PCB-materialen en basisprincipes van PCB-panelen

1. PCB Materiaal Grondbeginselen

1.1 Kerncomponenten van PCB-materialen

PCB-materialen, bekend als Koper-Clad Laminaten (CCL)vormen het substraat voor de productie van printplaten en bepalen rechtstreeks de afmetingen van de printplaat. elektrische prestatie, mechanische eigenschappen, thermische eigenschappenen maakbaarheid.

1.2 Gemeenschappelijk PCB Materiaal Soorten en Toepassingen

FR-4 materiaal

• Samenstelling: Glasvezeldoek + Epoxyhars
• Kenmerken: Kosteneffectief, evenwichtige mechanische en elektrische eigenschappen, vlamvertragend
• Toepassingen: Consumentenelektronica, computermoederborden, industriële besturingsborden en de meeste gangbare elektronische producten

Hoogfrequent/hogesnelheidsmaterialen

• Samenstelling: PTFE, koolwaterstoffen, keramische vulstoffen
• Kenmerken: Extreem lage diëlektrische constante (Dk) en dissipatiefactor (Df), minimaal signaaltransmissieverlies, uitstekende stabiliteit.
• Toepassingen: 5G-basisstationantennes, satellietcommunicatie, snelle netwerkapparatuur, autoradar

Metalen kern substraten

• Samenstelling: Thermisch geleidende isolatielaag + aluminium/koper substraat
• Kenmerken: Uitstekende warmteafvoer, hoge thermische geleidbaarheid
• Toepassingen: LED-verlichting, powermodules, vermogensversterkers, koplampen voor auto's

1.3 Belangrijkste prestatieparameters van PCB-materialen

Thermische prestatie-indicatoren

• Tg (glasovergangstemperatuur)
• Standaard FR-4 Tg: 130°C - 140°C
• Mid-Tg FR-4: 150°C - 160°C
• High-Tg FR-4: ≥ 170°C (geschikt voor loodvrije soldeerprocessen)
• Td (decompositietemperatuur)
• De temperatuur waarbij het substraat chemisch begint te ontbinden
• Hogere Td wijst op een betere stabiliteit bij hoge temperaturen

Elektrische prestatie-indicatoren

• Dk (diëlektrische constante)
• Beïnvloedt de voortplantingssnelheid van het signaal en de impedantie in het diëlektrische medium
• Lagere Dk-waarden zorgen voor snellere signaalpropagatie
• Df (dissipatiefactor)
• Energieverlies wanneer signalen zich door het diëlektrische medium voortplanten
• Lagere Df-waarden duiden op minder signaalverlies

Mechanische betrouwbaarheidsindicatoren

• CTE (thermische uitzettingscoëfficiënt)
• De Z-as (dikte richting) CTE moet geminimaliseerd worden om barsten in de vaten na meerdere reflow cycli te voorkomen.
• CAF Weerstand
• Voorkomt de vorming van geleidende anodische gloeidraden bij hoge temperaturen en vochtigheid

2. Gedetailleerd PCB-paneelisatieproces

2.1 Standaard paneelmaten

Standaard originele maten van leveranciers van PCB-materiaal dienen als basisinkoop- en inventariseenheden voor PCB-fabrikanten:

2.2 Optimalisatie van de grootte van het productiepaneel

Fabrikanten van printplaten snijden standaardpanelen in kleinere productiepanelen die geschikt zijn voor verwerking in de productielijn door middel van panelisatie, met als belangrijkste doel materiaalgebruik maximaliseren.

Optimalisatiestrategieën voor panelisatie:

• Gebruik gespecialiseerde lay-outsoftware voor optimaal paneelgebruik
• Houd rekening met de beperkingen van de verwerkingscapaciteit van de apparatuur
• Productie-efficiëntie in evenwicht brengen met materiaalgebruik

2.3 Belangrijke factoren die de grootte van het productiepaneel beïnvloeden

• Apparatuur Verwerkingsmogelijkheden: Maatbeperkingen van belichtingsmachines, etslijnen, persen enz.
• Overwegingen met betrekking tot productie-efficiëntie: Middelmatige maten verbeteren het productieritme en de opbrengst
• Materiaalgebruik: Kernoverweging met directe invloed op kostenbeheersing

