Печатные платы (PCB) формируют основной каркас электронных изделий, не только неся на себе компоненты, но и определяя производительность и надежность устройства. В этой статье рассматриваются такие ключевые элементы, как принципы проектирования печатных плат, выбор материалов и контроль качества.
Что такое печатная плата?
Печатные платы создают электрические соединения с помощью трасс из медной фольги на изоляционной подложке, заменяя собой сложную проводку и обеспечивая передачу сигналов и распределение энергии между компонентами. Известные как "мать электронных изделий", печатные платы прошли путь от ранних однослойных структур до сложных форм, таких как Интерконнект высокой плотности (ИЧР) и Гибкие схемыПоддерживая спрос от бытовой электроники до аэрокосмической промышленности.
Эволюция ключевых метрик
| Эра | Основные слои | Точность ширины линии | Разработка материалов |
|---|
| 1950s | Односторонний | >1 мм | Бумажный CCL |
| 1980s | 2-4 слоя | 0,2-0,5 мм | Стандартизация FR-4 |
| 2000s | 6-8 слоев | 0.1мм (0,1мм) | Высокочастотные материалы |
| Присутствует | 10-20+ слоев | <0,05 мм | Комбинация жестких и гибких элементов |
Основные функции печатной платы
- Электрическое соединение - Обеспечивает полную передачу сигнала благодаря точной маршрутизации; высокочастотные схемы требуют контролируемого управления характеристический импеданс.
- Механическая поддержка - Обеспечивает стабильную монтажную поверхность для таких корпусов, как BGA, QFN.
- Терморегулирование - Отвод тепла через тепловые каналы, подложки с металлическим сердечником (например, платы светодиодного освещения).
- Электромагнитная совместимость - Снижение перекрестных наводок сигнала благодаря многослойному планированию слоев питания/заземления.
Реальный случай: Материнские платы для смартфонов HDI любого уровня Технология позволила выполнить маршрутизацию BGA с шагом 0,3 мм в 10-слойном стеке и интегрировать радиочастотные цепи антенны.
Полный обзор классификации печатных плат
Классификация по количеству слоев
- Односторонний - Самая низкая стоимость, подходит для простых схем (например, силовых модулей)
- Двусторонний - Оптимальная стоимость-производительность, межсоединения через проходы
- Многослойный - 4-30+ слоев, поддерживает сложные межсоединения ИС (например, материнские платы серверов)
Классификация по субстрату
| - тип | Характеристики | Сценарии применения |
|---|
| Жесткая печатная плата | Стабильность размеров, высокая прочность | Компьютеры, промышленные системы управления |
| Гибкая печатная плата | Изгибается, устойчив к усталости | Носимые устройства, модули камер |
| Rigid-Flex | Баланс между стабильностью и 3D-маршрутизацией | Медицинское оборудование, аэрокосмическая промышленность |
Руководство по выбору материалов для печатных плат
Сравнение общих субстратов
Эпоксидная стеклоткань FR-4
├── Преимущества: Низкая стоимость (¥80-200/㎡), зрелая обработка
├──── Ограничения: Высокие потери на высоких частотах, умеренная теплостойкость
└──── Применение: Бытовая электроника, силовое оборудование
Высокочастотная серия Rogers
├──── Преимущества: Стабильная диэлектрическая проницаемость, низкий тангенс угла потерь
├──── Ограничения: Высокая стоимость (5-8x FR-4)
└──── Применение: Базовые станции 5G, радиолокационные системы
Печатная плата с металлическим сердечником (MCPCB)
├──── Преимущества: Отличное тепловыделение (1-3 Вт/м-К)
├──── Ограничения: Сложность изготовления многослойных материалов
└──── Применение: Мощные светодиоды, автомобильная электроника
Гибкие платы из полиимида
├──── Преимущества: Выдерживает >100k изгибов
├──── Ограничения: Высокое поглощение влаги, требуется предварительное запекание
└──── Применение: Складные телефоны, динамическое оборудование
Процесс принятия решения о выборе
- Определите потребности в электричестве - Для высоких частот >1 ГГц предпочтительны материалы с низкими потерями
- Оценка условий окружающей среды - Для работы в условиях высоких температур выбирайте материалы с высокой ТГ (>170℃).
- Механические требования - Для вибрационных сред используйте жесткую гибкую конструкцию
- Оптимизация затрат - Использование FR-4 в качестве основного материала для бытовой электроники, местные смешанные материалы
Принципы компоновки
- Макет на основе блоков - Разделение по функциям (радиочастотное, цифровое, аналоговое разделение)
- Приоритетное управление тепловым режимом - Размещайте мощные устройства вблизи края платы или путей отвода тепла.
- Ориентация потока сигналов - Минимизация длины трассы для высокочастотных сигналов
Технические характеристики маршрутизации
Ширина трассы в зависимости от силы тока (1 унция меди)
┌────────────┬──────────────────┐
│ Ток │ Рекомендуемая ширина│
├────────────┼──────────────────┤
│ 1A │ 0,5 мм │
│ 3A │ 1,5 мм │
│ 5A │ 2,5 мм │
└────────────┴──────────────────┘
- Строгий контроль согласования длины для высокоскоростных дифференциальных пар (±5mil)
- Избегайте углов 90°, используйте углы 45° или дуги.
Контроль качества: Полный процесс от сырья до готового продукта
Распространенные дефекты и меры по их устранению
| Тип дефекта | Причина | Решение |
|---|
| Отслаивание медной фольги | Недостаточная адгезия материалов | Оптимизация параметров ламинирования |
| Искажение сигнала | Отклонение при регулировании импеданса | Улучшение компенсации травления |
| Плохая паяемость | Неправильная конструкция колодки | Добавьте плотину паяльной маски |
| EMI | Необоснованная структура штабелей | Отрегулируйте схему заземления |
Процесс проверки
Контроль сырья → Изображение внутреннего слоя → Контроль AOI → Ламинирование
→ Сверление и нанесение покрытия → Изображение внешнего слоя → Паяльная маска и шелкография → Электрические испытания и упаковка
Современные заводы по производству печатных плат объединяют Автоматизированный оптический контроль (AOI) с Испытание летающего зонда для обеспечения выхода продукта >98%.
Панорама цепочки производства печатных плат
Вверх по течению: Стекловолокно/медная фольга/смола → Середина потока: CCL/препрепрег → Производство печатных плат → Вниз по течению: Электронная сборка
Китай стал крупнейшей в мире базой по производству печатных плат, на долю которой приходится 56% мировой стоимости продукции, причем доля продукции с высокой добавленной стоимостью, такой как HDI и гибкие платы, постоянно растет.