Bạn Nên Sử Dụng FR4 Dày hay Mỏng cho Substrate PCB của Mình?

Nếu bạn từng làm bánh pie cùng con cái, bạn sẽ biết rằng độ dày của lớp vỏ bánh rất quan trọng. Quá mỏng, bánh sẽ rơi ra thành một đống nhân lộn xộn. Quá dày, bạn có thể cảm thấy như đang nhai một ổ bánh mì. Đạt được độ dày vừa phải là điều làm cho một chiếc bánh pie đáng để thưởng thức.

Mặc dù các vật liệu nền PCB không dẫn điện và không truyền dẫn dòng điện, độ dày của nền FR4 PCB của bạn quyết định sức mạnh cấu trúc của bảng mạch, nhưng nó cũng ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của nguồn điện và tín hiệu. Nhiệm vụ của bạn, như một nhà thiết kế, là kết hợp đúng bộ lớp phủ cho stackup sao cho bảng mạch có độ dày mong muốn, và bạn sẽ không thể đạt được bất kỳ độ dày nào bạn muốn trong PCB của mình. Nếu bạn không chắc chắn về độ dày bạn nên sử dụng trong bảng mạch của mình và muốn biết bạn có thể làm cho nó dày hay mỏng đến mức nào, hãy đọc những hướng dẫn này về độ dày FR4.

Xem xét Thiết kế Độ Dày FR4

Độ dày tiêu chuẩn của PCB là 1,57 mm. Một số nhà sản xuất sẽ chấp nhận các độ dày cụ thể khác như 0,78 mm hoặc 2,36 mm. Khi chúng ta nói về FR4 "dày" hoặc "mỏng", chúng ta thường so sánh với độ dày tiêu chuẩn là 1,57 mm. Miễn là quy trình của nhà sản xuất bạn có thể xử lý được, bạn có thể chọn bất kỳ độ dày nào bạn muốn cho PCB của mình bằng cách kết hợp các độ dày của lõi và lớp phủ prepreg có sẵn trong bố cục PCB của bạn.

Trước khi bạn bắt đầu chọn lớp phủ và thiết kế bố cục lớp của mình, hãy suy nghĩ về các khía cạnh sau của thiết kế của bạn liên quan đến độ dày của bảng mạch:

Kích thước hình dạng

PCB của bạn có yêu cầu kích thước hình dạng nghiêm ngặt, hoặc cần phải vừa với một vỏ bọc rất mỏng không? Một số thiết kế yêu cầu một bảng mạch dày hơn để hỗ trợ các linh kiện nặng hơn, chịu được môi trường cơ học khắc nghiệt, hoặc vừa vặn với các hỗ trợ cơ khí của chúng (backplane tốc độ cao cho các hệ thống nhúng quân sự và hàng không vũ trụ là một ví dụ). Những hạn chế này có thể giới hạn độ dày bảng mạch của bạn ở các giá trị cụ thể.

Linh kiện và Kết nối Cạnh

Thiết bị có bất kỳ linh kiện nào yêu cầu bảng mạch in phải có độ dày PCB cụ thể không? Các linh kiện như kết nối cạnh và các linh kiện qua lỗ có kích thước lớn như biến áp dòng cao yêu cầu bộ xếp chồng PCB phải có độ dày chính xác. Một số bảng dữ liệu linh kiện và ghi chú ứng dụng có thể nêu ra độ dày PCB tối thiểu cho một linh kiện cụ thể vì nhiều lý do, và những điều này nên được xem xét khi thiết kế bộ xếp chồng PCB.

Một ví dụ về linh kiện mà điều này quan trọng là kết nối cạnh SMA, được hiển thị bên dưới. Trong kết nối này, phần trên và dưới của thân kết nối được thiết kế để chứa PCB dày khoảng 60-70 mil. Bạn không thể vượt quá giá trị này nếu bạn muốn sử dụng loại kết nối cụ thể này, trong trường hợp đó bạn sẽ phải sử dụng kiểu SMA gắn lỗ. Bạn có thể chọn giá trị thấp hơn, nhưng sau đó bạn sẽ mất một số sức mạnh cơ học liên quan đến kiểu kết nối cạnh này, đó là một trong những lợi ích chính của nó.

