1. Nozioni fondamentali sui materiali dei PCB
1.1 Componenti principali dei materiali per PCB
I materiali per PCB, noti come Laminati Copper-Clad (CCL), formano il substrato per la produzione di schede di circuiti stampati, determinando direttamente la prestazioni elettriche, proprietà meccaniche, caratteristiche termiche, e producibilità.
| componente | Funzione e caratteristiche | Composizione del materiale |
|---|
| Strato isolante | Fornisce isolamento elettrico e supporto meccanico | Resina epossidica, tessuto in fibra di vetro, PTFE, ecc. |
| Strato conduttivo | Forma i percorsi di connessione dei circuiti | Foglio di rame elettrolitico, foglio di rame arrotolato (tipicamente 35-50μm di spessore) |
1.2 Tipi di materiali PCB e applicazioni comuni
Materiale FR-4
- Composizione: Tessuto in fibra di vetro + resina epossidica
- Caratteristiche: Economico, proprietà meccaniche ed elettriche bilanciate, ritardante di fiamma
- domande: Elettronica di consumo, schede madri di computer, schede di controllo industriali e la maggior parte dei prodotti elettronici più comuni.
Materiali per alta frequenza/alta velocità
- Composizione: PTFE, idrocarburi, cariche ceramiche
- Caratteristiche: Costante dielettrica (Dk) e fattore di dissipazione (Df) estremamente bassi, minima perdita di trasmissione del segnale, eccellente stabilità.
- domande: Antenne per stazioni base 5G, comunicazioni satellitari, apparecchiature di rete ad alta velocità, radar per autoveicoli.
Substrati con anima in metallo
- Composizione: Strato isolante termicamente conduttivo + substrato di alluminio/rame
- Caratteristiche: Eccellenti prestazioni di dissipazione del calore, elevata conducibilità termica
- domande: Illuminazione a LED, moduli di potenza, amplificatori di potenza, fari per autoveicoli
1.3 Parametri chiave delle prestazioni dei materiali per PCB
Indicatori di prestazione termica
- Tg (Temperatura di transizione vetrosa)
- Standard FR-4 Tg: 130°C - 140°C
- FR-4 a media tensione: 150°C - 160°C
- High-Tg FR-4: ≥ 170°C (adatto per processi di saldatura senza piombo)
- Td (temperatura di decomposizione)
- La temperatura alla quale il substrato inizia a decomporsi chimicamente.
- Una Td più elevata indica una migliore stabilità alle alte temperature
Indicatori di prestazione elettrica
- Dk (costante dielettrica)
- Influenza la velocità di propagazione del segnale e l'impedenza nel mezzo dielettrico
- Valori Dk più bassi consentono una propagazione più rapida del segnale
- Df (fattore di dissipazione)
- Perdita di energia quando i segnali si propagano attraverso il mezzo dielettrico
- Valori Df più bassi indicano una perdita di segnale ridotta
Indicatori di affidabilità meccanica
- CTE (coefficiente di espansione termica)
- Il CTE dell'asse Z (direzione dello spessore) deve essere ridotto al minimo per evitare la formazione di cricche dopo più cicli di rifusione.
- Resistenza CAF
- Impedisce la formazione di filamenti anodici conduttivi in condizioni di temperatura e umidità elevate
2. Processo dettagliato di pannellizzazione dei PCB
2.1 Dimensioni standard dei pannelli
Le dimensioni originali standard dei fornitori di materiali per PCB servono come unità di base per l'approvvigionamento e l'inventario dei produttori di PCB:
| Tipo di dimensione | Specifiche comuni | Materiali applicabili |
|---|
| Taglie principali | 36″ × 48″, 40″ × 48″, 42″ × 48″ | FR-4 e altri materiali rigidi |
| Dimensioni personalizzate | Su misura per le esigenze del cliente | Schede ad alta frequenza, schede a nucleo metallico |
2.2 Ottimizzazione delle dimensioni del pannello di produzione
I produttori di PCB tagliano i pannelli standard in pannelli di produzione più piccoli, adatti alla lavorazione in linea di produzione attraverso la pannellizzazione, con l'obiettivo principale di massimizzare l'utilizzo dei materiali.
