Друкована плата – що є ключовим компонентом у виробництві електроніки? (Ч.1)
Який процес замовлення друкованої плати та складання компонентів друкованої плати? Які проблеми? Відповіді на ці запитання розглянемо нижче.
Друковані схеми сьогодні супроводжують нас всюди. Вони присутні в смартфонах, комп’ютерах, побутовій техніці, а також в медичних приладах і літаках. В епоху мініатюризації електроніки та зростаючої складності конструкцій плат як постачальники друкованих плат, так і заводи, що збирають друковані схеми, задовольняють потреби клієнтів, пропонуючи інноваційні технологічні рішення та матеріали. Який процес замовлення друкованої плати та монтажу компонентів друкованої плати – розглянемо більш детально.
Що таке друкована плата (PCB)?
PCB (Printed Circuit Board) — це друкована плата з електронними з’єднаннями (також звані трасами) і точками пайки, які бувають двох форм. Перша форма точок – це контактні площадки, які використовуються для поверхневого монтажу, друга – отвори, які використовуються для наскрізного монтажу. Потім електронні мікросхеми монтуються на друкованій платі. Тоді ми говоримо про PCBA (Printed Circut Board + Assembly), тобто друкована схема + монтаж.
Покрокове конструювання друкованої плати
Перше питання. Які ключові параметри та особливості друкованої плати дизайнер повинен включити у виробничий проект?
Види ламінатів – в залежності від призначення схеми використовують різні види ламінатів і матеріалів. Їх можна класифікувати як за популярністю, так і за цікавим дизайном.
- Ламінат FR-4 – ламінат загального призначення; від простої електроніки до виробів медичного та військового призначення, які не висувають вимог до високих частот або високої теплоємності схеми. Цей тип характеризується температурою склування Tg 140⁰C. Ламінат фірми Isola FR408, який використовується в радіосхемах, має кращі частотні властивості, ніж FR4.
- Ламінат RIGID FLEX – відносно новий вид ламінату, представлений на ринку. Його дизайн відрізняється від стандартного. Всередині замість звичайного сердечника з ламінату FR4 є гнучка частина з поліамідним сердечником, на який розміщені мідні фольги, вкриті смолою. Потім сконструйована таким чином основа покривається жорстким ламінатом FR-4. Розташування шару FLEX може бути асиметричним – кількість мідних шарів з обох боків гнучкого сердечника не має бути однаковою. Це рішення дозволяє спростити конструкції, в яких кілька плат з’єднані роз’ємами. Ламінати FLEX є гнучкими – вони дозволяють багаторазово згинати гнучкі частини без ризику їх пошкодження.
- Ламінат SEMI-FLEX – на відміну від ламінату RIGID-FLEX не має поліамідної серцевини. Спеціально підготовлена частина ламінату FR-4, покрита гнучкою паяльною маскою, згинається. У цьому випадку кількість циклів згинання сильно обмежена. Цей тип ламінату призначений для одноразового формування гнучкої частини під час монтажу, наприклад, у корпусі. Подальше згинання ламінату може призвести до його пошкодження.
- Ламінат PTEF – це спеціалізований RF ламінат з кераміки або тефлону. Він призначений для виробництва мікрохвильових схем. Ці ламінати демонструють найкращі частотні властивості та найвищу температуру склування.
- Алюмінієві та мідні ламінати – це спеціальні ламінати, які використовуються там, де в електронній схемі встановлено компоненти високої потужності, наприклад, транзистори, які виділяють велику кількість тепла. У такому ламінаті серцевина виконана з ізольованої алюмінієвої або мідної плати.
- Ламінати HDI – не виділяються з-поміж інших використанням нетрадиційного матеріалу – зазвичай це ламінати FR-4 з кращими тепловими та частотними властивостями або ламінати фірми Isola чи Rogers. Однак вони мають вищу Tg, ніж стандартні ламінати FR-4, досягаючи 185⁰C, тому їх рекомендують для багатошарових конструкцій друкованих плат. Про них варто пам’ятати там, де на поверхні ламінату дуже щільне розташування компонентів.
Шари друкованої плати – друкована плата побудована як торт або бутерброд. Прямо посередині знаходиться ядро. Воно покрито одним (одношарові плати) або з двох сторін чергуванням шарів мідної фольги з витравленою мозаїкою доріжок і так званим препрегом – композитним волокном, просоченим смолою. Під час виробництва друкованих плат підготовлені таким чином стопки шарів з’єднуються в пресі під впливом високого тиску і високої температури. Залежно від складності дизайну розрізняють наступні види плат:
- 1-шарові – мідний шар із доріжками та контактними площадками лише з одного боку ламінату
- 2-шарові – мідний шар з доріжками і контактними площадками розташований з обох сторін ламінату
- багатошарові – у випадку, коли компоненти на платі дуже щільні, просто не вистачає місця, щоб прокласти всі шляхи по поверхні одного або двох шарів. Це рішення особливо популярно, коли використовуються великі BGA-системи. Залежно від кількості та типу систем, що використовуються, кількість шарів може бути 4, 6 або 8, але є проекти, де необхідно використовувати 16 або навіть 20 шарів міді.
