Czy powinieneś użyć grubego czy cienkiego FR4 jako podłoża dla Twojej płytki PCB?

Jeśli kiedykolwiek robiłeś ciasto z dziećmi, wiesz, że grubość ciasta ma znaczenie. Zbyt cienkie i ciasto rozpada się na kawałki wypełnione nadzieniem. Zbyt grube, i można równie dobrze gryźć bochenek chleba. Osiągnięcie odpowiedniej grubości to jest to, co sprawia, że ciasto jest warte zjedzenia.

Mimo że materiały substratowe PCB są nieprzewodzące i nie przewodzą prądu, grubość substratu PCB FR4 decyduje o wytrzymałości strukturalnej płytki, ale wpływa również na integralność mocy i sygnału. Twoim zadaniem jako projektanta jest połączenie odpowiedniego zestawu laminatów dla układu warstw, aby płyta miała pożądaną grubość, i nie będziesz mógł osiągnąć dowolnej grubości, jakiej chcesz na swojej płytce PCB. Jeśli nie jesteś pewien, jakiej grubości powinieneś użyć w swojej płytce i jak gruba lub cienka może być, przeczytaj te wytyczne dotyczące grubości FR4.

Rozważania dotyczące projektowania grubości FR4

Standardowa grubość PCB wynosi 1,57 mm. Niektórzy producenci mogą dostosować się do innych specyficznych grubości, takich jak 0,78 mm lub 2,36 mm. Kiedy mówimy o "grubym" lub "cienkim" FR4, zazwyczaj porównujemy do standardowej grubości 1,57 mm. Tak długo, jak proces produkcyjny producenta na to pozwala, możesz wybrać dowolną grubość dla swojego PCB, łącząc dostępne grubości rdzenia i prepreg laminatów w stosie warstw PCB.

Zanim zaczniesz wybierać laminaty i projektować stos warstw, pomyśl o następujących aspektach swojego projektu, które są związane z grubością płytki:

Forma

Czy Twoje PCB ma ścisłe wymagania dotyczące formy, czy też musi zmieścić się w bardzo cienkiej obudowie? Niektóre projekty wymagają grubszej płytki, aby wspierać cięższe komponenty, wytrzymywać mechanicznie trudne warunki lub pasować do ich mechanicznych podpór (szybkie backplany dla systemów wbudowanych wojskowych i lotniczych są jednym z przykładów). Te ograniczenia mogą zawęzić grubość płytki do określonych wartości.

Komponenty i połączenia krawędziowe

Czy urządzenie będzie miało jakiekolwiek komponenty, które wymagają, aby płytka drukowana miała określoną grubość PCB? Komponenty takie jak złącza krawędziowe i masywniejsze komponenty przewlekane, takie jak transformatory o dużym natężeniu prądu, wymagają odpowiedniej grubości stosu warstw PCB. Niektóre karty katalogowe komponentów i noty aplikacyjne mogą podać minimalną grubość PCB dla określonego komponentu z różnych powodów, a te czynniki należy wziąć pod uwagę podczas projektowania stosu warstw PCB.

Przykładem komponentu, dla którego ma to znaczenie, jest złącze krawędziowe SMA, pokazane poniżej. W tym złączu górne i dolne elementy łączące korpus złącza są zaprojektowane tak, aby pomieścić PCB o grubości około 60-70 mil. Nie możesz przekroczyć tej wartości, jeśli chcesz użyć tego konkretnego typu złącza, w takim przypadku musiałbyś użyć montowanego otworowo typu SMA. Możesz zejść poniżej tej wartości, ale wtedy tracisz część wytrzymałości mechanicznej związanej z tym stylem złącza krawędziowego, co jest jedną z jego głównych zalet.

SMAs są jednym z najlepiej znanych stylów złączy krawędziowych, ale istnieją również inne style, które montuje się na krawędzi jako urządzenia montowane powierzchniowo, lub wykorzystują one wycięcie frezowane, które umożliwia montaż na wcisk. Prawdopodobnie jednym z najbardziej powszechnych złączy na świecie są złącza USB, które są doskonałym przykładem tego drugiego typu złącza, zależnego od określonej grubości PCB.

Obraz poniżej pokazuje ślad PCB dla złącza USB z pokazanymi otworami frezowanymi przeznaczonymi do montażu. Te otwory są ustandaryzowane i zostaną pokazane na rysunku mechanicznym dla złącza USB montowanego na krawędzi PCB. Wypustki, które przechodzą przez te otwory, pomogą utrzymać komponent na miejscu wzdłuż krawędzi PCB.

Ostatecznym typem połączenia montowanego na krawędzi, które może być użyte w PCB, są złote palce wzdłuż krawędzi PCB. Te płytki będą montowane do złącza slotowego, które nawiązuje kontakt ze złotymi palcami wzdłuż krawędzi płytki, i te złącza wymagają, aby całkowita grubość płytki mieściła się w określonym zakresie. Większość projektantów będzie zaznajomiona ze złotymi palcami wzdłuż modułów RAM, kart PCIe, kart córek, dysków stanu stałego i złączy kluczowych.

