Lựa chọn Vật liệu PCB theo DFM

Mỗi thiết kế nên bắt đầu bằng việc lựa chọn các vật liệu sẽ xuất hiện trong bộ xếp chồng PCB, cũng như sắp xếp các lớp trong bộ xếp chồng để hỗ trợ bố trí và định tuyến. Phần này của khóa học nhanh về sản xuất PCB và DFM tập trung vào việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho thiết kế PCB của bạn. Vật liệu nên được lựa chọn dựa trên các yêu cầu thiết kế cụ thể được nêu trong thông số kỹ thuật của bạn.

Để ngắn gọn cho người thiết kế mới, chúng tôi sẽ chủ yếu tập trung vào FR-4 vì đây là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong thiết kế PCB.

Quy trình Lựa Chọn Vật Liệu Cơ Bản

Trước khi lựa chọn vật liệu, điều quan trọng cần lưu ý là nhà sản xuất của bạn cần phải có chúng trong kho trước khi bạn quyết định bao gồm chúng trong thiết kế của mình. Nếu thiết kế của bạn yêu cầu các loại vật liệu cụ thể, và bạn có các yêu cầu cụ thể cho những vật liệu này trong bộ xếp chồng PCB của mình, bạn nên liên hệ với nhà sản xuất và xem họ có kho vật liệu này hoặc một lựa chọn tương thích không. Không phải tất cả các nhà sản xuất đều cung cấp mọi loại vật liệu có thể, và họ có thể không có quy trình tương thích với mọi loại vật liệu. Hơn nữa, bạn không thể luôn luôn phối hợp mọi loại vật liệu vào một bộ xếp chồng theo bất kỳ cách nào bạn muốn. Việc liên hệ với nhà sản xuất để được hướng dẫn là quan trọng để đảm bảo rằng thiết kế bạn tạo ra có thể được sản xuất trong các quy trình tiêu chuẩn.

IPC đã định rõ các yêu cầu về tính tương thích của vật liệu trong các tiêu chuẩn IPC-4101 và IPC-4103. Các tiêu chuẩn này yêu cầu các nhà sản xuất laminate phải tạo "tờ phụ" liệt kê các tính chất vật liệu cụ thể và yêu cầu về quy trình xử lý. Các nhà sản xuất laminate sẽ thiết kế vật liệu của họ để phù hợp với một trong những tờ phụ này. Điều này cho phép nhà sản xuất ngay lập tức biết khi nào hai vật liệu sẽ tương thích và có thể được thay thế cho nhau.

• Tìm hiểu thêm về tờ phụ IPC và các tiêu chuẩn IPC-4101/IPC-4103

Khi thiết kế một PCB, có một số lựa chọn vật liệu dựa trên nhu cầu thiết kế độc đáo của bạn. Trước khi chọn một vật liệu, được khuyến nghị đầu tiên xác định các yêu cầu về chức năng và độ tin cậy mà bo mạch của bạn phải đáp ứng. Xem sơ đồ dưới đây cho quy trình lựa chọn vật liệu điển hình.

Tính chất vật liệu PCB Chi tiết

Các tính chất vật liệu liên quan đến PCB rơi vào ba danh mục:

• Vật liệu Điện
• Nhiệt
• Cơ khí

Vật liệu điện là nơi mà hầu hết các nhà thiết kế tập trung vào bởi vì họ thường cố gắng đạt được mục tiêu trở kháng cụ thể (đối với các thiết kế tốc độ cao), mục tiêu mất mát tín hiệu hoặc công suấtmất mát mục tiêu (đối với các thiết kế tần số cao), điện áp đánh thủng (đối với các thiết kế điện áp cao), hoặc một số sự kết hợp của những yếu tố này. Vật liệu điện quan trọng, nhưng đối với các xem xét về DFM, các tính chất cơ khí và nhiệt cần được nhà sản xuất biết để họ có thể điều chỉnh chúng trong quá trình sản xuất.

