1. Основы материалов печатных плат
1.1 Основные компоненты материалов печатных плат
Материалы для печатных плат, известные как Ламинат Copper-Clad (CCL)образуют подложку для изготовления печатных плат, непосредственно определяя их электрические характеристики, механические свойства, тепловые характеристики, и технологичность.
| Ii. Компонент | Функции и характеристики | Состав материала |
|---|
| Изолирующий слой | Обеспечивает электроизоляцию и механическую поддержку | Эпоксидная смола, стекловолоконная ткань, PTFE и т.д. |
| Проводящий слой | Формирует пути подключения цепей | Электролитическая медная фольга, прокатанная медная фольга (обычно толщиной 35-50 мкм) |
1.2 Типы и области применения распространенных материалов для печатных плат
Материал FR-4
- Состав: Стеклоткань + эпоксидная смола
- Характеристики: Экономичность, сбалансированные механические и электрические свойства, огнестойкость
- Приложения: Потребительская электроника, компьютерные материнские платы, промышленные платы управления и наиболее распространенные электронные изделия
Высокочастотные/высокоскоростные материалы
- Состав: PTFE, углеводороды, керамические наполнители
- Характеристики: Чрезвычайно низкая диэлектрическая проницаемость (Dk) и тангенс угла диэлектрических потерь (Df), минимальные потери при передаче сигнала, отличная стабильность
- Приложения: Антенны для базовых станций 5G, спутниковая связь, высокоскоростное сетевое оборудование, автомобильные радары
Подложки с металлическим сердечником
- Состав: Теплопроводящий изолирующий слой + алюминиевая/медная подложка
- Характеристики: Отличная теплоотдача, высокая теплопроводность
- Приложения: Светодиодное освещение, силовые модули, усилители мощности, автомобильные фары
1.3 Основные эксплуатационные параметры материалов для печатных плат
Показатели тепловой эффективности
- Tg (температура стеклования)
- Стандартный FR-4 Tg: 130°C - 140°C
- Mid-Tg FR-4: 150°C - 160°C
- High-Tg FR-4: ≥ 170°C (подходит для процессов бессвинцовой пайки)
- Td (температура разложения)
- Температура, при которой начинается химическое разложение субстрата
- Более высокая Td указывает на лучшую высокотемпературную стабильность
Показатели эффективности электрооборудования
- Dk (диэлектрическая постоянная)
- Влияет на скорость распространения сигнала и импеданс в диэлектрической среде
- Более низкие значения Dk обеспечивают более быстрое распространение сигнала
- Df (коэффициент диссипации)
- Потеря энергии при распространении сигналов через диэлектрическую среду
- Более низкие значения Df указывают на снижение потери сигнала
Показатели механической надежности
- CTE (коэффициент теплового расширения)
- Для предотвращения растрескивания бочки после многократных циклов переплавки следует минимизировать КТЭ по оси Z (направление толщины).
- Сопротивление CAF
- Предотвращает образование токопроводящих анодных нитей в условиях высокой температуры и влажности
2. Подробный процесс панелизации печатных плат
2.1 Стандартные размеры панелей
Стандартные оригинальные размеры от поставщиков материалов для печатных плат служат основными единицами закупки и инвентаризации для производителей печатных плат:
| Тип размера | Общие характеристики | Применяемые материалы |
|---|
| Основные размеры | 36″ × 48″, 40″ × 48″, 42″ × 48″ | FR-4 и другие жесткие материалы |
| Нестандартные размеры | В соответствии с требованиями заказчика | Высокочастотные платы, платы с металлическим сердечником |
2.2 Оптимизация размера производственной панели
Производители печатных плат разрезают стандартные панели на более мелкие производственные панели, пригодные для обработки на производственных линиях, посредством панелизации, с основной целью максимальное использование материалов.
Стратегии оптимизации панелизации:
- Используйте специализированное программное обеспечение для оптимального использования панелей
- Учитывайте ограничения по возможностям обработки оборудования
- Сбалансируйте эффективность производства и использование материалов
2.3 Ключевые факторы, влияющие на размеры производственных панелей
- Возможности обработки оборудования: Ограничения по размерам экспонирующих машин, линий травления, прессов и т.д.
