Komplexný sprievodca hrúbkou PCB

Pri navrhovaní dosky plošných spojov často dominujú rozmery XY, ale rovnako dôležitá je os Z – celková hrúbka dosky plošných spojov. Celková hrúbka dosky určuje jej mechanickú tuhosť, schopnosti rozptylu tepla, integritu signálu (impedanciu) a výrobnú životaschopnosť. Nesprávne vypočítaná hrúbka dosky plošných spojov môže viesť k nesúladu impedancie, problémom s uchytením konektorov alebo k poruchám pokovovania počas výroby. Táto komplexná príručka skúma všetko, čo hardvéroví inžinieri a dizajnéri potrebujú vedieť o štandardnej hrúbke dosky plošných spojov, výpočtoch viacvrstvového skladania a o tom, ako optimalizovať hrúbku dosky pre aplikácie s vysokou spoľahlivosťou.

1. Anatómia hrúbky DPS: Čo vlastne meriate?

Celková hrúbka dosky plošných spojov nie je len jeden kus sklolaminátu. Je to kumulatívne meranie niekoľkých odlišných vrstiev laminovaných dohromady za vysokého tepla a tlaku. Pre presný výpočet a určenie konečnej hrúbky dosky musíte pochopiť príspevok každej zložky v zostave vrstiev.

Jadrový substrát

Jadro je pevný kus dielektrického materiálu (zvyčajne FR4, Rogers alebo polyimid) s medenou fóliou vopred spojenou na jednej alebo oboch stranách. Slúži ako konštrukčný základ dosky. Hrúbka jadra sa zvyčajne pohybuje od 0.1 mm do 1.2 mm. Vo viacvrstvovej doske je viacero jadier naskladaných na seba a ich kombinovaná hrúbka tvorí prevažnú časť celkovej hrúbky dosky plošných spojov.

Prepreg (dielektrická vzdialenosť)

Predimpregnované (prepregované) vrstvy sú listy zo sklenených vlákien napustené čiastočne vytvrdenou epoxidovou živicou. Počas procesu laminácie sa živica roztaví a spojí susedné jadrá alebo medené fólie. Hrúbka vytvrdenej prepregovanej vrstvy závisí od štýlu sklenenej väzby (napr. 1080, 2116, 7628) a obsahu živice, pričom sa zvyčajne pridáva 0.05 mm až 0.2 mm na list k celkovej hrúbke dosky plošných spojov.

Závažia z medenej fólie

Hrúbka medi sa meria v unciach na štvorcovú stopu (oz/ft²). Tento kov významne ovplyvňuje konečné meranie na osi Z, najmä pri konštrukciách s vysokou ťažbou medi.

• 0.5 oz medi: Hrúbka ~0.7 mil (18 µm).
• 1.0 oz medi: Hrúbka ~1.4 mil (35 µm).
• 2.0 oz medi: Hrúbka ~2.8 mil (70 µm).

Spájkovacia maska ​​a povrchová úprava

Hoci začínajúci dizajnéri často ignorujú tekutú fotozobraziteľnú spájkovaciu masku (LPSM) a povrchové úpravy (ako ENIG, HASL alebo imerzné striebro) pridávajú mikroskopickú, ale merateľnú výšku. Spájkovacia maska ​​zvyčajne pridáva 0.5 až 1.0 mil (12 – 25 µm) na holý substrát a o niečo menej na medené vodiče. Hoci je to pre nízkorýchlostné konštrukcie zanedbateľné, pri tesných mechanických krytoch alebo vysoko presných výpočtoch RF impedancie sa to musí zohľadniť.

2. Štandardná hrúbka dosky plošných spojov vs. zákazkové požiadavky

Nie všetky dosky plošných spojov sú si rovné. V závislosti od aplikácie – od flexibilného nositeľného zariadenia až po masívnu základnú dosku servera – si inžinieri môžu vybrať z rôznych hrúbok.

Priemyselný štandard 1.57 mm (0.062 palca)

Najbežnejšia štandardná hrúbka dosiek plošných spojov je 1.57 mm, často zaokrúhlená na 1.6 mm alebo 0.062 palca. Tento historický štandard vznikol v raných dobách elektroniky, keď sa bakelitové plechy vyrábali s hrúbkou presne 1/16 palca. Dnes zostáva 1.6 mm štandardnou voľbou pre väčšinu výrobcov, pretože ponúka ideálnu rovnováhu medzi mechanickou tuhosťou, dielektrickou vzdialenosťou a výrobnými nákladmi pre 2- až 6-vrstvové dosky.

