Painetut piirilevyt (PCB) muodostavat elektroniikkatuotteiden keskeisen luurangon, joka ei ainoastaan kanna komponentteja vaan myös määrittää laitteen suorituskyvyn ja luotettavuuden. Tässä artikkelissa perehdytään keskeisiin tekijöihin, kuten piirilevyjen suunnitteluperiaatteisiin, materiaalivalintoihin ja laadunvalvontaan.
Mikä on piirilevy?
Piirilevyt luovat sähköisiä yhteyksiä kuparifolion avulla eristävälle alustalle, mikä korvaa monimutkaiset johdotukset ja mahdollistaa signaalinsiirron ja virranjakelun komponenttien välillä. "Elektroniikkatuotteiden äitinä" tunnetut piirilevyt ovat kehittyneet varhaisista yksikerrosrakenteista monimutkaisiin muotoihin, kuten Suuren tiheyden yhteenliitäntä (HDI) ja Joustavat piirittukien vaatimuksia kulutuselektroniikasta ilmailu- ja avaruusalalle.
Keskeisten mittareiden kehitys
| Era | Päävirran kerrokset | Viivan leveys Tarkkuus | Materiaalin kehittäminen |
|---|
| 1950s | Yksipuolinen | >1mm | Paperipohjainen CCL |
| 1980s | 2-4 kerrosta | 0.2-0.5mm | FR-4 standardointi |
| 2000s | 6-8 kerrosta | 0.1mm | Suurtaajuusmateriaalit |
| Nykyinen | 10-20+ kerrosta | <0.05mm | Jäykkä-Flex-yhdistelmä |
PCB:n ydintoiminnot
- Sähköinen yhteenliittäminen - Mahdollistaa täydellisen signaalinsiirron tarkan reitityksen avulla; korkeataajuuspiirit vaativat valvottuja ominaisimpedanssi.
- Mekaaninen tuki - Tarjoaa vakaan kiinnityspinnan pakkauksille, kuten BGA, QFN.
- Lämmönhallinta - Haihduttaa lämpöä lämpöläpivientien ja metalliytimisten alustojen (esim. LED-valaistuslevyt) kautta.
- Sähkömagneettinen yhteensopivuus - Vähentää signaalien ristikkäisvuotoa monikerroksisen teho-/maakerrosten päällekkäissuunnittelun avulla.
Todellinen tapaus: Älypuhelimen emolevyt käyttävät Minkä tahansa kerroksen HDI teknologia, jolla saavutetaan 0,3 mm:n BGA-routing 10-kerroksisessa pinossa ja integroidaan samalla antennin RF-piirit.
Täydellinen katsaus PCB-luokitukseen
Luokittelu kerrosten lukumäärän mukaan
- Yksipuolinen - Edullisimmat kustannukset, soveltuu yksinkertaisiin piireihin (esim. tehomoduulit).
- Kaksipuolinen - Optimaalinen kustannustehokkuus, läpivientien kautta kulkevat liitännät
- Monikerroksinen - 4-30+ kerrosta, tukee monimutkaisia IC-liitäntöjä (esim. palvelimien emolevyt).
Luokittelu alustan mukaan
| Tyyppi | Ominaisuudet | Sovellusskenaariot |
|---|
| Jäykkä piirilevy | Mittapysyvyys, korkea lujuus | Tietokoneet, teollisuuden ohjauslaitteet |
| Joustava piirilevy | Taivutettava, väsymiskestävä | Puettavat laitteet, kameramoduulit |
| Jäykkä-Flex | Tasapainottaa vakautta ja 3D-reititystä | Lääkinnälliset laitteet, ilmailu- ja avaruusala |
PCB-materiaalin valintaopas
Yhteisen substraatin vertailu
FR-4 epoksi lasikangas
├── Edut: Edulliset kustannukset (¥80-200/㎡), kypsä käsittely.
├── Rajoitukset: Suuret korkeataajuushäviöt, kohtalainen lämmönkestävyys.
└── Sovellukset: Elektroniikka: Viihde-elektroniikka, sähkölaitteet
Rogersin suurtaajuussarja
├── Edut: Vakaa dielektrisyysvakio, alhainen häviötangentti.
