1. Fundamentos de los materiales de PCB
1.1 Componentes básicos de los materiales para PCB
Los materiales de los PCB, conocidos como Laminados de cobre (CCL)de la placa de circuito impreso, determinando directamente la calidad de la placa. rendimiento eléctrico, propiedades mecánicas, características térmicasY, fabricabilidad.
| Componente | Función y características | Composición del material |
|---|
| Capa aislante | Proporciona aislamiento eléctrico y soporte mecánico | Resina epoxi, tela de fibra de vidrio, PTFE, etc. |
| Capa conductora | Forma vías de conexión de circuitos | Lámina de cobre electrolítico, lámina de cobre laminada (normalmente de 35-50μm de grosor). |
1.2 Tipos de materiales de PCB comunes y aplicaciones
Material FR-4
- Composición: Tejido de fibra de vidrio + resina epoxi
- Características: Rentable, propiedades mecánicas y eléctricas equilibradas, ignífugo
- Aplicaciones: Electrónica de consumo, placas base de ordenador, tarjetas de control industrial y los productos electrónicos más comunes.
Materiales de alta frecuencia/alta velocidad
- Composición: PTFE, hidrocarburos, rellenos cerámicos
- Características: Constante dieléctrica (Dk) y factor de disipación (Df) extremadamente bajos, mínima pérdida de transmisión de señal, excelente estabilidad
- Aplicaciones: Antenas de estaciones base 5G, comunicaciones por satélite, equipos de redes de alta velocidad, radares de automoción
Sustratos con núcleo metálico
- Composición: Capa aislante termoconductora + sustrato de aluminio/cobre
- Características: Excelente rendimiento de disipación del calor, alta conductividad térmica
- Aplicaciones: Iluminación LED, módulos de potencia, amplificadores de potencia, faros para automóviles
1.3 Principales parámetros de rendimiento de los materiales para PCB
Indicadores de rendimiento térmico
- Tg (temperatura de transición vítrea)
- FR-4 estándar Tg: 130°C - 140°C
- Mid-Tg FR-4: 150°C - 160°C
- High-Tg FR-4: ≥ 170°C (apto para procesos de soldadura sin plomo)
- Td (Temperatura de descomposición)
- La temperatura a la que el sustrato comienza la descomposición química
- Una mayor Td indica una mayor estabilidad a altas temperaturas
Indicadores de rendimiento eléctrico
- Dk (Constante dieléctrica)
- Afecta a la velocidad de propagación de la señal y a la impedancia en el medio dieléctrico
- Los valores Dk más bajos permiten una propagación más rápida de la señal
- Df (Factor de disipación)
- Pérdida de energía cuando las señales se propagan a través del medio dieléctrico
- Los valores Df más bajos indican una menor pérdida de señal
Indicadores de fiabilidad mecánica
- CTE (Coeficiente de expansión térmica)
- El ETC del eje Z (dirección del espesor) debe reducirse al mínimo para evitar el agrietamiento del barril tras múltiples ciclos de reflujo.
- Resistencia CAF
- Evita la formación de filamentos anódicos conductores en condiciones de alta temperatura y humedad
2. Proceso detallado de panelización de PCB
2.1 Dimensiones estándar de los paneles
Los tamaños originales estándar de los proveedores de material de PCB sirven como unidades básicas de adquisición e inventario para los fabricantes de PCB:
| Tamaño Tipo | Especificaciones comunes | Materiales aplicables |
|---|
| Tallas principales | 36″ × 48″, 40″ × 48″, 42″ × 48″ | FR-4 y otros materiales rígidos |
| Tamaños a medida | Adaptado a las necesidades del cliente | Tarjetas de alta frecuencia, tarjetas de núcleo metálico |
2.2 Optimización del tamaño del panel de producción
Los fabricantes de placas de circuito impreso cortan los paneles estándar en paneles de producción más pequeños adecuados para el procesamiento en línea de producción mediante panelización, con el objetivo principal de maximizar la utilización del material.
Estrategias de optimización de la panelización:
- Utilice software de diseño especializado para un aprovechamiento óptimo del panel
- Considerar las limitaciones de la capacidad de procesamiento del equipo
- Equilibrar la eficiencia de la producción con la utilización del material
2.3 Factores clave que influyen en el tamaño de los paneles de producción
- Capacidad de procesamiento de equipos: Limitaciones de tamaño de las máquinas de exposición, líneas de grabado, prensas, etc.
