PCB-materiaalit ja paneloinnin perusteet

1. PCB-materiaalin perusteet

1.1 PCB-materiaalien ydinkomponentit

PCB-materiaalit, jotka tunnetaan nimellä Kupari-Clad-laminaatit (CCL)muodostavat alustan painettujen piirilevyjen valmistusta varten, mikä määrittää suoraan levyn sähköinen suorituskyky, mekaaniset ominaisuudet, lämpöominaisuudetja valmistettavuus.

1.2 Yleiset PCB-materiaalityypit ja sovellukset

FR-4 materiaali

• Koostumus: Lasikuitukangas + epoksihartsi
• Ominaisuudet: Kustannustehokas, tasapainoiset mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet, paloturvallinen.
• Sovellukset: Viihde-elektroniikka, tietokoneiden emolevyt, teollisuuden ohjauslevyt ja yleisimmät elektroniikkatuotteet.

Suurtaajuus- ja suurnopeusmateriaalit

• Koostumus: PTFE, hiilivedyt, keraamiset täyteaineet.
• Ominaisuudet: Erittäin alhainen dielektrisyysvakio (Dk) ja häviökerroin (Df), minimaalinen signaalin siirtohäviö, erinomainen vakaus.
• Sovellukset: 5G-tukiasemien antennit, satelliittiviestintä, suurnopeusverkkolaitteet, autojen tutkat.

Metalliydinmateriaalit

• Koostumus: Lämpöä johtava eristekerros + alumiini/kupari-alusta.
• Ominaisuudet: Erinomainen lämmöntuottokyky, korkea lämmönjohtavuus.
• Sovellukset: LED-valaistus, tehomoduulit, tehovahvistimet, autojen ajovalot.

1.3 PCB-materiaalien tärkeimmät suorituskykyparametrit

Lämpötehoa kuvaavat indikaattorit

• Tg (lasin siirtymislämpötila)
• Standard FR-4 Tg: 130°C - 140°C
• Mid-Tg FR-4: 150°C - 160°C
• High-Tg FR-4: ≥ 170°C (soveltuu lyijyttömiä juotosprosesseja varten)
• Td (hajoamislämpötila)
• Lämpötila, jossa substraatti alkaa kemiallisesti hajota.
• Korkeampi Td osoittaa parempaa korkean lämpötilan stabiilisuutta.

Sähköiset suorituskykyindikaattorit

• Dk (dielektrinen vakio)
• Vaikuttaa signaalin etenemisnopeuteen ja impedanssiin dielektrisessä väliaineessa.
• Pienemmät Dk-arvot mahdollistavat nopeamman signaalin etenemisen
• Df (häviökerroin)
• Energiahäviö, kun signaalit etenevät dielektrisen väliaineen läpi.
• Pienemmät Df-arvot merkitsevät vähäisempää signaalin häviämistä

Mekaanisen luotettavuuden indikaattorit

• CTE (lämpölaajenemiskerroin)
• Z-akselin (paksuuden suunta) CTE on minimoitava, jotta estetään tynnyrin halkeilu useiden reflow-syklien jälkeen.
• CAF Vastustus
• Estää johtavien anodisten säikeiden muodostumisen korkeissa lämpötiloissa ja kosteusolosuhteissa.

2. Yksityiskohtainen PCB Panelization Process

2.1 Vakiopaneelien koot

PCB-materiaalien toimittajien alkuperäiset standardikoot toimivat PCB-valmistajien perushankinta- ja varastoyksikköinä:

2.2 Tuotantopaneelin koon optimointi

PCB-valmistajat leikkaavat standardipaneelit pienemmiksi tuotantopaneeleiksi, jotka soveltuvat tuotantolinjan käsittelyyn paneloinnin avulla, ja niiden keskeisenä tavoitteena on materiaalin käytön maksimointi.

Paneloinnin optimointistrategiat:

• Käytä erikoistunutta layout-ohjelmistoa paneelin optimaaliseen hyödyntämiseen
• Ota huomioon laitteiden käsittelykyvyn rajoitukset
• Tuotannon tehokkuuden ja materiaalin käytön tasapainottaminen

2.3 Tuotantopaneelien kokoon vaikuttavat keskeiset tekijät

• Laitteiden käsittelyvalmiudet: Valotuskoneiden, syövytyslinjojen, puristimien jne. kokorajoitukset.
• Tuotannon tehokkuutta koskevat näkökohdat: Kohtuulliset koot parantavat tuotantorytmiä ja satotasoa.
• Materiaalin käyttö: Keskeinen näkökohta, joka vaikuttaa suoraan kustannusten valvontaan

3. Yksityiskohtainen PCB-kerros Rakenne ja toiminnot

3.1 Kattava PCB-kerrosrakenteen yleiskatsaus

3.2 Tärkeimpien kerrosten perusteellinen analyysi

Juotosmaski- ja juotospastakerroksen suhde

• Vastavuoroisen poissulkemisen periaate: Alueilla, joissa on juotosmaski, ei ole juotospastaa ja päinvastoin.
• Suunnittelun perusteet: Juotosmaski käyttää negatiivista kuvasuunnittelua, juotospasta käyttää positiivista kuvasuunnittelua.

