DFM w doborze materiałów PCB

Każdy projekt powinien rozpocząć się od wyboru materiałów, które znajdą się w stosie PCB, oraz od ułożenia warstw w stosie w sposób wspierający układ i trasowanie. Ta sekcja naszego kursu wprowadzającego do produkcji PCB i DFM skupia się na wyborze odpowiednich materiałów dla Twojego projektu PCB. Materiały powinny być wybierane z uwzględnieniem konkretnych wymagań projektowych określonych w Twoich specyfikacjach.

Dla skrótu nowego projektanta, skupimy się głównie na FR-4, ponieważ jest to najczęściej używana klasa materiałów do projektowania PCB.

Podstawowy proces wyboru materiałów

Zanim wybierzesz materiały, ważne jest, aby zauważyć, że producent musi mieć je na stanie, zanim zdecydujesz się włączyć je do swojego projektu. Jeśli Twój projekt wymaga określonych typów materiałów, i masz konkretne wymagania dotyczące tych materiałów w Twoim stosie PCB, powinieneś skontaktować się z producentem i sprawdzić, czy mają te materiały na stanie lub czy istnieje kompatybilna alternatywa. Nie wszyscy producenci mają w ofercie każdy możliwy materiał, i mogą nie mieć procesu kompatybilnego z każdym materiałem. Co więcej, nie zawsze można dowolnie mieszać i dopasowywać każdy materiał w stosie. Ważne jest, aby skontaktować się z producentem w celu uzyskania porad, aby upewnić się, że projekt, który tworzysz, będzie możliwy do wyprodukowania w standardowych procesach.

IPC określiło wymagania dotyczące kompatybilności materiałów w standardach IPC-4101 oraz IPC-4103. Standardy te wymagają od producentów laminatów tworzenia "slash sheets", które wymieniają specyficzne właściwości materiałów i wymagania dotyczące przetwarzania. Producenci laminatów będą projektować swoje materiały tak, aby odpowiadały jednemu z tych arkuszy. Pozwala to producentowi natychmiast wiedzieć, kiedy dwa materiały będą kompatybilne i mogą być zastąpione przez siebie.

• Dowiedz się więcej o arkuszach IPC i standardach IPC-4101/IPC-4103

Projektując PCB, należy rozważyć kilka wyborów materiałów w oparciu o unikalne potrzeby projektu. Przed wyborem materiału zaleca się najpierw zdefiniowanie funkcjonalności i wymagań niezawodnościowych, które musi spełniać twoja płyta. Zobacz poniższy schemat blokowy typowego procesu wyboru materiału.

Szczegółowe właściwości materiałów PCB

Relewantne właściwości materiałów dla PCB dzielą się na trzy kategorie:

• Elektryczne
• Termiczne
• Mechaniczne

Na materiałach elektrycznych skupia się większość projektantów, ponieważ często starają się osiągnąć określony cel impedancji (dla projektów wysokiej prędkości), cel strat sygnału lub mocy loss target (dla projektów wysokiej częstotliwości), napięcie przebicia (dla projektów wysokiego napięcia) lub pewną kombinację tych elementów. Materiały elektryczne są ważne, ale z punktu widzenia DFM, właściwości mechaniczne i termiczne muszą być znane producentowi, aby mógł on uwzględnić je w procesie fabrykacji.

Zakład produkcyjny, który wyprodukuje twoją płytkę z układem wytrawionym, musi wiedzieć, jak wdrożyć wybór twoich materiałów do swojego procesu. Jeśli sam wybierasz materiały, dlatego najlepiej jest skontaktować się bezpośrednio z zakładem produkcyjnym i poprosić ich o ocenę twojego układu warstw. W przypadku, gdy nie mogą wyprodukować układu warstw tak, jak został zaprojektowany, często mogą zaproponować alternatywny zestaw materiałów, alternatywny układ warstw, lub często mogą zapewnić standardowy układ warstw.

• Dowiedz się więcej na temat określania wymagań dotyczących stosu warstw dla zakładu produkcyjnego

Najważniejsze właściwości, które należy wziąć pod uwagę przy wymaganiach elektrycznych, to wytrzymałość elektryczna, stała dielektryczna oraz odporność na wilgoć. Zapoznaj się z poniższą tabelą, aby zobaczyć listę niektórych z bardziej powszechnych materiałów i ich związane wartości właściwości. Pamiętaj, aby skonsultować się z producentem w celu uzyskania bardziej szczegółowych danych na temat właściwości elektrycznych, jeśli masz specjalne wymagania, takie jak projekt wysokiego napięcia lub projekt wysokiej częstotliwości.

Dla niektórych projektów wymagających wysokiej niezawodności, środek utwardzający i zawartość żywicy to dwa inne ważne czynniki. Jest to szczególnie prawdziwe dla projektów wysokiego napięcia, które nie mają wystarczająco dużo miejsca na duże odstępy między przewodnikami w układzie PCB. Dwa powszechne środki utwardzające używane w materiałach laminatowych PCB to DICY i środki utwardzające na bazie fenolu. Fenole są preferowane w układzie wysokiego napięcia, ponieważ środek utwardzający jest znany z produkcji sztywnego materiału, który może oprzeć się awarii przez przewodzące nici anodowe (CAF). Jeśli masz specjalny projekt, nie zaszkodzi uzyskać rekomendację producenta, który system materiałowy użyć, aby zapewnić niezawodność.

