Следует ли использовать толстый или тонкий FR4 для вашего подложки печатной платы?

Если вы когда-либо готовили пирог с детьми, вы знаете, что толщина корки имеет значение. Слишком тонкая — пирог разваливается на части с начинкой. Слишком толстая — и вы как будто жуете буханку хлеба. Подобрать правильную толщину корки — это то, что делает пирог стоящим для поедания.

Хотя материалы подложки печатной платы (PCB) не проводят ток, толщина подложки FR4 определяет прочность платы и также влияет на целостность сигнала и питания. Ваша задача как дизайнера — выбрать подходящий набор ламинатов для стековки, чтобы плата имела желаемую толщину. Тем не менее, вы не сможете достичь любой толщины, которую захотите, в вашей PCB. Если вы не уверены, какую толщину выбрать для своей платы и насколько она может быть толстой или тонкой, ознакомьтесь с этими рекомендациями по толщине FR4.

Соображения по проектированию толщины FR4

Стандартная толщина печатных плат составляет 1,57 мм. Некоторые производители могут предлагать другие специфические толщины, например, 0,78 мм или 2,36 мм. Когда мы говорим "толстая" или "тонкая" FR4, мы обычно сравниваем с этой стандартной толщиной 1,57 мм. Пока процесс вашего производителя позволяет это, вы можете выбрать любую толщину для ваших плат, комбинируя доступные толщины сердцевины и препрега в стековке вашей PCB.

Перед тем как начать выбирать ламинаты и проектировать стек слоев, учтите следующие аспекты вашего дизайна, связанные с толщиной платы:

Форм-фактор

Имеет ли ваша печатная плата строгие требования к форм-фактору или должна ли она помещаться в очень узкий корпус? Некоторые конструкции требуют более толстой платы для поддержки более тяжелых компонентов, выживания в механически жестких условиях или соответствия механическим креплениям (примером могут быть высокоскоростные магистральные платы для военных и аэрокосмических встроенных систем). Эти ограничения могут ограничить толщину платы до определенных значений.

Компоненты и краевые соединения

Есть ли у устройства компоненты, требующие определенной толщины печатной платы? Компоненты, такие как краевые разъемы и массивные компоненты с отверстиями, например, трансформаторы для высоких токов, требуют корректной толщины стековки PCB. Некоторые технические характеристики компонентов и технические заметки могут указывать на минимальную толщину PCB для определенного компонента по разным причинам, и эти факторы следует учитывать при проектировании стековки PCB.

Пример компонента, для которого это важно, — это краевой разъем SMA, который показан ниже. В этом разъеме верхняя и нижняя спицы на корпусе разъема рассчитаны на платы толщиной ~60-70 мил. Нельзя превышать это значение, если вы хотите использовать данный тип разъема; в противном случае вам придется использовать SMA-стиль с креплением на отверстие. Вы можете снизить толщину, но тогда вы потеряете часть механической прочности, связанной с этим стилем краевого разъема, что является одним из его основных преимуществ.

SMAs являются одним из наиболее известных типов краевых разъемов, но существуют и другие стили, которые монтируются на край в виде поверхностно-монтируемых устройств, или они используют вырез, который позволяет монтировать их с помощью запрессовки. Вероятно, одним из самых распространенных в мире разъемов являются USB-разъемы, которые являются ярким примером последнего типа разъемов, зависящих от определенной толщины печатной платы.

На изображении ниже показана печатная плата для USB-разъема с указанными отверстиями для монтажа. Эти отверстия стандартизированы и будут показаны на механическом чертеже для USB-разъема, монтируемого на край печатной платы. Лапки, проходящие через эти отверстия, помогут удерживать компонент на месте вдоль края печатной платы.

Последний тип краевого соединения, который может быть использован в печатной плате, - это золотые пальцы вдоль края печатной платы. Эти платы монтируются в слот-разъем, который соприкасается с золотыми пальцами вдоль края платы, и эти разъемы требуют, чтобы общая толщина платы находилась в определенном диапазоне. Большинство дизайнеров будут знакомы с золотыми пальцами на модулях оперативной памяти, картах PCIe, дочерних платах, твердотельных накопителях и ключевых слот-разъемах.