Tenké dosky plošných spojov (0.2 mm až 1.0 mm) pre kompaktnú elektroniku

Keďže zariadenia internetu vecí, nositeľná elektronika a smartfóny vyžadujú čoraz miniaturizované komponenty, bežnými sa stali tenké dosky plošných spojov. Často sa používajú dosky s hrúbkou 0.4 mm, 0.6 mm alebo 0.8 mm.
Tenké dosky však prinášajú určité problémy: sú veľmi náchylné na deformáciu počas SMT pretavovania a počas montáže môžu vyžadovať špeciálne manipulačné prípravky.

Hrubé dosky plošných spojov (2.0 mm až 3.2 mm+) pre vysoké zaťaženie

Pre priemyselné riadiace systémy, automobilovú elektroniku a serverové základné dosky je potrebná hrubšia doska plošných spojov. Hrúbky ako 2.0 mm, 2.4 mm a 3.2 mm sa používajú na uloženie hrubých medených vrstiev (3 unce alebo viac) pre aplikácie s vysokým prúdom alebo na zabezpečenie mechanickej podpory pre ťažké súčiastky, ako sú veľké transformátory a konektory s vysokou hustotou.

3. Ako hrúbka dosky plošných spojov ovplyvňuje elektrický výkon

Pre vysokorýchlostné digitálne a RF/mikrovlnné návrhy nie je hrúbka DPS mechanickou preferenciou – je to prísna elektrická požiadavka.

Riadená impedancia a geometria trasy

Na dosiahnutie cieľovej charakteristickej impedancie (napr. 50 ohmov pre RF antény alebo 90 ohmov pre diferenciálne páry USB) musí byť šírka stopy matematicky prispôsobená hrúbke dielektrickej vrstvy oddeľujúcej stopu od jej referenčnej uzemňovacej roviny. Ak znížite celkovú hrúbku dosky plošných spojov, dielektrická vzdialenosť sa zmenší, čo vás núti použiť užšie stopy na zachovanie rovnakej impedancie. Naopak, hrubšia doska plošných spojov umožňuje širšie stopy, čo znižuje jednosmerný odpor a straty vodičov.

Kapacitné a energetické distribučné siete (PDN)

Vo vysokorýchlostných digitálnych obvodoch vytvára tesné umiestnenie napájacích a uzemňovacích plôch medzi rovinami kapacitu, ktorá funguje ako vysokofrekvenčný oddeľovací kondenzátor pre vaše integrované obvody. Tenšia doska plošných spojov alebo použitie ultratenkých jadier (napríklad 3 mil alebo 4 mil) medzi napájacou a uzemňovacou vrstvou výrazne zlepšuje výkon vašej PDN znížením zvlnenia napájacej lišty.

Vysokofrekvenčné RF a dielektrické straty

Vo vysokofrekvenčných konštrukciách (> 5 GHz) signál prechádza dielektrickým médiom. Hrubšie dielektrické substráty vedú k väčšiemu útlmu signálu (dielektrické straty). RF inžinieri často špecifikujú vysokofrekvenčné materiály (ako napríklad Rogersove lamináty) s presnými, tenkými profilmi (napr. 10 mil alebo 20 mil) pre vonkajšie RF vrstvy, aby sa minimalizovali vložené straty a zároveň sa optimalizovala celková hrúbka PCB s hybridnými štruktúrami FR4.

4. Mechanická pevnosť, tepelná hmotnosť a deformácia

Fyzické prostredie, v ktorom bude doska plošných spojov fungovať, určuje jej potrebné fyzické rozmery.

Tuhosť a odolnosť voči vibráciám

Odolnosť dosky plošných spojov voči ohybu sa exponenciálne zvyšuje s jej hrúbkou. V leteckom, automobilovom alebo robustných priemyselných aplikáciách, kde sú vibrácie neustále, zabraňuje doska plošných spojov s hrúbkou 1.6 mm alebo 2.0 mm mechanickému ohýbaniu. Nadmerné ohýbanie môže spôsobiť únavu spájkovaného spoja, čo vedie k občasným poruchám ťažkých súčiastok alebo krehkých puzdier BGA.

Tepelná hmota a rozptyl tepla

Riadenie tepla vo veľkej miere závisí od hrúbky dosky plošných spojov. Hrubšia doska má vyššiu tepelnú hmotnosť, čo jej umožňuje efektívnejšie absorbovať a rozvádzať teplo generované výkonovými zosilňovačmi, LED diódami alebo procesormi. Hrubšia doska navyše umožňuje väčšie tepelné priechody a hrubšie medené vrstvy, čo poskytuje lepšiu vodivú cestu k chladičom alebo hliníkovým krytom.

Prevencia deformácie (prehnutia a skrútenia)

Počas intenzívneho tepla SMT reflow spájkovania sa materiály rozťahujú. Ak je doska plošných spojov príliš tenká alebo ak je rozloženie medi asymetrické medzi vrstvami, doska sa zdeformuje. Normy IPC-A-600 uvádzajú, že maximálne povolené prehnutie a skrútenie pre dosky pre povrchovú montáž (SMT) je 0.75 %. Stanovenie robustnej hrúbky dosky plošných spojov a zabezpečenie symetrického skladania vrstiev sú najúčinnejšími spôsobmi, ako zabrániť deformácii, ktorá ničí zostavu.