Sähkökerroksen suunnittelustrategia

• Yksikerroksiset levyt: Vain yksi johtava kerros
• Kaksikerroksiset levyt: Ylin ja alin johtava kerros
• Monikerroksiset levyt: 4 kerrosta tai enemmän, sisemmät kerrokset voidaan asettaa teho- ja maatasoiksi käyttämällä negatiivista kuvaa.

Mekaanisen kerroksen ja silkkipainokerroksen erot

• Eri tarkoitukset: Silkkipaino auttaa komponenttien tunnistamisessa; mekaaninen kerros ohjaa PCB:n valmistusta ja fyysistä kokoonpanoa.
• Sisällölliset erot: Mekaaninen kerros sisältää fyysiset mitat, porauspaikat jne.

4. Käytännön PCB-suunnitteluopas

4.1 Komponenttipaketin perusteet

Olennaiset pakettihuomautukset:

• vastaa tarkasti fyysisten komponenttien mittoja
• Erottaa toisistaan läpivientireikäiset (DIP) ja pinta-asennettavat (SMD) pakkaukset.
• Numerot kuten 0402, 0603 edustavat komponenttien mittoja (yksikkö: tuuma).

4.2 Virtalähteen suunnittelun valinta

Kytkentä vs. lineaariset virtalähteet

4.3 Standardoitu PCB-suunnitteluprosessi

Vaihe 1: Luonnossuunnittelu

• Komponenttikirjaston valmistelu

• Luo paketteja komponenttien todellisten mittojen perusteella
• Suositellaan käyttämään vakiintuneita kirjastoja, kuten JLCPCB:tä.
• Lisää 3D-malleja visuaalista todentamista varten

• Piirikaavio piirustus

• Siruvalmistajien toimittamat referenssisovelluspiirit
• Opi hyväksi havaituista moduulimalleista
• Verkkolähteiden (CSDN, tekniset foorumit) hyödyntäminen referenssisuunnitelmien löytämiseksi.

Vaihe 2: PCB-asettelu ja reititys

• Komponenttien sijoittamista koskevat ohjeet

• Toiminnallisten moduulien kompakti sijoittelu
• Pidä lämpöä tuottavat komponentit kaukana herkistä laitteista.
• Noudata sirujen tietolehdissä annettuja asettelusuosituksia

• Signaalin reitityksen tekniset tiedot

• Jäljen leveys: 10-15mil (säännölliset signaalit)
• Vältä teräviä ja suorakulmaisia jälkiä.
• Sijoita kiteet lähelle integroituja piirilevyjä ilman jälkiä niiden alla.

• Tehon ja maatason hallinta

• Tehojäljen leveys: 30-50mil (säädetään virran mukaan)
• Maadoitusliitännät voidaan toteuttaa kuparivalun avulla
• Käytä läpivientejä eri kerrosten yhdistämiseen tarkoituksenmukaisesti

5. Ammattimaiset suunnittelutekniikat ja -näkökohdat

5.1 Suurnopeuspiirien suunnittelun perusteet

• Impedanssin sovitus: 50Ω single-ended, 90/100Ω differentiaali
• Signaalin eheys: Siirtojohtovaikutusten, ohjausheijastusten ja ristikkäisäänen huomioon ottaminen.
• Virran eheys: Riittävän purkauskondensaattorin sijoittaminen

5.2 Lämmönhallintastrategiat

• Suuritehoisten laitteiden lämmöntuottoreittien priorisointi
• Valitaan korkean lämmönjohtavuuden omaavia materiaaleja (metalliydin, korkean Tg-arvon omaavat materiaalit).
• Lämpöläpivientien asianmukainen käyttö

5.3 Valmistussuunnittelu (DFM)

• Noudata PCB-valmistajan prosessivalmiuksia.
• Aseta asianmukaiset turvavälit
• Harkitse paneloinnin suunnittelua