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 составляет основу печатной платы — жесткая плата определенной толщины и медная фольга, ламинированная с обеих сторон. Типичная многослойная печатная плата изготавливается путем ламинирования чередующихся слоев сердцевины и препрегов. Слои препрега, которые образуют то, что мы называем «пропиточными» слоями или слоями пропитки, могут скреплять вместе несколько внутренних слоев, и, несмотря на первоначальную толщину, они испытывают некоторую усадку в процессе прессования.

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.