5. Výrobné obmedzenia a dôsledky pre montáž

Predtým, ako sa rozhodnete pre svoj návrh, je dôležité pochopiť, ako sa bude zvolená hrúbka dosky plošných spojov spracovávať vo výrobnom závode.

Pomery strán vrtáka a spoľahlivosť PTH

Pomer strán dosky plošných spojov (PCB) je pomer hrúbky dosky k najmenšiemu priemeru vyvŕtaného otvoru. Napríklad doska s hrúbkou 1.6 mm a prechodkou s priemerom 0.2 mm má pomer strán 8:1. Štandardní výrobcovia môžu pohodlne pokovovať prechodky s pomerom strán 10:1. Ak navrhnete základnú dosku s hrúbkou 3.2 mm a pokúsite sa použiť prechodky s priemerom 0.2 mm (pomer 16:1), pokovovacie chémie sa bude len ťažko dostať do stredu valca prechodky, čo bude mať za následok slabé alebo prerušené elektrické spojenia.

Laminovacie cykly a registrácia

S rastúcim počtom vrstiev sa doska nevyhnutne stáva hrubšou. 16-vrstvová alebo 24-vrstvová doska vyžaduje viacero cyklov lisovania a presnú registráciu medzi vrstvami. Ak je doska nadmerne hrubá, počas lisovania môže dôjsť k posunu vnútornej vrstvy, čo môže spôsobiť vylomenie vrtákov. Výrobcovia musia starostlivo profilovať teplotu a tlak, aby zabezpečili správny tok živice v hrubej vrstve.

Depanelizovanie a párovanie konektorov

Štandardné konektory na okrajoch dosiek plošných spojov (ako napríklad PCIe prsty) sú špeciálne navrhnuté tak, aby pasovali na dosku s hrúbkou 1.6 mm (0.062″). Ak zadáte hrúbku 2.0 mm, jednoducho sa nezmestí do slotu. Hrúbka dosky plošných spojov navyše ovplyvňuje odpojenie panelov; hrubé dosky vyžadujú silné V-drážkovanie alebo frézovanie, zatiaľ čo veľmi tenké dosky sa môžu rozštiepiť alebo roztrhnúť, ak nie sú počas rozoberania správne podopreté.

6. Najlepšie postupy pre určenie hrúbky dosky plošných spojov

Pre zabezpečenie plynulého prechodu od prototypu k hromadnej výrobe dodržiavajte pri určovaní celkovej hrúbky dosky plošných spojov tieto odborné pokyny:

Vyvážte počet vrstiev s nákladmi

Netlačte dosku s vysokým počtom vrstiev do ultratenkého profilu silou, pokiaľ to nie je absolútne nevyhnutné. Stlačenie 10-vrstvovej dosky do hrúbky 0.8 mm vyžaduje extrémne drahé, ultratenké prepregy a jadrá, čo výrazne zvyšuje vaše výrobné náklady. Vždy, keď to vaše mechanické puzdro dovoľuje, držte sa štandardných hrúbok materiálov.

Jasne komunikujte tolerancie

Výroba dosiek plošných spojov zahŕňa fyzické materiály vystavené teplu a tlaku, preto nie je možné určiť presnú hrúbku. Štandardná tolerancia pre celkovú hrúbku dosiek plošných spojov v priemysle je ±10 %. Ak váš projekt zahŕňa tesné mechanické šasi alebo prísne požiadavky na impedanciu, uveďte požadované tolerancie vo výrobných poznámkach a súboroch Gerber.

Využite odbornú podporu výroby

At Highleap ElectronicsNáš inžiniersky tím denne pomáha dizajnérom s optimalizáciou ich vrstveného usporiadania. Či už navrhujete ultratenkú pevnú a flexibilnú dosku pre nositeľné zdravotnícke zariadenia, ktoré vyžadujú presné Služby reballovania BGA pre montáž DPSalebo pri výrobe 3.2 mm hrubého priemyselného ovládača z ťažkej medi poskytujeme kontroly DFM (Design for Manufacturing), aby sme zabezpečili vami zvolený Hrúbka PCB dokonale sa zhoduje s cieľovými hodnotami impedancie, limitmi pomeru strán a požiadavkami na konečnú montáž.

Vyžiadajte si kontrolu a cenovú ponuku Stackup ešte dnes

Keď sa projekt presunie z výskumu do RFQ, prehodnoťte Kontrola zostavy BGA a od prototypu po sériovú výrobu dosky plošných spojov aby požiadavky na materiál, proces a kontrolu zostali zosúladené.