Xưởng sản xuất sẽ sản xuất bảng mạch khắc của bạn cần biết cách triển khai lựa chọn vật liệu của bạn vào quy trình của họ. Nếu bạn tự chọn vật liệu của mình, đó là lý do tại sao tốt nhất bạn nên liên hệ trực tiếp với xưởng sản xuất của mình và yêu cầu họ đánh giá bộ xếp chồng của bạn. Trong trường hợp họ không thể sản xuất bộ xếp chồng như bạn đã thiết kế, họ thường có thể đề xuất một bộ vật liệu thay thế, một bộ xếp chồng thay thế, hoặc họ thường có thể cung cấp một bộ xếp chồng tiêu chuẩn.

• Tìm hiểu thêm về việc chỉ định yêu cầu xếp chồng của bạn cho nhà sản xuất

Các tính chất quan trọng nhất cần xem xét cho yêu cầu điện là độ mạnh điện, hằng số điện môi, và khả năng chống ẩm. Tham khảo bảng dưới đây để biết danh sách một số vật liệu phổ biến và các giá trị tính chất liên quan của chúng. Nhớ tham khảo ý kiến của nhà sản xuất của bạn để có dữ liệu cụ thể hơn về tính chất điện nếu bạn có yêu cầu đặc biệt như thiết kế điện áp cao hoặc thiết kế tần số cao.

Đối với một số thiết kế yêu cầu độ tin cậy cao, chất đóng rắn và hàm lượng nhựa là hai yếu tố quan trọng khác. Điều này đặc biệt đúng với các thiết kế điện áp cao không có đủ không gian cho khoảng cách lớn giữa các dẫn điện trong bố cục PCB. Hai loại chất đóng rắn phổ biến được sử dụng trong vật liệu laminate PCB là DICY và chất đóng rắn dựa trên phenolic. Phenolic được ưa chuộng trong bố cục điện áp cao vì chất đóng rắn được biết đến là tạo ra một vật liệu cứng có thể chống lại sự hỏng hóc do sợi anode dẫn điện (CAF). Nếu bạn có một thiết kế đặc biệt, không có hại gì khi nhận được khuyến nghị của nhà sản xuất về hệ thống vật liệu nào nên sử dụng để đảm bảo độ tin cậy.

Loại Màng Đồng

Có nhiều loại màng đồng được sử dụng trong lớp cách điện của bảng mạch in. Phổ biến nhất là màng đồng điện phân (ED) do dễ dàng sản xuất và áp dụng trên lớp cách điện PCB. Hầu hết các vật liệu sẽ sử dụng loại màng đồng này. Loại màng đồng được sử dụng trong lớp cách điện không phải là thứ mà bạn, như một nhà thiết kế, có thể tự do kết hợp với các lớp cách điện khác nhau. Khi chọn lớp cách điện, lớp cách điện đó hầu như luôn đi kèm với một loại màng đồng duy nhất, và bạn sẽ không thể thay thế bằng bất kỳ loại nào khác.

Một ngoại lệ là với một số vật liệu dựa trên PTFE cho bảng mạch PCB tần số cao. Các nhà cung cấp cho các vật liệu này biết rằng bộ vật liệu của họ thường được sử dụng trong các thiết kế tần số cao, vì vậy họ có xu hướng cung cấp nhiều lựa chọn với các loại màng đồng khác nhau. Loại màng đồng tiêu chuẩn khác được sử dụng trong các vật liệu này được biết đến là màng đồng cán-ủ (RA), mặc dù lớp cách điện cho PCB tần số cao cũng có thể có màng đồng xử lý bề mặt có hồ sơ rất mịn.

• Tìm hiểu thêm về các loại màng đồng trong vật liệu lớp cách điện PCB

Nhà sản xuất thường sẽ cung cấp các loại màng đồng khác nhau cho bạn lựa chọn, phổ biến nhất là màng đồng điện phân và màng đồng cán. Bảng mạch cứng thường sử dụng màng đồng điện phân trong khi bảng mạch cứng-linh hoạt sẽ sử dụng màng đồng cán.