Використання пристрою за призначенням вимагає певної товщини шару. Наприклад, у ланцюгах живлення, де передбачається проходження сильних струмів, шари міді будуть товщі, ніж у стандартних трактах сигналу. Товщина мідного шару виражається в унціях (Oz) або мікрометрах (мкм). За замовчуванням (під час пресування друкованої плати товщина як мідної фольги, так і препрегів може дещо зменшитися) кінцева товщина зовнішнього мідного шару, включаючи фінішне покриття, становить 35 мкм (1 унція), те саме для внутрішніх шарів. Якщо цього вимагає проект, товщина як зовнішнього, так і внутрішнього шарів може бути збільшена, наприклад, до 70 мкм, а в крайньому випадку до 105 мкм або 210 мкм. Також можна зменшити товщину міді до 0,25 унцій.
Кількість і товщина шарів також пов’язані з шириною доріжок і відстанями між доріжками та шарами ламінату. Ці критерії мають вирішальне значення для підтримки заданих імпедансів траси. Це важливо для того, щоб позбутися перешкод, які можуть виникати в ланцюзі та мати негативний вплив на роботу електронних систем, встановлених на ламінаті.
Отвори – щоб з’єднати два або більше шарів, необхідно використовувати отвори (Via) між окремими шарами. Перехідні отвори – це отвори, стінки яких покриті металізацією, завдяки чому вони забезпечують електричний зв’язок між певними шарами. Стандартні отвори виготовляються за технологією свердління, а мікроотвори – через технологічні обмеження – виготовляються за допомогою лазера. Існує 7 типів отворів (від типу I до типу VII), які відрізняються способом їх покриття або заповнення. Варто відзначити, що отвори можуть бути закриті з одного або двох сторін. За способом з’єднання шарів їх можна розділити на кілька основних типів:
- Наскрізні отвори – з’єднують між собою зовнішні мідні шари.
- Глухі отвори – з’єднують вибрані шари. Це може бути зв’язок між зовнішнім і внутрішнім шарами або між конкретними внутрішніми шарами.
- Заглиблені отвори – з’єднують між собою внутрішні шари. На відміну від глухих отворів, виготовлення отворів цього типу вимагає свердління певних шарів ламінату.
- Мікроотвори – мають дуже малий діаметр; ці отвори можна зробити лише за допомогою лазера. Також можуть бути сліпі та приховані мікроотвіри.
- Отвори, зроблені в контактних площадках – найчастіше використовуються для підключення сигналів від систем BGA
Контактні площадки та отвори – на цьому етапі розробник друкованих плат створює зовнішні шари міді (або один зовнішній шар у випадку одношарових плат), на яких розміщуються: контактні площадки, тобто точки пайки для поверхневого монтажу компонентів, а також отвори – для монтажу через отвір або для позиціонування та механічного монтажу в корпусі чи цільовому місці монтажу, наприклад, на іншій друкованій платі.
На цьому етапі дуже важливо вибрати розмір і форму контактних площадок для компонентів, які використовуються в проекті. З точки зору поверхневого монтажу це дуже сильно впливає на правильну пайку елементів. Створення відбитка на друкованій платі (розташування контактів електронного компонента), який не відповідає фактичному відбитку компонента, може призвести до неправильного спаювання компонента, наприклад, утворення так званих надгробків пасивних елементів. Це також може запобігти припаюванню компонента до друкованої плати. Така ж ситуація буде, якщо контактні площадки занадто малі. Дотримання недостатньої відстані між контактними площадками у випадку корпусів SOP, SOT, QFN або QFP може призвести до короткого замикання між контактами схеми.
Отвори можна розділити на:
- Plating Through Hole (PTH) – отвори з металізацією, що проходять через плату, створюючи електричний зв’язок між шарами. Вони використовуються для монтажу наскрізних елементів, наприклад, електролітичних конденсаторів, реле, котушок і різних типів з’єднувачів. У випадку з останніми варто згадати про роз’єми Press-fit, у яких штирі не припаяні, а запресовані в металізовані отвори. У цьому випадку точність виконання таких отворів має вирішальне значення для забезпечення довговічності та правильності монтажу роз’ємів.
- Non Plating Through Hole (NPTH) – отвори без металізації, що проходять наскрізь, не створюючи електричного з’єднання. Найчастіше використовується для розміщення компонентів на друкованій платі або монтажу самої плати в корпусі чи іншому місці призначення.
Отвори можуть мати різну форму та розмір залежно від застосування. Як і у випадку з контактними площадками, дуже важливо підтримувати відповідний слід у конструкції, щоб забезпечити правильну збірку компонентів.
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
Лайкнуть
Твитнуть