SMAs là một trong những kiểu kết nối cạnh được biết đến nhiều nhất, nhưng cũng có các kiểu khác được gắn vào cạnh như thiết bị gắn mặt, hoặc chúng sử dụng một lỗ cắt được định tuyến cho phép gắn kết bằng cách ấn vào. Có lẽ một trong những loại kết nối phổ biến nhất trên thế giới, kết nối USB, là một ví dụ điển hình của loại kết nối sau cùng phụ thuộc vào độ dày cụ thể của PCB.

Hình dưới đây cho thấy bản vẽ chân PCB cho một kết nối USB với các lỗ cắt được hiển thị cho việc gắn kết. Những lỗ này được chuẩn hóa và sẽ được hiển thị trong bản vẽ kỹ thuật cho một kết nối USB được gắn vào cạnh của PCB. Các tab phù hợp qua những lỗ này sẽ giúp giữ linh kiện cố định dọc theo cạnh của PCB.

Loại kết nối cạnh cuối cùng có thể được sử dụng trong PCB là với các ngón tay vàng dọc theo cạnh của PCB. Những bảng này sẽ được gắn vào một kết nối khe mà tạo ra liên kết với các ngón tay vàng dọc theo cạnh bảng, và những kết nối này yêu cầu tổng độ dày của bảng phải nằm trong một phạm vi cụ thể. Hầu hết các nhà thiết kế sẽ quen thuộc với các ngón tay vàng dọc theo các mô-đun RAM, thẻ PCIe, thẻ con, ổ đĩa trạng thái rắn, và kết nối khe chính.

Trở Kháng Đường Dẫn

Khoảng cách giữa một đường dẫn và mặt phẳng tham chiếu gần nhất của nó (trên một lớp kề) xác định trở kháng của đường dẫn, cũng như mức độ tổn hao điện môi trên các bảng mạch đa lớp. Sử dụng độ dày lớp mỏng hơn đòi hỏi phải có đường dẫn mỏng hơn. Nếu bạn muốn thiết kế theo chiều rộng đường dẫn cụ thể, chẳng hạn để phù hợp với một loại kết nối hoặc gói IC cụ thể, thì bạn nên xem xét độ dày lớp cần thiết để hỗ trợ chiều rộng mong muốn.

Có thể xảy ra trường hợp độ dày lớp bạn cần sẽ không làm thay đổi độ dày của bảng mạch, nhưng điều này phụ thuộc vào độ dày của lõi và lớp phủ prepreg có sẵn. Tốt nhất bạn nên kiểm tra với nhà sản xuất của mình xem họ có những loại lớp phủ nào có sẵn và thiết kế xung quanh độ dày của những lớp phủ đó, thay vì đặt một độ dày cụ thể trong thiết kế của bạn và mong đợi độ dày đó có thể được sản xuất.

Lưu ý về điều này là nếu bạn có thể truy cập vào danh sách sản phẩm từ nhà sản xuất laminate. Một số nhà sản xuất laminate sẽ cung cấp một danh sách dài các lõi và prepregs có sẵn bao gồm cả giá trị độ dày. Miễn là bạn làm rõ với nhà máy sản xuất của mình, bạn hoàn toàn có thể lựa chọn từ những danh sách này để đề xuất bố cục lớp của mình. Chỉ cần đảm bảo rằng nhà sản xuất của bạn có chứa nguyên liệu và có khả năng xử lý cần thiết để hỗ trợ bạn theo cách tiếp cận này. Một ví dụ về danh sách bạn có thể tìm thấy từ nhà cung cấp laminate được hiển thị dưới đây; danh sách này cho thấy một phần cắt ngang dữ liệu lõi và prepreg cho vật liệu FR408 từ Isola.