- Вопросы эффективности производства: Умеренные размеры улучшают ритм производства и повышают урожайность
- Использование материалов: Основное соображение, непосредственно влияющее на контроль затрат
3.1 Обзор структуры слоев печатной платы
| Тип слоя | Описание функции | Визуальные характеристики |
|---|
| Слой шелкографии | Обозначения и контуры компонентов | Белые символы (когда паяльная маска зеленая) |
| Слой паяльной маски | Защита изоляции предотвращает короткое замыкание | Зеленые или другие цветные чернила (негативное изображение) |
| Слой паяльной пасты | Помогает при пайке, улучшает паяемость | Оловянное или золотое покрытие на колодках (позитивное изображение) |
| Электрический слой | Прокладка сигналов, электрические соединения | Медные трассы, внутренние плоскости в многослойных платах |
| Механический слой | Определение физической структуры | Контур платы, пазы и размерные метки |
| Буровой слой | Определение данных бурения | Расположение сквозных отверстий, глухих и заглубленных проходов |
3.2 Углубленный анализ ключевых слоев
Взаимосвязь слоев паяльной маски и паяльной пасты
- Принцип взаимного исключения: Участки с паяльной маской не имеют паяльной пасты, и наоборот
- Основы дизайна: Паяльная маска использует негативный дизайн изображения, паяльная паста - позитивный дизайн изображения
Стратегия проектирования электрического слоя
- Однослойные платы: Только один проводящий слой
- Двухслойные платы: Верхний и нижний проводящие слои
- Многослойные платы: 4 слоя или более, внутренние слои могут быть установлены как силовые и заземляющие плоскости с помощью негативного изображения
Различия между механическим слоем и слоем шелкографии
- Различные цели: Шелкография помогает идентифицировать компоненты; механический слой направляет производство печатных плат и физическую сборку
- Различия в содержании: Шелкография в основном содержит текст и символы; механический слой включает физические размеры, места сверления и т. д.
4. Практическое руководство по проектированию печатных плат
4.1 Основы компонентного пакета
Основные характеристики пакета:
- Точное соответствие физическим размерам компонентов
- Различайте корпуса со сквозным отверстием (DIP) и поверхностным монтажом (SMD)
- Цифры 0402, 0603 обозначают размеры компонентов (единицы измерения: дюймы).
4.2 Выбор конструкции источника питания
Импульсные и линейные источники питания
| Тип питания | Преимущества | Недостатки | Сценарии применения |
|---|
| Переключаемый источник питания | Высокая эффективность (80%-95%) | Большая пульсация, сложная конструкция | Мощные приложения, устройства с батарейным питанием |
| Линейный источник питания | Низкий уровень пульсаций, простая конструкция | Низкая эффективность, значительное выделение тепла | Маломощные, чувствительные к шуму схемы |
| LDO | Низкое падение напряжения, низкий уровень шума | Все еще относительно низкая эффективность | Приложения с низким уровнем падения, радиочастотные схемы |
4.3 Стандартизированный процесс проектирования печатных плат
Этап 1: Эскизный проект
- Подготовка библиотеки компонентов
- Создание пакетов на основе фактических размеров компонентов
- Рекомендуется использовать известные библиотеки, такие как JLCPCB
- Добавление 3D-моделей для визуальной проверки
- Чертеж электрической схемы
- Эталонные прикладные схемы, предоставленные производителями микросхем
- Изучайте проверенные временем конструкции модулей
- Используйте онлайн-ресурсы (CSDN, технические форумы) для поиска эталонных образцов.
Этап 2: Разметка и прокладка печатной платы
- Рекомендации по размещению компонентов
- Компактное размещение функциональных модулей
- Держите компоненты, выделяющие тепло, подальше от чувствительных устройств
- Следуйте рекомендациям по компоновке в технических паспортах микросхем
- Технические характеристики маршрутизации сигналов
- Ширина трассировки: 10-15 мил (обычные сигналы)
- Избегайте острых и прямых углов
- Размещайте кристаллы рядом с микросхемами, не оставляя под ними следов.
- Управление питанием и наземной плоскостью
- Ширина трассы питания: 30-50 мкм (регулируется в зависимости от тока)
- Заземление может быть выполнено с помощью медной заливки
- Используйте отверстия для соединения различных слоев
5. Профессиональные методы проектирования и соображения
5.1 Основы проектирования высокоскоростных схем
- Согласование импеданса: 50Ω односторонний, 90/100Ω дифференциальный
- Целостность сигнала: Рассмотрите эффекты линии передачи, контрольные отражения и перекрестные наводки
- Целостность питания: Адекватное размещение развязывающего конденсатора
5.2 Стратегии терморегулирования
- Приоритетные пути отвода тепла для мощных устройств
- Выберите материалы с высокой теплопроводностью (металлический сердечник, материалы с высокой ТГ)
- Правильное использование тепловых промежутков
5.3 Проектирование для производства (DFM)
- Соответствие технологическим возможностям производителя печатных плат
- Установите соответствующие безопасные зазоры
- Рассмотрите возможность создания панелей