Trọng lượng Đồng

Đồng được đặt trên các lớp cách điện của PCB với một độ dày nhất định, nhưng thường được chỉ định dưới dạng trọng lượng đồng theo oz./sq. ft. Các giá trị trọng lượng đồng thường thấy trong hầu hết các loại bảng mạch là 0.5 hoặc 1 oz./sq. ft. Nếu cần trọng lượng đồng nặng hơn, nhà sản xuất bảng mạch của bạn sẽ cần phải có vật liệu với đồng dày hơn, hoặc họ sẽ cần sử dụng quy trình mạ đồng để đạt được độ dày yêu cầu.

Trọng lượng đồng sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, nhưng nó cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ cân bằng của PCB, tùy thuộc vào lượng dòng điện mà một đường dẫn mang theo. Vì các đường dẫn đồng có một số điện trở DC, chúng sẽ tạo ra một số mất mát công suất sẽ được chuyển đổi thành nhiệt. Kết quả là một đường dẫn rộng hơn sẽ có khả năng mang dòng điện cao hơn.

Ví dụ, cặp đồ thị dưới đây có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo để hiểu khả năng chịu dòng của các lớp nội bộ cho các độ dày đồng phổ biến và các mức nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh. Những đồ thị này giả định một dấu vết trên một lớp cách điện FR-4 tiêu chuẩn mà không có đồng nào khác ở gần. mỗi dòng trong đồ thị trên tương ứng với một sự tăng nhiệt độ so với giá trị môi trường xung quanh mà bạn mong đợi quan sát cho mỗi cặp giá trị diện tích dấu vết và dòng điện nhìn dọc theo trục x và y.

Hai ví dụ được vẽ ra để minh họa cách sử dụng hình ảnh này:

• Đường cong màu đỏ: Đường cong này cho biết rằng một dấu vết rộng khoảng 140 mil được chế tạo từ đồng 1 oz./sq. ft. sẽ mong đợi thấy một sự tăng nhiệt độ khoảng 10 độ nếu nó chịu dòng 3 A.
• Đường cong màu đỏ: Đường cong này cho biết rằng một dấu vết được thiết kế để chịu dòng điện 1 A sẽ trải qua một sự tăng nhiệt độ khoảng 30 độ nếu được chế tạo từ 0.5 oz./sq. ft. với chiều rộng dấu vết khoảng 40 mils.

Có một điều quan trọng cần lưu ý ở đây: những biểu đồ này thường rất thận trọng và có thể dự đoán quá cao nhiệt độ bạn mong đợi thấy trên bảng mạch trong quá trình hoạt động của nó. Lưu ý rằng việc đặt một lớp đồng dưới dấu vết liên quan, hoặc đổ đồng xung quanh dấu vết, sẽ giúp giảm nhiệt độ của dấu vết và toàn bộ bảng mạch. Đây là một trong số nhiều yêu cầu về bố trí PCB sẽ ảnh hưởng đến khả năng sản xuất PCB của bạn.

• Chuyển đến Phần 3: DFM trong Bố Trí PCB của Bạn

Khi bạn sẵn sàng bắt đầu thiết kế và muốn đảm bảo bạn đáp ứng mọi yêu cầu DFM, hãy sử dụng các tính năng thiết kế và bố trí trong Altium Designer®. Khi thiết kế của bạn sẵn sàng cho một đánh giá thiết kế kỹ lưỡng và sản xuất, nhóm của bạn có thể chia sẻ và hợp tác theo thời gian thực thông qua nền tảng Altium 365™. Các nhóm thiết kế có thể sử dụng Altium 365 để chia sẻ dữ liệu sản xuất, tệp dự án và đánh giá thiết kế thông qua một nền tảng đám mây an toàn và trong Altium Designer.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngày hôm nay.