DFM при выборе материалов для печатных плат

Каждый проект должен начинаться с выбора материалов, которые будут использоваться в стеке печатной платы (PCB), а также с расположения слоев в стеке для поддержки компоновки и трассировки. Этот раздел нашего курса по производству печатных плат и DFM сосредоточен на выборе подходящих материалов для вашего дизайна печатной платы. Материалы должны выбираться с учетом конкретных требований к дизайну, изложенных в вашей спецификации.

Для краткости новых дизайнеров мы будем в основном сосредоточены на FR-4, поскольку это наиболее часто используемый класс материалов для дизайна печатных плат.

Базовый процесс выбора материалов

Перед выбором материалов важно отметить, что ваш производитель должен иметь их на складе, прежде чем вы решите включить их в свой дизайн. Если ваш дизайн требует специфических типов материалов, и у вас есть конкретные требования к ним в вашем стеке печатной платы, вам следует связаться с вашим производителем и узнать, есть ли у них эти материалы на складе или совместимая альтернатива. Не все производители имеют в наличии все возможные материалы, и у них может не быть процесса, совместимого со всеми материалами. Кроме того, вы не всегда можете смешивать и сочетать любые материалы в стеке как вам угодно. Важно связаться с производителем за руководством, чтобы убедиться, что созданный вами дизайн будет производим в стандартных процессах.

IPC определила требования к совместимости материалов в стандартах IPC-4101 и IPC-4103. Эти стандарты требуют от производителей ламинатов создавать "листы с разрезами", которые перечисляют конкретные свойства материалов и требования к обработке. Производители ламинатов будут проектировать свои материалы так, чтобы они соответствовали одному из этих листов с разрезами. Это позволяет производителю сразу узнать, когда два материала будут совместимы и могут быть заменены друг на друга.

• Узнайте больше о листах с разрезами IPC и стандартах IPC-4101/IPC-4103

При проектировании печатной платы (PCB) есть несколько вариантов выбора материалов в зависимости от уникальных потребностей вашего дизайна. Перед выбором материала рекомендуется сначала определить функциональные и надежностные требования, которым должна соответствовать ваша плата. Смотрите ниже схему типичного процесса выбора материала.

Свойства материалов для PCB в деталях

Соответствующие свойства материалов для печатных плат подразделяются на три категории:

• Электрические
• Тепловые
• Механические

Электрические материалы - это то, на чем сосредотачиваются большинство конструкторов, поскольку они часто пытаются достичь определенного импеданса (для высокоскоростных конструкций), потерь сигнала или мощностицелевой показатель (для конструкций высокой частоты), пробивного напряжения (для конструкций высокого напряжения) или некоторой комбинации этих параметров. Электрические материалы важны, но для учета DFM (проектирование с учетом возможностей производства) необходимо знать механические и тепловые свойства, чтобы ваш производитель мог учесть их в процессе изготовления.

Производственное предприятие, которое будет производить вашу эцетированную печатную плату, должно знать, как внедрить выбор материалов в свой процесс. Если вы выбираете свои материалы, поэтому лучше всего напрямую связаться с вашим производственным предприятием и попросить их оценить вашу структуру. В случае, если они не могут изготовить структуру так, как вы спроектировали, они часто могут предложить альтернативный набор материалов, альтернативную структуру или они часто могут предложить стандартизированную структуру.

• Узнайте больше о том, как указать требования к стеку для производственного предприятия

Наиболее критические свойства, которые следует учитывать для электрических требований, это электрическая прочность, диэлектрическая постоянная и устойчивость к влаге. Обратитесь к следующей таблице для списка некоторых более распространенных материалов и их связанных значений свойств. Не забудьте проконсультироваться с вашим производителем для получения более конкретных данных об электрических свойствах, если у вас есть специальные требования, например, для дизайна высокого напряжения или дизайна высокой частоты.

Для некоторых дизайнов, требующих высокой надежности, отвердитель и содержание смолы являются двумя другими важными факторами. Это особенно актуально для дизайнов высокого напряжения, которые не имеют достаточно места для большого расстояния между проводниками в компоновке печатной платы. Два общих отвердителя, используемых в ламинатных материалах для печатных плат, это DICY и фенольные отвердители. Фенолы предпочтительны в компоновке высокого напряжения, поскольку отвердитель известен тем, что производит жесткий материал, который может сопротивляться проводящей анодной филаментации (CAF) отказу. Если у вас есть специальный дизайн, не помешает получить рекомендацию вашего производителя о том, какую систему материалов использовать для обеспечения надежности.