PCB Tốc độ Cao/Tần số Cao

Nếu bạn đang làm việc với một thiết bị tốc độ cao, FR4 không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất, và một số vật liệu ít mất mát khác có thể được mong muốn. Nếu chiều dài liên kết ngắn, thì mất mát sẽ được chi phối bởi mất mát trả về tại thành phần tải, vì vậy laminate chuyên dụng ít mất mát không quá quan trọng. Đối với các liên kết dài hơn, tổng mất mát sẽ được chi phối bởi mất mát chèn, vì vậy sử dụng một laminate có mất mát thấp nhất sẽ giúp tối đa hóa chiều dài liên kết.

Việc tính toán những điểm này đòi hỏi phải xem xét những điểm tương tự như trong trở kháng dấu vết. Độ dày của lớp vật liệu quan trọng hơn tổng độ dày của bảng mạch, nhưng tổng độ dày của bảng mạch vẫn sẽ được xác định bởi sự kết hợp các lớp của bạn. Nếu bạn dự định sử dụng các lớp laminate dày hoặc mỏng, hãy suy nghĩ về việc độ dày lớp ảnh hưởng đến sự mất mát như thế nào. Đối với microstrips tốc độ cao, một lớp điện môi dày hơn sẽ giữ nhiều đường dây trường hơn trong chất nền, do đó sự mất mát sẽ lớn hơn.

Sự Giãn Nở Nhiệt, Tỷ Lệ Khía Via và Khả Năng Sản Xuất

Điểm tiếp theo cần xem xét đến độ dày bảng mạch là về khả năng sản xuất và độ tin cậy, cụ thể là liên quan đến sự giãn nở nhiệt và vias. Tất cả các vật liệu sẽ giãn nở khi chúng được nung nóng lên nhiệt độ cao hơn, bao gồm cả vias trên PCB. Điều này đặc biệt quan trọng đối với vias xuyên lỗ, cần phải khoan xuyên qua toàn bộ chồng lớp. Tùy thuộc vào độ dày của bảng mạch và kích thước lỗ, bạn có hai sự đánh đổi cần xem xét khi kích thước vias:

• Tỷ lệ khía cạnh lớn hơn có thể khó mạ hơn, và một tấm mạch dày hơn sẽ có tỷ lệ khía cạnh lớn hơn đối với một kích thước lỗ nhất định
• Một kích thước lỗ lớn hơn dễ khoan và mạ hơn, ngay cả khi tấm mạch dày hơn
• Nếu tấm mạch quá dày, bạn có thể tăng chi phí trong sản xuất số lượng lớn do mòn công cụ
• Nhà sản xuất có thể thay đổi sức mạnh ném trong quá trình mạ xung để phù hợp với tỷ lệ khía cạnh cao

Vias xuyên lỗ với tỷ lệ khía cạnh cao (10:1 hoặc lớn hơn) dễ bị hỏng dưới tác động của chu kỳ nhiệt gần trung tâm của thân vias do sự giãn nở nhiệt nếu chúng không được mạ đúng cách. Nhà sản xuất bạn sử dụng nên có kinh nghiệm làm việc với vias tỷ lệ khía cạnh cao trong quá trình sản xuất của họ để đảm bảo bạn sẽ có một PCB đáng tin cậy không bị hỏng dưới chu kỳ nhiệt. Trước khi gửi một tấm mạch dày, hãy chắc chắn rằng họ có khả năng sản xuất vias của bạn với đủ lớp mạ tường để ngăn chặn sự hỏng hóc.

Rõ ràng, có một số sự đánh đổi trong thiết kế cần được xem xét khi lựa chọn độ dày của PCB cho bảng FR4, độ dày tiêu chuẩn của các lớp, và vật liệu lớp phủ. Các công cụ CAD và tính năng kiểm tra quy tắc trong Altium Designer^® giúp việc thiết kế thiết bị của bạn xung quanh độ dày tiêu chuẩn của FR4 trở nên dễ dàng. Để tìm hiểu thêm, hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium Designer ngày hôm nay.