Sollten Sie dickes oder dünnes FR4 für Ihr PCB-Substrat verwenden?

Wenn Sie jemals zusammen mit Ihren Kindern einen Kuchen gebacken haben, wissen Sie, dass die Dicke des Teigs wichtig ist. Zu dünn, und der Kuchen zerfällt in ein Durcheinander aus Füllung. Zu dick, und man könnte genauso gut auf einem Laib Brot herumkauen. Die richtige Dicke zu finden, macht einen Kuchen erst genießbar.

Auch wenn die Substratmaterialien einer PCB nicht leitend sind und keinen Strom führen, bestimmt die Dicke Ihres FR4-PCB-Substrats die strukturelle Stärke der Platine, beeinflusst aber auch die Leistungs- und Signalintegrität. Ihre Aufgabe als Designer ist es, die richtige Kombination von Laminaten für den Stackup zu finden, sodass die Platine die gewünschte Dicke hat, und Sie werden nicht jede beliebige Dicke für Ihre PCB erreichen können. Wenn Sie unsicher sind, welche Dicke Sie für Ihre Platine verwenden sollten und wie dick oder dünn sie sein kann, lesen Sie diese Richtlinien zur FR4-Dicke.

Designüberlegungen zur FR4-Dicke

Die Standarddicke von Leiterplatten beträgt 1,57 mm. Einige Hersteller bieten auch spezifische Dicken von 0,78 mm oder 2,36 mm an. Wenn wir von "dickem" oder "dünnem" FR4 sprechen, vergleichen wir in der Regel mit der Standarddicke von 1,57 mm. Solange der Prozess Ihres Herstellers dies zulässt, können Sie jede Dicke für Ihre Leiterplatten wählen, indem Sie verfügbare Kern- und Prepreg-Laminatdicken in Ihrem PCB-Stackup kombinieren.

Bevor Sie mit der Auswahl von Laminaten beginnen und Ihren Lagen-Stackup entwerfen, denken Sie über die folgenden Aspekte Ihres Designs nach, die mit der Plattendicke zusammenhängen:

Formfaktor

Hat Ihre Leiterplatte strenge Formfaktor-Anforderungen oder muss sie in ein sehr schlankes Gehäuse passen? Einige Designs erfordern eine dickere Platine, um schwerere Komponenten zu unterstützen, mechanisch rauen Umgebungen standzuhalten oder in ihre mechanischen Halterungen zu passen (High-Speed-Backplanes für militärische und luft- und raumfahrttechnische Embedded-Systeme sind ein Beispiel). Diese Einschränkungen können Ihre Plattendicke auf spezifische Werte begrenzen.

Komponenten und Randverbindungen

Werden die Geräte Komponenten enthalten, die eine spezifische Dicke der Leiterplatte erfordern? Komponenten wie Randverbinder und sperrigere Durchsteckkomponenten wie Hochstromtransformatoren erfordern, dass der PCB-Stackup die korrekte Dicke hat. Einige Datenblätter und Anwendungshinweise von Komponenten können eine minimale PCB-Dicke für eine spezifische Komponente aus verschiedenen Gründen angeben, und diese sollten beim Entwerfen des PCB-Stackups berücksichtigt werden.

Ein Beispiel für eine Komponente, bei der dies wichtig ist, ist ein SMA-Randverbinder, der unten gezeigt wird. Bei diesem Verbinder sind die oberen und unteren Speichen am Verbinderkörper so konzipiert, dass sie PCBs mit einer Dicke von ~60-70 mil aufnehmen. Sie können diesen Wert nicht überschreiten, wenn Sie diesen spezifischen Typ von Verbinder verwenden möchten, in diesem Fall müssten Sie einen lochmontierten Stil von SMA verwenden. Sie können unter diesen Wert gehen, aber dann verlieren Sie etwas von der mechanischen Stärke, die mit diesem Stil von Randverbinder verbunden ist, was einer seiner Hauptvorteile ist.