├── Rajoitukset: Korkeat kustannukset (5-8x FR-4)
└── Sovellukset: 5G-tukiasemat, tutkajärjestelmät
Metal Core PCB (MCPCB)
├── Edut: Erinomainen lämpöhäviö (1-3W/m-K).
├── Rajoitukset: Vaikea monikerroksinen valmistus
└── Sovellukset: Suuritehoiset LEDit, autoteollisuuden elektroniikka
Joustavat polyimidilevyt
├── Edut: Kestää >100k taivutusta
├── Rajoitukset: Vaikeudet: Korkea kosteuden imeytyminen, vaatii esipaistoa
└── Sovellukset: Taitettavat puhelimet, dynaamiset laitteet
Valintapäätösprosessi
- Määrittele sähkötarpeet - Korkeilla taajuuksilla > 1 GHz, suositaan matalahäviöisiä materiaaleja.
- Ympäristöolosuhteiden arviointi - Korkean lämpötilan ympäristöihin on valittava korkean Tg:n materiaalit (>170 ℃).
- Mekaaniset vaatimukset - Tärisevissä ympäristöissä kannattaa harkita jäykkä-joustava rakenne.
- Kustannusten optimointi - Käytä FR-4:ää kulutuselektroniikan päämateriaalina, sekoitetaan materiaaleja paikallisesti.
Asettelun periaatteet
- Lohkopohjainen asettelu - Osioinnin tekeminen toiminnon mukaan (RF, digitaalinen, analoginen erottelu)
- Lämmönhallinnan priorisointi - Sijoita suuritehoiset laitteet lähelle levyn reunaa tai lämmöntuottoreittiä.
- Signaalivirran suuntaus - Minimoi korkeataajuisten signaalien jäljityspituus.
Reititysmäärittelyt
Jäljen leveys vs. nykyinen kapasiteetti (1 oz kuparia)
┌────────────┬──────────────────┐
│ Virta │ Suositeltu leveys│
├────────────┼──────────────────┤
│ 1A │ 0,5 mm │
│ 3A │ 1,5 mm │
│ 5A │ 2.5mm │
└────────────┴──────────────────┘
- Tiukasti valvottu pituuden sovittaminen suurnopeusdifferentiaalipareille (±5mil)
- Vältä 90° kulmia, käytä 45° tai kaarijälkiä.
Laadunvalvonta: Koko prosessi raaka-aineesta valmiiseen tuotteeseen
Yleiset viat ja vastatoimet
| Vian tyyppi | Syy | Ratkaisu |
|---|
| Kuparifolion kuorinta | Riittämätön materiaalin tarttuvuus | Optimoi laminointiparametrit |
| Signaalin vääristyminen | Impedanssin säätöpoikkeama | Parantaa etsaus kompensaatiota |
| Huono juotettavuus | Virheellinen tyynyn muotoilu | Lisää juotosmaskin pato |
| EMIN/OFF) | Kohtuuton pinoamisrakenne | Säädä maadoitusjärjestelmä |
Tarkastusprosessi
Raaka-aineen tarkastus → Sisäisen kerroksen kuvantaminen → AOI-tarkastus → Laminointi
→ Poraus ja pinnoitus → Ulkokerroksen kuvantaminen → Juotosmaski ja silkkipaino → Sähkötesti ja pakkausmenetelmät
Nykyaikaiset PCB-tehtaat yhdistävät Automaattinen optinen tarkastus (AOI) kanssa Lentävän koettimen testi tuotteen saannon varmistamiseksi > 98%.
PCB-teollisuuden ketjun panoraama
Ylävirtaan: Keskivirta: lasikuitu/kuparifolio/hartsi → Keskivirta: PCB-valmistus → Jatkoketju: CCL/Prepreg → Jatkoketju: CCL/Prepreg → PCB-valmistus Elektroniikan kokoonpano
Kiinasta on tullut maailman suurin piirilevyjen tuotantopaikka, jonka osuus maailman tuotannon arvosta on 56%, ja korkean lisäarvon tuotteiden, kuten HDI- ja joustavien levyjen, osuus kasvaa jatkuvasti.