PCB-Materialien und Grundlagen der Verkleidung

1. Grundlagen des PCB-Materials

1.1 Kernbestandteile von PCB-Materialien

PCB-Materialien, bekannt als Kupfer-Clad-Laminate (CCL)Sie bilden das Substrat für die Herstellung von Leiterplatten und bestimmen direkt die Eigenschaften der Platte. elektrische Leistung, mechanische Eigenschaften, thermische Eigenschaftenund Herstellbarkeit.

1.2 Gängige PCB-Materialtypen und Anwendungen

FR-4 Werkstoff

• Zusammensetzung: Glasfasergewebe + Epoxidharz
• Merkmale: Kostengünstig, ausgewogene mechanische und elektrische Eigenschaften, flammhemmend
• Anwendungen: Unterhaltungselektronik, Computer-Hauptplatinen, industrielle Steuerplatinen und die meisten gängigen elektronischen Produkte

Hochfrequenz-/Hochgeschwindigkeitsmaterialien

• Zusammensetzung: PTFE, Kohlenwasserstoffe, keramische Füllstoffe
• Merkmale: Extrem niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk) und Verlustfaktor (Df), minimaler Signalübertragungsverlust, ausgezeichnete Stabilität
• Anwendungen: Antennen für 5G-Basisstationen, Satellitenkommunikation, Hochgeschwindigkeitsnetzwerke, Kfz-Radar

Metallkern-Substrate

• Zusammensetzung: Wärmeleitende Isolierschicht + Aluminium-/Kupfersubstrat
• Merkmale: Hervorragende Wärmeableitungsleistung, hohe Wärmeleitfähigkeit
• Anwendungen: LED-Beleuchtung, Leistungsmodule, Leistungsverstärker, Autoscheinwerfer

1.3 Wichtige Leistungsparameter von PCB-Materialien

Thermische Leistungsindikatoren

• Tg (Glasübergangstemperatur)
• Standard FR-4 Tg: 130°C - 140°C
• Mittlere Tg FR-4: 150°C - 160°C
• High-Tg FR-4: ≥ 170°C (geeignet für bleifreie Lötprozesse)
• Td (Zersetzungstemperatur)
• Die Temperatur, bei der die chemische Zersetzung des Substrats beginnt
• Höherer Td-Wert bedeutet bessere Hochtemperaturstabilität

Elektrische Leistungsindikatoren

• Dk (Dielektrizitätskonstante)
• Beeinflusst die Signalausbreitungsgeschwindigkeit und die Impedanz im dielektrischen Medium
• Niedrigere Dk-Werte ermöglichen eine schnellere Signalausbreitung
• Df (Dissipationsfaktor)
• Energieverlust bei der Ausbreitung von Signalen durch das dielektrische Medium
• Geringere Df-Werte bedeuten weniger Signalverlust

Mechanische Zuverlässigkeitsindikatoren

• CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient)
• Der WAK in der Z-Achse (Dickenrichtung) sollte minimiert werden, um Rissbildung in der Trommel nach mehreren Reflow-Zyklen zu verhindern.
• CAF-Widerstand
• Verhindert die Bildung leitfähiger anodischer Fäden bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit

2. Detaillierter PCB-Panelisierungsprozess

2.1 Standardplattengrößen

Standard-Originalgrößen von Leiterplattenmaterial-Lieferanten dienen als grundlegende Beschaffungs- und Bestandseinheiten für Leiterplattenhersteller:

2.2 Optimierung der Produktionspanelgröße

Die Leiterplattenhersteller schneiden Standardplatten in kleinere Produktionsplatten, die für die Verarbeitung in Produktionslinien geeignet sind, mit dem Hauptziel Maximierung der Materialausnutzung.

Optimierungsstrategien für die Panelisierung:

• Verwenden Sie eine spezielle Layout-Software für die optimale Ausnutzung des Panels
• Berücksichtigen Sie die Grenzen der Verarbeitungsmöglichkeiten der Geräte
• Gleichgewicht zwischen Produktionseffizienz und Materialausnutzung

2.3 Schlüsselfaktoren, die die Größe der Produktionsplatten beeinflussen

• Ausrüstung Verarbeitungskapazitäten: Größenbeschränkungen von Belichtungsmaschinen, Ätzlinien, Pressen usw.
• Überlegungen zur Produktionseffizienz: Moderate Größen verbessern den Produktionsrhythmus und die Ertragsraten
• Materialverwendung: Kernüberlegung mit direktem Einfluss auf die Kostenkontrolle