3. Gedetailleerd PCB-laag Structuur en functies

3.1 Overzicht PCB-lagenstructuur

3.2 Diepgaande analyse van belangrijke lagen

Relatie tussen soldeermasker en soldeerpasta lagen

• Wederzijds uitsluitingsbeginsel: Gebieden met soldeermasker hebben geen soldeerpasta en omgekeerd
• Essentiële ontwerpen: Soldeermasker maakt gebruik van negatief beeldontwerp, soldeerpasta maakt gebruik van positief beeldontwerp

Ontwerpstrategie elektrische laag

• Borden met één laag: Slechts één geleidende laag
• Dubbellaagse borden: Bovenste en onderste geleidende lagen
• Meerlagige borden: 4 lagen of meer, binnenste lagen kunnen worden ingesteld als voedings- en aardingsvlakken met behulp van een negatieve afbeelding

Verschillen tussen mechanische lagen en zeefdruklagen

• Verschillende doeleinden: Zeefdruk helpt bij componentidentificatie; mechanische laag leidt PCB fabricage en fysieke assemblage
• Inhoudelijke verschillen: Zeefdruk bevat voornamelijk tekst en symbolen; de mechanische laag bevat fysieke afmetingen, boorlocaties, enz.

4. Praktische PCB-ontwerpgids

4.1 Basisprincipes onderdelenpakket

Essentiële pakketoverwegingen:

• Nauwkeurige overeenstemming met de afmetingen van fysieke componenten
• Onderscheid maken tussen DIP-pakketten (through-hole) en SMD-pakketten (surface-mount).
• Getallen als 0402, 0603 vertegenwoordigen afmetingen van componenten (eenheid: inch)

4.2 Selectie van het voedingsontwerp

Schakelende vs. lineaire voedingen

4.3 Gestandaardiseerd PCB-ontwerpproces

Fase 1: Schematisch ontwerp

• Voorbereiding onderdelenbibliotheek

• Pakketten maken op basis van de werkelijke afmetingen van componenten
• Aanbevolen om gevestigde bibliotheken zoals JLCPCB te gebruiken
• 3D-modellen toevoegen voor visuele verificatie

• Schematische schakeltekening

• Referentietoepassingscircuits geleverd door chipfabrikanten
• Leer van bewezen moduleontwerpen
• Online bronnen (CSDN, technische forums) gebruiken voor referentieontwerpen

Fase 2: PCB-indeling en frezen

• Richtlijnen voor het plaatsen van onderdelen

• Compacte plaatsing van functionele modules
• Houd warmteproducerende onderdelen uit de buurt van gevoelige apparaten
• Volg de lay-outaanbevelingen in de chipdatasheets

• Specificaties signaalroutering

• Spoorbreedte: 10-15mil (reguliere signalen)
• Vermijd scherpe en rechthoekige sporen
• Plaats kristallen dicht bij IC's zonder sporen eronder

• Beheer voeding en grondvlak

• Voedingsspoorbreedte: 30-50mil (aangepast op basis van stroom)
• Aardverbindingen kunnen worden gemaakt door koper te gieten
• Gebruik vias op de juiste manier om verschillende lagen te verbinden

5. Professionele ontwerptechnieken en overwegingen

5.1 Ontwerpen van circuits met hoge snelheid

• Impedantie aanpassing: 50Ω enkelzijdig, 90/100Ω differentieel
• Signaalintegriteit: Overweeg transmissielijneffecten, stuurreflecties en overspraak.
• Stroomintegriteit: Adequate plaatsing van ontkoppelingscondensator

5.2 Strategieën voor thermisch beheer

• Prioriteit geven aan paden voor warmteafvoer voor apparaten met hoog vermogen
• Selecteer materialen met een hoge warmtegeleiding (metalen kern, materialen met een hoge Tg)
• Correct gebruik van thermische aansluitingen

5.3 Ontwerp voor productie (DFM)

• Voldoen aan de procesmogelijkheden van de PCB-fabrikant
• Stel de juiste veiligheidsafstanden in
• Ontwerp met panelen overwegen