Импеданс трассы

Расстояние между дорожкой и ближайшим к ней слоем-опорой (на соседнем слое) определяет импеданс дорожки, а также уровень диэлектрических потерь в многослойных платах. Использование более тонкого слоя требует более тонких дорожек. Если вы хотите спроектировать дорожку определенной ширины, например, чтобы обеспечить подключение конкретного разъема или корпуса ИС, тогда вам следует учитывать необходимую толщину слоя для поддержки желаемой ширины.

Может случиться так, что необходимая вам толщина слоя не повлияет на толщину платы, но это зависит от доступных толщин основы и препрега. Лучше всего свериться с вашим производством по поводу доступных у них ламинатов и проектировать исходя из этих толщин ламинатов, а не устанавливать в вашем проекте конкретную толщину и ожидать, что такая толщина будет производима.

Оговорка к этому заключается в том, что вы можете получить доступ к списку продукции от производителя ламината. Некоторые производители ламинатов предоставляют длинные списки доступных основ и препрегов, включая значения толщины. Пока вы согласовали это с вашим производственным предприятием, вы определенно можете выбирать из этих списков и предлагать свой собственный стек. Просто убедитесь, что ваш изготовитель имеет на складе необходимые материалы и обладает производственными возможностями, необходимыми для поддержки вас в этом подходе. Пример списка, который вы можете найти у поставщика ламината, показан ниже; этот список показывает сечение данных по основам и препрегам для материалов FR408 от Isola.

Печатные платы высокой скорости/высокой частоты

Если вы работаете с устройством высокой скорости, FR4 не всегда является лучшим вариантом, и может потребоваться использование другого материала с низкими потерями. Если длина соединения короткая, то потери будут определяться возвратными потерями на компоненте нагрузки, поэтому специализированные ламинаты с низкими потерями не так важны. Для более длинных соединений общие потери будут определяться потерями на вставке, поэтому использование ламината с наименьшими потерями поможет максимизировать длину соединения.

Учет этих моментов требует рассмотрения тех же пунктов, что и при расчете импеданса дорожек. Толщина слоя важнее общей толщины платы, но общая толщина платы все же будет определяться вашей комбинацией слоев. Если вы планируете использовать толстые или тонкие ламинаты, подумайте о том, как толщина слоя влияет на потери. Для высокоскоростных микрополос, более толстый диэлектрический слой будет удерживать больше линий поля в подложке, следовательно, потери будут больше.

Тепловое расширение, соотношение сторон переходных отверстий и производственная пригодность

Следующим аспектом, где следует учитывать толщину платы, является производственная пригодность и надежность, в частности, в отношении теплового расширения и переходных отверстий (виас). Все материалы расширяются при нагревании до более высоких температур, включая переходные отверстия на печатной плате. Это особенно важно для сквозных переходных отверстий, которые необходимо просверлить через весь стек слоев. В зависимости от толщины платы и размера отверстия, у вас есть два компромисса, которые следует учитывать при размерах переходных отверстий:

• Большие соотношения сторон могут быть сложнее для покрытия, и более толстая плата будет иметь большее соотношение сторон при заданном размере отверстия
• Больший размер отверстия легче сверлить и покрывать, даже если плата толще
• Если плата слишком толстая, это может увеличить затраты в больших объемах из-за износа инструмента
• Производитель может изменить силу броска в процессе импульсного покрытия, чтобы компенсировать высокое соотношение сторон

Сквозные переходы с высоким соотношением сторон (10:1 или больше) подвержены отказам при термоциклировании около центра барреля перехода из-за термического расширения, если они не покрыты должным образом. Производитель, которого вы используете, должен иметь опыт работы с переходами с высоким соотношением сторон в своем производственном процессе, чтобы гарантировать, что у вас будет надежная печатная плата, которая не выйдет из строя при термоциклировании. Перед отправкой толстой платы убедитесь, что у них есть возможности производить ваши переходы с достаточным покрытием стенок, чтобы предотвратить отказ.

Очевидно, что при выборе толщины печатной платы из FR4, стандартной толщины слоев и ламинатного материала необходимо учитывать ряд компромиссов в дизайне. Инструменты CAD и функции проверки правил в Altium Designer^® упрощают проектирование вашего устройства с учетом стандартной толщины FR4. Чтобы узнать больше, обратитесь к эксперту Altium Designer сегодня.