Typy folii miedzianych

Istnieje wiele rodzajów folii miedzianych używanych w laminatach płytek drukowanych. Najczęściej stosowana jest folia miedziana elektrolitycznie osadzana (ED) ze względu na łatwość produkcji i aplikacji na laminacie PCB. Większość materiałów będzie używać tego typu miedzi. Typ miedzi używany w laminacie to nie coś, co jako projektant możesz dowolnie mieszać i dopasowywać z różnymi laminatami. Wybierając laminaty, prawie zawsze będą one dostarczane z jednym typem miedzi i nie będziesz mógł zastąpić jej żadną alternatywą.

Jednym z wyjątków są niektóre materiały na bazie PTFE dla PCB wysokiej częstotliwości. Dostawcy tych materiałów wiedzą, że ich zestawy materiałów są ogólnie używane w projektach wysokich częstotliwości, więc mają tendencję do oferowania wielu opcji z różnymi typami miedzi. Innym standardowym typem miedzi używanym w tych materiałach jest miedź walcowana i wyżarzana (RA), chociaż laminaty dla PCB wysokiej częstotliwości mogą również mieć miedź z obróbką powierzchniową, która ma bardzo gładki profil.

• Dowiedz się więcej o typach miedzi w materiałach laminatów PCB

Producenci zwykle oferują różne rodzaje folii do wyboru, najczęściej elektrolitycznie osadzaną i walcowaną. Płyty sztywne zwykle używają folii miedzianej elektrolitycznie osadzanej, podczas gdy płyty sztywno-elastyczne używają folii miedzianej walcowanej.

Ciężar miedzi

Miedź jest umieszczana na laminatach PCB w określonej grubości, ale często jest to określane jako ciężar miedzi w uncjach na stopę kwadratową. Typowe wartości ciężaru miedzi, które można znaleźć w większości płytek obwodów, to 0,5 lub 1 uncja na stopę kwadratową. Jeśli potrzebny jest cięższy ciężar miedzi, zakład produkujący płytki obwodów będzie musiał mieć materiały z grubszą miedzią dostępną, albo będzie musiał użyć procesu platerowania, który osadza miedź do wymaganej grubości.

Ciężar miedzi wpłynie na produkcję, ale wpłynie również na temperaturę równowagi PCB, w zależności od ilości prądu przewodzonego przez ścieżkę. Ponieważ ścieżki miedziane mają pewną oporność stałą, będą produkować pewne straty mocy, które zostaną przekształcone w ciepło. Rezultatem jest to, że szersza ścieżka będzie mogła przenosić wyższy prąd.

Jako przykład, poniższa para wykresów może być użyta jako odniesienie do zrozumienia zdolności przenoszenia prądu przez wewnętrzne warstwy dla typowych grubości miedzi i poziomów temperatury powyżej otoczenia. Te wykresy zakładają ścieżkę na standardowym laminacie klasy FR-4 bez innej miedzi w pobliżu. Każda linia na górnym wykresie odpowiada wzrostowi temperatury powyżej wartości otoczenia, którego można się spodziewać dla każdej pary wartości obszaru ścieżki i prądu widocznych wzdłuż osi x i y.

Dwa przykłady są przedstawione, aby zilustrować, jak używać tego obrazu:

• Czerwona krzywa: Ta krzywa pokazuje, że ścieżka o szerokości około 140 mil wykonana z miedzi 1 oz./sq. ft. spodziewałaby się wzrostu temperatury o około 10 stopni, jeśli przewodziłaby 3 A.
• Czerwona krzywa: Ta krzywa pokazuje, że ścieżka zaprojektowana do przewodzenia prądu 1 A doświadczy wzrostu temperatury o około 30 stopni, jeśli została wykonana z 0.5 oz./sq. ft. miedzi przy szerokości ścieżki około 40 mil.

Warto tutaj zwrócić uwagę na coś ważnego: te wykresy zazwyczaj są bardzo konserwatywne i mogą przeszacować temperaturę, jakiej można się spodziewać na płytce podczas jej działania. Należy zauważyć, że umieszczenie warstwy płaszczyzny miedzianej poniżej odpowiedniego śladu lub zalanie śladu miedzią pomoże obniżyć temperaturę śladu i całej płytki. Jest to jeden z wielu wymagań dotyczących układu PCB, które wpłyną na Twoją zdolność do wyprodukowania PCB.

• Przejdź do części 3: DFM w układzie PCB

Kiedy będziesz gotowy, aby rozpocząć projektowanie i chcesz mieć pewność, że spełniasz wszystkie wymagania DFM, użyj funkcji projektowania i układu w Altium Designer®. Gdy Twój projekt będzie gotowy na dokładną recenzję projektu i produkcję, Twój zespół może dzielić się nim i współpracować w czasie rzeczywistym za pośrednictwem platformy Altium 365™. Zespoły projektowe mogą używać Altium 365 do dzielenia się danymi produkcyjnymi, plikami projektowymi i recenzjami projektów przez bezpieczną platformę chmurową oraz w Altium Designer.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.