Impedancja Ścieżki

Odległość między ścieżką a jej najbliższą płaszczyzną odniesienia (na sąsiedniej warstwie) określa impedancję ścieżki, jak również poziom strat dielektrycznych w wielowarstwowych płytkach. Wybór cieńszej grubości warstwy wymaga cieńszych ścieżek. Jeśli chcesz zaprojektować ścieżkę o określonej szerokości, na przykład aby dopasować się do konkretnego złącza lub obudowy układu scalonego, powinieneś wziąć pod uwagę wymaganą grubość warstwy, aby wspierać pożądaną szerokość.

Może się zdarzyć, że potrzebna Ci grubość warstwy nie zmieni grubości płytki, ale zależy to od dostępnych grubości rdzeni i laminatów prepreg. Najlepiej jest sprawdzić w zakładzie produkcyjnym, jakie laminaty mają dostępne i projektować w oparciu o te grubości laminatów, zamiast ustalać konkretną grubość w projekcie i oczekiwać, że taka grubość będzie możliwa do wyprodukowania.

Zastrzeżenie do tego dotyczy sytuacji, gdy można uzyskać dostęp do listy produktów od producenta laminatu. Niektórzy producenci laminatów dostarczają długą listę dostępnych rdzeni i prepregów, które zawierają wartości grubości. O ile uzgodnisz to z zakładem produkcyjnym, z pewnością możesz wybierać z tych list, aby zaproponować własny układ warstw. Upewnij się tylko, że producent dysponuje potrzebnymi materiałami i ma możliwości przetwarzania niezbędne do wsparcia Cię w tym podejściu. Przykładową listę, którą możesz znaleźć u dostawcy laminatów, przedstawiono poniżej; ta lista pokazuje przekrój danych rdzenia i prepregu dla materiałów FR408 od Isola.

Płytki PCB wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości

Jeśli pracujesz z urządzeniem wysokiej prędkości, FR4 nie zawsze jest najlepszą opcją, a pożądany może być inny materiał o niskich stratach. Jeśli długość łącza jest krótka, straty będą zdominowane przez stratę zwrotną na komponencie obciążenia, więc specjalistyczne laminaty o niskich stratach nie są tak ważne. Dla dłuższych łączy całkowite straty będą zdominowane przez stratę wstawienia, więc użycie laminatu o najniższych stratach pomoże zwiększyć długość łącza.

Uwzględnienie tych punktów wymaga rozważenia tych samych kwestii, co w przypadku impedancji ścieżek. Grubość warstwy jest ważniejsza niż całkowita grubość płytki, ale całkowita grubość płytki będzie nadal określana przez kombinację warstw. Jeśli planujesz użyć grubych lub cienkich laminatów, zastanów się, jak grubość warstwy wpływa na straty. Dla szybkich mikropasków, grubsza warstwa dielektryczna będzie ograniczać więcej linii pola w podłożu, co spowoduje większe straty.

Rozszerzalność Cieplna, Stosunek Wymiarów Przelotki i Wykonalność

Kolejnym aspektem, który należy rozważyć przy określaniu grubości płytki, jest jej wykonalność i niezawodność, szczególnie w kontekście rozszerzalności cieplnej i przelotek. Wszystkie materiały rozszerzają się, gdy temperatura wzrasta, w tym przelotki w PCB. Jest to szczególnie ważne dla przelotek przez całą płytkę, które muszą być wiercone przez cały stos warstw. W zależności od grubości płytki i rozmiaru otworu, masz do rozważenia dwa kompromisy przy wymiarowaniu przelotek:

• Większe stosunki wymiarów mogą być trudniejsze do pokrycia, a grubsza płyta będzie miała większy stosunek wymiarów przy danej wielkości otworu
• Większa wielkość otworu jest łatwiejsza do wywiercenia i pokrycia, nawet jeśli płyta jest grubsza
• Jeśli płyta jest zbyt gruba, koszty mogą wzrosnąć przy dużych wolumenach z powodu zużycia narzędzi
• Producent może zmienić siłę wyrzutu w procesie pokrywania impulsowego, aby dostosować się do wysokiego stosunku wymiarów

Przewierty z wysokim stosunkiem wymiarów (10:1 lub większym) są podatne na uszkodzenia podczas cykli termicznych w pobliżu środka cylindra przewiertu z powodu rozszerzalności termicznej, jeśli nie są prawidłowo pokryte. Producent, którego używasz, powinien mieć doświadczenie w pracy z przewiertami o wysokim stosunku wymiarów w swoim procesie produkcyjnym, aby zapewnić, że otrzymasz niezawodną PCB, która nie zawiedzie podczas cykli termicznych. Przed wysłaniem grubej płyty upewnij się, że mają możliwości wyprodukowania twoich przewiertów z wystarczającą grubością pokrycia ścian, aby zapobiec awarii.

Oczywiście, przy wyborze grubości płytki PCB z FR4, standardowej grubości warstw oraz materiału laminatu, należy wziąć pod uwagę szereg kompromisów projektowych. Narzędzia CAD oraz funkcje sprawdzania reguł w Altium Designer^® ułatwiają projektowanie urządzenia z uwzględnieniem standardowej grubości FR4. Aby dowiedzieć się więcej, porozmawiaj z ekspertem Altium Designer już dziś.