Типы медной фольги

В ламинатах для печатных плат используется несколько типов медной фольги. Наиболее распространенной является электролитическая (ED) медная фольга из-за простоты ее производства и применения в ламинате печатной платы. Большинство материалов используют именно этот тип меди. Тип меди, используемой в ламинате, не является чем-то, что вы, как конструктор, можете просто выбирать и сочетать с различными ламинатами. При выборе ламинатов этот ламинат почти всегда будет поставляться с одним типом меди, и вы не сможете заменить его на какую-либо альтернативу.

Одним из исключений являются некоторые материалы на основе ПТФЭ для печатных плат высокой частоты. Поставщики этих материалов знают, что их наборы материалов обычно используются в конструкциях высокой частоты, поэтому они склонны предлагать несколько вариантов с различными типами меди. Другим стандартным типом меди, используемым в этих материалах, является медь, обработанная методом прокатки и отжига (RA), хотя ламинаты для печатных плат высокой частоты также могут иметь поверхностно-обработанную медь с очень гладким профилем.

• Узнайте больше о типах меди в материалах ламината печатных плат

Производители обычно предлагают различные типы фольги на ваш выбор, наиболее распространенными из которых являются электролитическая и прокатанная медь. Жесткие платы обычно используют электролитическую медную фольгу, тогда как гибко-жесткие платы используют прокатанную медную фольгу.

Толщина меди

Медь наносится на ламинаты печатных плат в определенной толщине, но часто это значение указывается как вес меди в унциях на квадратный фут. Типичные значения веса меди для большинства печатных плат составляют 0,5 или 1 унцию на квадратный фут. Если необходим более тяжелый вес меди, вашему производителю печатных плат потребуются материалы с более толстой медью, либо им придется использовать процесс покрытия, который наносит медь до требуемой толщины.

Вес меди повлияет на производство, но также повлияет на равновесную температуру печатной платы, в зависимости от количества тока, проходящего через дорожку. Поскольку медные дорожки имеют некоторое постоянное сопротивление, они будут производить некоторые потери мощности, которые будут преобразованы в тепло. В результате более широкая дорожка сможет выдерживать большую токовую нагрузку.

Как пример, ниже приведенная пара графиков может быть использована в качестве справочного материала для понимания способности внутренних слоев проводить ток для обычных толщин меди и уровней температуры выше окружающей среды. Эти графики предполагают наличие дорожки на стандартном ламинате сорта FR-4 без другой меди поблизости. Каждая линия на верхнем графике соответствует повышению температуры над уровнем окружающей среды, которое, как ожидается, будет наблюдаться для каждой пары значений площади дорожки и тока вдоль осей x и y.

Приведены два примера, иллюстрирующие, как использовать этот рисунок:

• Красная кривая: Эта кривая указывает, что дорожка шириной примерно 140 mil, изготовленная из меди толщиной 1 унция/кв. фут, ожидаемо испытает повышение температуры примерно на 10 градусов, если по ней протекает ток 3 А.
• Красная кривая: Эта кривая указывает, что дорожка, рассчитанная на ток 1 А, испытает повышение температуры примерно на 30 градусов, если она изготовлена из меди толщиной 0.5 унции/кв. фут с шириной дорожки примерно 40 mil.

Здесь стоит отметить важный момент: эти графики обычно очень консервативны и могут преувеличивать температуру, которую вы ожидаете увидеть на плате во время ее работы. Обратите внимание, что размещение слоя медной плоскости под соответствующим следом или медное заливание вокруг следа поможет снизить температуру следа и всей платы в целом. Это одно из множества требований к компоновке печатной платы, которое повлияет на вашу способность изготовить печатную плату.

• Перейти к Части 3: DFM в компоновке вашей печатной платы

Когда вы готовы начать свой проект и хотите убедиться, что вы соответствуете каждому требованию DFM, используйте функции проектирования и компоновки в Altium Designer®. Как только ваш проект будет готов к тщательному обзору дизайна и производству, ваша команда может делиться и сотрудничать в реальном времени через платформу Altium 365™. Команды дизайнеров могут использовать Altium 365 для обмена данными производства, файлами проектов и обзорами дизайна через защищенную облачную платформу и в Altium Designer.

Мы только коснулись поверхности возможностей, которые открывает Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.