SMAs gehören zu den bekanntesten Arten von Randsteckverbindern, aber es gibt auch andere Stile, die als oberflächenmontierte Bauteile am Rand montiert werden, oder sie verwenden eine gefräste Aussparung, die eine Presspassungsmontage ermöglicht. Wahrscheinlich einer der weltweit am häufigsten verwendeten Steckverbinder, die USB-Steckverbinder, sind ein erstklassiges Beispiel für den letzteren Typ von Steckverbinder, der auf eine spezifische PCB-Dicke angewiesen ist.

Das Bild unten zeigt einen PCB-Fußabdruck für einen USB-Steckverbinder mit seinen für die Montage gezeigten gefrästen Löchern. Diese Löcher sind standardisiert und werden in der mechanischen Zeichnung für einen am Rand einer PCB montierten USB-Steckverbinder dargestellt. Die Laschen, die durch diese Löcher passen, helfen dabei, das Bauteil am Rand der PCB zu halten.

Der letzte Typ von Randmontageverbindung, der in einer PCB verwendet werden kann, erfolgt mit Goldfingern entlang des PCB-Randes. Diese Platinen werden an einen Steckplatzstecker montiert, der Kontakt mit den Goldfingern entlang des Platinenrandes macht, und diese Steckverbinder erfordern, dass die Gesamtdicke der Platine innerhalb eines spezifischen Bereichs liegt. Die meisten Designer werden mit den Goldfingern entlang von RAM-Modulen, PCIe-Karten, Tochterkarten, Solid-State-Drives und Schlüsselschachtsteckverbindern vertraut sein.

Spurimpedanz

Der Abstand zwischen einer Leiterbahn und ihrer nächstgelegenen Referenzebene (auf einer angrenzenden Schicht) bestimmt die Impedanz der Leiterbahn sowie das Niveau der dielektrischen Verluste in mehrlagigen Platinen. Eine geringere Schichtdicke erfordert dünnere Leiterbahnen. Wenn Sie eine spezifische Leiterbahnbreite entwerfen möchten, beispielsweise um einen bestimmten Stecker oder ein IC-Gehäuse zu berücksichtigen, dann sollten Sie die erforderliche Schichtdicke in Betracht ziehen, um die gewünschte Breite zu unterstützen.

Es kann vorkommen, dass die benötigte Schichtdicke nicht die Dicke der Platine ändert, aber das hängt von den verfügbaren Kern- und Prepreg-Laminatdicken ab. Es ist am besten, mit Ihrer Fertigungsstätte zu überprüfen, welche Laminate sie zur Verfügung haben und um diese Laminatdicken herum zu entwerfen, anstatt eine spezifische Dicke in Ihrem Design festzulegen und zu erwarten, dass diese Dicke herstellbar ist.

Der Vorbehalt dabei ist, ob Sie auf eine Produktliste des Laminatherstellers zugreifen können. Einige Laminatproduzenten stellen eine lange Liste ihrer verfügbaren Kerne und Prepregs zur Verfügung, die Dickenwerte enthalten. Solange Sie dies mit Ihrem Fertigungsbetrieb abklären, können Sie definitiv aus diesen Listen auswählen und Ihren eigenen Stackup vorschlagen. Stellen Sie nur sicher, dass Ihr Fertiger die Materialien vorrätig hat und über die Verarbeitungskapazitäten verfügt, die benötigt werden, um Sie bei diesem Ansatz zu unterstützen. Eine Beispiel-Liste, die Sie von einem Laminatlieferanten finden könnten, ist unten gezeigt; diese Liste zeigt einen Querschnitt der Kern- und Prepreg-Daten für FR408-Materialien von Isola.

Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-PCBs

Wenn Sie mit einem Hochgeschwindigkeitsgerät arbeiten, ist FR4 nicht immer die beste Option, und ein anderes Material mit geringen Verlusten könnte wünschenswert sein. Wenn die Verbindungslänge kurz ist, dann werden die Verluste von dem Rückflussverlust am Lastkomponenten dominiert, sodass spezielle Laminat mit geringen Verlusten nicht so wichtig sind. Bei längeren Verbindungen werden die Gesamtverluste von dem Einfügungsverlust dominiert, sodass die Verwendung eines Laminats mit dem geringsten Verlust helfen wird, die Verbindungslänge zu maximieren.

Die Berücksichtigung dieser Punkte erfordert die Beachtung der gleichen Aspekte wie bei der Impedanz von Leiterbahnen. Die Dicke der Schicht ist wichtiger als die Gesamtdicke der Platine, aber die Gesamtdicke der Platine wird dennoch durch Ihre Kombination von Schichten bestimmt. Wenn Sie planen, dicke oder dünne Laminate zu verwenden, denken Sie darüber nach, wie die Schichtdicke die Verluste beeinflusst. Bei Hochgeschwindigkeits-Mikrostreifen wird eine dickere dielektrische Schicht mehr Feldlinien im Substrat einschließen, wodurch die Verluste größer werden.

Thermische Ausdehnung, Durchkontaktierungs-Aspektverhältnis und Fertigbarkeit

Der nächste Punkt, in dem die Dicke der Platine in Bezug auf Fertigbarkeit und Zuverlässigkeit betrachtet werden sollte, bezieht sich insbesondere auf thermische Ausdehnung und Durchkontaktierungen. Alle Materialien dehnen sich aus, wenn sie auf höhere Temperaturen erhitzt werden, einschließlich der Durchkontaktierungen auf einer PCB. Dies ist besonders wichtig für Durchgangsbohrungen, die komplett durch den Schichtstapel gebohrt werden müssen. Abhängig von der Dicke der Platine und der Lochgröße gibt es zwei Kompromisse, die Sie beim Dimensionieren von Durchkontaktierungen berücksichtigen müssen:

• Größere Aspektverhältnisse können schwerer zu beschichten sein, und eine dickere Platine wird ein größeres Aspektverhältnis bei einer gegebenen Lochgröße haben
• Ein größeres Loch ist einfacher zu bohren und zu beschichten, selbst wenn die Platine dicker ist
• Wenn die Platine zu dick ist, könnten die Kosten in großen Mengen aufgrund von Werkzeugverschleiß steigen
• Der Hersteller könnte die Wurfkraft im gepulsten Beschichtungsprozess ändern, um hohe Aspektverhältnisse zu berücksichtigen

Durchkontaktierungen mit hohen Aspektverhältnissen (10:1 oder größer) sind anfällig für Ausfälle unter thermischer Belastung in der Nähe der Mitte des Via-Zylinders aufgrund von thermischer Ausdehnung, wenn sie nicht korrekt beschichtet sind. Der Hersteller, den Sie verwenden, sollte Erfahrung im Umgang mit Vias mit hohem Aspektverhältnis in ihrem Fertigungsprozess haben, um sicherzustellen, dass Sie eine zuverlässige PCB erhalten, die unter thermischer Belastung nicht ausfällt. Bevor Sie eine dicke Platine versenden, stellen Sie sicher, dass sie die Fähigkeit haben, Ihre Vias mit ausreichender Wandbeschichtung herzustellen, um ein Versagen zu verhindern.

Offensichtlich gibt es eine Reihe von Design-Kompromissen, die berücksichtigt werden müssen, wenn man die PCB-Dicke eines FR4-Boards, die Standarddicke der Schichten und das Laminatmaterial auswählt. Die CAD-Tools und die Regelnprüfungsfunktionen in Altium Designer^® erleichtern es, Ihr Gerät um die Standarddicke von FR4 zu entwerfen. Um mehr zu erfahren, sprechen Sie heute mit einem Experten bei Altium Designer.