- Consideraciones sobre la eficiencia de la producción: Los tamaños moderados mejoran el ritmo de producción y los índices de rendimiento
- Utilización del material: Consideración básica que incide directamente en el control de costes
3. Detallado Capa de PCB Estructura y funciones
3.1 Visión general de la estructura de capas de la placa de circuito impreso
| Tipo de capa | Descripción de lafunción | Características visuales |
|---|
| Capa de serigrafía | Marca los designadores y contornos de los componentes | Caracteres blancos (cuando la máscara de soldadura es verde) |
| Capa de máscara de soldadura | La protección del aislamiento evita cortocircuitos | Tinta verde o de otro color (imagen negativa) |
| Capa de pasta de soldadura | Ayuda a soldar, mejora la soldabilidad | Estañado o dorado de las pastillas (imagen positiva) |
| Capa eléctrica | Enrutamiento de señales, conexiones eléctricas | Trazas de cobre, planos internos en placas multicapa |
| Capa mecánica | Definición de estructura física | Contorno del tablero, ranuras y marcas de dimensiones |
| Capa de perforación | Definición de los datos de perforación | Localización de orificios pasantes, vías ciegas y vías enterradas |
3.2 Análisis en profundidad de las capas clave
Relación entre las capas de máscara de soldadura y pasta de soldadura
- Principio de exclusión mutua: Las zonas con máscara de soldadura no tienen pasta de soldadura, y viceversa
- Fundamentos del diseño: La máscara de soldadura utiliza un diseño de imagen negativa, la pasta de soldadura utiliza un diseño de imagen positiva.
Estrategia de diseño de la capa eléctrica
- Placas monocapa: Sólo una capa conductora
- Tarjetas de doble capa: Capas conductoras superior e inferior
- Placas multicapa: 4 capas o más, las capas interiores pueden establecerse como planos de potencia y de tierra utilizando una imagen negativa.
Diferencias entre capa mecánica y capa serigráfica
- Diferentes objetivos: La serigrafía ayuda a identificar los componentes; la capa mecánica guía la fabricación y el montaje físico de las placas de circuito impreso.
- Diferencias de contenido: La serigrafía contiene principalmente texto y símbolos; la capa mecánica incluye las dimensiones físicas, la ubicación de los taladros, etc.
4. Guía práctica de diseño de placas de circuito impreso
4.1 Conceptos básicos de los paquetes de componentes
Consideraciones esenciales del paquete:
- Coincidencia exacta de las dimensiones físicas de los componentes
- Distinguir entre encapsulados con orificios pasantes (DIP) y encapsulados de montaje superficial (SMD).
- Números como 0402, 0603 representan las dimensiones de los componentes (unidad: pulgadas)
4.2 Selección del diseño de la fuente de alimentación
Fuentes de alimentación conmutadas y lineales
| Tipo de potencia | Ventajas | Desventajas | Escenarios de aplicación |
|---|
| Fuente de alimentación conmutada | Alta eficiencia (80%-95%) | Gran ondulación, diseño complejo | Aplicaciones de alta potencia, dispositivos alimentados por batería |
| Fuente de alimentación lineal | Baja ondulación, diseño sencillo | Baja eficiencia, importante generación de calor | Circuitos sensibles al ruido y de bajo consumo |
| LDO | Baja caída, bajo ruido | Eficiencia relativamente baja | Aplicaciones de baja caída, circuitos de RF |
4.3 Proceso normalizado de diseño de PCB
Fase 1: Diseño esquemático
- Preparación de la biblioteca de componentes
- Cree paquetes basados en las dimensiones reales de los componentes
- Se recomienda utilizar bibliotecas establecidas como JLCPCB
- Añadir modelos 3D para la verificación visual
- Dibujo esquemático del circuito
- Circuitos de aplicación de referencia proporcionados por los fabricantes de chips
- Aprenda de los diseños de módulos probados
- Utilizar recursos en línea (CSDN, foros técnicos) para diseños de referencia.
Fase 2: Trazado y encaminamiento de la placa de circuito impreso
- Directrices para la colocación de componentes
- Colocación compacta de módulos funcionales
- Mantenga los componentes que generan calor alejados de los dispositivos sensibles
- Siga las recomendaciones de disposición de las fichas técnicas de los chips
- Especificaciones de enrutamiento de señales
- Ancho de traza: 10-15mil (señales regulares)
- Evite los trazos agudos y en ángulo recto
- Coloca los cristales cerca de los circuitos integrados sin dejar trazas por debajo
- Gestión de la alimentación y del plano de tierra
- Anchura de la traza de potencia: 30-50mil (ajustada en función de la corriente)
- Las conexiones a tierra pueden realizarse mediante vertido de cobre
- Utilizar adecuadamente las vías para conectar las distintas capas
5. Técnicas y consideraciones de diseño profesional
5.1 Fundamentos del diseño de circuitos de alta velocidad
- Adaptación de impedancias: 50Ω monotensión, 90/100Ω diferencial
- Integridad de la señal: Considera los efectos de la línea de transmisión, las reflexiones de control y la diafonía.
- Integridad energética: Colocación adecuada del condensador de desacoplamiento
5.2 Estrategias de gestión térmica
- Priorizar las vías de disipación de calor para dispositivos de alta potencia
- Seleccionar materiales de alta conductividad térmica (núcleo metálico, materiales de alta Tg).
- Uso adecuado de las vías térmicas
5.3 Diseño para la fabricación (DFM)
- Cumplir con las capacidades de proceso del fabricante de placas de circuito impreso.
- Establecer las distancias de seguridad adecuadas
- Considerar el diseño de panelización