3. Ausführlich PCB-Schicht Struktur und Funktionen

3.1 Übersicht über den Aufbau von PCB-Lagen

3.2 Eingehende Analyse der wichtigsten Schichten

Beziehung zwischen Lötstoppmaske und Lötpastenebene

• Das Prinzip des gegenseitigen Ausschlusses: Bereiche mit Lötmaske haben keine Lötpaste, und umgekehrt
• Design-Essentials: Die Lötmaske verwendet ein negatives Bilddesign, die Lötpaste ein positives Bilddesign

Entwurfsstrategie für die elektrische Schicht

• Einschichtige Bretter: Nur eine leitende Schicht
• Doppellagige Bretter: Obere und untere leitende Schichten
• Mehrschichtige Boards: 4 Lagen oder mehr, innere Lagen können als Stromversorgungs- und Erdungsebenen mit Hilfe eines Negativbildes eingestellt werden

Unterschiede zwischen mechanischer Schicht und Siebdruckschicht

• Unterschiedliche Verwendungszwecke: Der Siebdruck hilft bei der Identifizierung der Komponenten; die mechanische Schicht leitet die Leiterplattenherstellung und die physische Montage.
• Inhaltliche Unterschiede: Der Siebdruck enthält in erster Linie Text und Symbole; die mechanische Schicht enthält die physischen Abmessungen, die Bohrstellen usw.

4. Praktischer PCB-Design-Leitfaden

4.1 Grundlagen des Komponentenpakets

Wesentliche Überlegungen zum Paket:

• Genaue Übereinstimmung mit den Abmessungen der physischen Komponenten
• Unterscheidung zwischen durchkontaktierten (DIP) und oberflächenmontierten (SMD) Gehäusen
• Zahlen wie 0402, 0603 stehen für Bauteilabmessungen (Einheit: Zoll)

4.2 Auswahl des Stromversorgungsdesigns

Schaltnetzteile vs. Lineare Stromversorgungen

4.3 Standardisierter PCB-Designprozess

Phase 1: Schematischer Entwurf

• Vorbereitung der Komponentenbibliothek

• Erstellen von Paketen auf der Grundlage der tatsächlichen Komponentenabmessungen
• Es wird empfohlen, etablierte Bibliotheken wie JLCPCB zu verwenden.
• Hinzufügen von 3D-Modellen zur visuellen Überprüfung

• Schaltplan-Zeichnung

• Referenzanwendungsschaltungen, die von Chip-Herstellern bereitgestellt werden
• Lernen Sie von bewährten Moduldesigns
• Nutzung von Online-Ressourcen (CSDN, technische Foren) für Referenzdesigns

Phase 2: PCB-Layout und Routing

• Richtlinien für die Platzierung von Komponenten

• Kompakte Platzierung von Funktionsmodulen
• Halten Sie wärmeerzeugende Komponenten von empfindlichen Geräten fern
• Beachten Sie die Layout-Empfehlungen in den Chip-Datenblättern

• Spezifikationen für das Signal-Routing

• Leiterbahnbreite: 10-15mil (regelmäßige Signale)
• Vermeiden Sie spitze und rechtwinklige Kurven
• Platzieren Sie Quarze in der Nähe von ICs, ohne dass sich Leiterbahnen darunter befinden.

• Management der Strom- und Bodenebene

• Leiterbahnbreite: 30-50mil (je nach Stromstärke angepasst)
• Masseverbindungen können durch Kupfergießen hergestellt werden
• Geeignete Verwendung von Durchkontaktierungen zur Verbindung verschiedener Schichten

5. Professionelle Gestaltungstechniken und Überlegungen

5.1 Grundlagen des Entwurfs von Hochgeschwindigkeitsschaltungen

• Impedanzanpassung: 50Ω single-ended, 90/100Ω differential
• Signalintegrität: Berücksichtigung von Übertragungsleitungseffekten, Steuerreflexionen und Nebensprechen
• Integrität der Stromversorgung: Angemessene Platzierung von Entkopplungskondensatoren

5.2 Wärmemanagement-Strategien

• Priorisierung von Wärmeableitungspfaden für Geräte mit hoher Leistung
• Auswahl von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Metallkern, Materialien mit hoher Tg)
• Richtige Verwendung von Durchkontaktierungen

5.3 Entwurf für die Fertigung (DFM)

• Übereinstimmung mit den Prozessfähigkeiten des Leiterplattenherstellers
• Angemessene Sicherheitsabstände festlegen
• Überlegen Sie sich ein Design für die Verkleidung