому минимальная толщина диэлектрического слоя в многослойной конструкции не должна быть меньше 3 мил. Для одного слоя пропитки можно использовать до трех препрегов, при этом ни один из трех не может иметь одинаковую толщину; можно использовать как минимум один препрег, хотя некоторые производители требуют минимум два. Если толщина препрега недостаточна, медную фольгу с обеих сторон сердечника можно удалить травлением, а затем повторно прикрепить с помощью препрегов, получив более толстый слой пропитки. Диэлектрическая постоянная препрегов изменяется в зависимости от их толщины, и в следующей таблице приведены толщины различных моделей и соответствующие им диэлектрические постоянные:

Диэлектрическая проницаемость ламината зависит от используемого полимерного материала; Платы FR4 обычно имеют диапазон диэлектрической проницаемости от 4.2 до 4.7, который уменьшается с увеличением частоты.

Толщина защитного слоя припоя над медной фольгой, обозначаемая как C2, составляет приблизительно 8-10 мкм. Толщина защитного слоя припоя в областях без меди, C1, варьируется в зависимости от толщины поверхностной меди и составляет около 13-15 мкм для меди толщиной 45 мкм и около 17-18 мкм для меди толщиной 70 мкм. При расчете с помощью SI9000 достаточно значения толщины защитного слоя припоя 0.5 унции.

Поперечное сечение проводника. Из-за травления поперечное сечение проводников имеет не прямоугольную, а трапециевидную форму. Например, в верхнем слое, когда толщина медной фольги составляет 1 унцию, верхняя граница трапеции примерно на 1 мил короче нижней. Таким образом, если расчетная ширина линии W = 5 мил, верхняя ширина составит приблизительно 4 мил, а нижняя — 5 мил. Разница между верхней и нижней границами зависит от толщины меди, как показано в таблице ниже при различных условиях:

Расчеты импеданса. В типичных расчетах импеданса используются следующие модели:

• Модель микрополосковой линии
• Полосковая модель

В микрополосковой модели существуют и другие конфигурации, в том числе неиспользуемая модель без покрытия. Диэлектрические проницаемости Er1 и Er2 в иллюстрированной модели зависят от конкретной используемой модели препрега; Ключевые модели перечислены ранее, а подробные параметры необходимо получить непосредственно у производителя печатной платы.

Когда проект переходит от стадии исследования к этапу запроса предложений (RFQ), необходимо пересмотреть выбор ламината для печатных плат и сборку BGA с малым шагом выводов, чтобы требования к материалам, процессу и контролю качества оставались согласованными.

В целом, понимание сложной структуры и материалов печатной платы (PCB) имеет решающее значение для проектирования и производства высококачественных электронных устройств. Препреги и материалы сердечника играют важную роль в склеивании слоев и обеспечении изоляции, в то время как медная фольга и припои способствуют проводимости и защите печатной платы.

Различия в параметрах печатных плат и материалах среди производителей подчеркивают важность коммуникации и получения конкретных данных для каждого проекта. Схемы стека служат бесценным инструментом, предоставляющим представление о конструкции и электрических свойствах печатной платы.

Понимая ключевые элементы структурных схем, проектировщики могут обеспечить целостность и надежность своих конструкций печатных плат, что в конечном итоге приведет к созданию более производительных и надежных электронных устройств.