Strategie di ottimizzazione della panelizzazione:
- Utilizzate un software di layout specializzato per l'utilizzo ottimale dei pannelli
- Considerare i limiti di capacità di elaborazione dell'apparecchiatura
- Bilanciare l'efficienza della produzione con l'utilizzo dei materiali
2.3 Fattori chiave che influenzano le dimensioni dei pannelli di produzione
- Capacità di elaborazione delle apparecchiature: Limiti dimensionali di macchine di esposizione, linee di incisione, presse, ecc.
- Considerazioni sull'efficienza della produzione: Le dimensioni moderate migliorano il ritmo di produzione e i tassi di rendimento
- Utilizzo del materiale: Considerazione fondamentale che ha un impatto diretto sul controllo dei costi
3. Dettagliato Strato PCB Struttura e funzioni
3.1 Panoramica della struttura degli strati del PCB
| Tipo di strato | Descrizione dellafunzione | Caratteristiche visive |
|---|
| Strato serigrafico | Contrassegni e contorni dei componenti | Caratteri bianchi (quando la maschera di saldatura è verde) |
| Strato della maschera di saldatura | La protezione dell'isolamento impedisce i cortocircuiti | Inchiostro verde o di altro colore (immagine negativa) |
| Strato di pasta saldante | Aiuta a saldare, migliorando la saldabilità | Stagno o doratura sulle pastiglie (immagine positiva) |
| Strato elettrico | Percorso del segnale, collegamenti elettrici | Tracce di rame, piani interni in schede multistrato |
| Strato meccanico | Definizione di struttura fisica | Schema della scheda, fessure e marcature delle dimensioni |
| Strato di perforazione | Definizione dei dati di perforazione | Posizioni di fori passanti, vias ciechi e vias interrati |
3.2 Analisi approfondita dei livelli chiave
Relazione tra i livelli della maschera di saldatura e della pasta saldante
- Principio di esclusione reciproca: Le aree con maschera di saldatura sono prive di pasta saldante e viceversa.
- Elementi essenziali del design: La maschera di saldatura utilizza un design a immagine negativa, la pasta di saldatura utilizza un design a immagine positiva.
Strategia di progettazione dello strato elettrico
- Schede monostrato: Un solo strato conduttivo
- Schede a doppio strato: Strati conduttori superiori e inferiori
- Schede multistrato: 4 o più strati, gli strati interni possono essere impostati come piani di alimentazione e di terra utilizzando un'immagine negativa.
Differenze tra strato meccanico e strato serigrafico
- Scopi diversi: La serigrafia aiuta l'identificazione dei componenti; lo strato meccanico guida la produzione e l'assemblaggio fisico dei PCB.
- Differenze di contenuto: La serigrafia contiene principalmente testi e simboli; lo strato meccanico comprende le dimensioni fisiche, le posizioni dei fori, ecc.
4. Guida pratica alla progettazione di PCB
4.1 Nozioni di base sui pacchetti di componenti
Considerazioni essenziali sul pacchetto:
- Corrispondenza precisa delle dimensioni fisiche dei componenti
- Distinguere tra pacchetti a foro passante (DIP) e a montaggio superficiale (SMD).
- Numeri come 0402, 0603 rappresentano le dimensioni dei componenti (unità: pollici).
4.2 Selezione del progetto di alimentazione
Alimentatori a commutazione e lineari
| Tipo di alimentazione | vantaggi | Svantaggi | Scenari d’applicazione |
|---|
| Alimentazione a commutazione | Alta efficienza (80%-95%) | Grande ondulazione, design complesso | Applicazioni ad alta potenza, dispositivi alimentati a batteria |
| Alimentazione lineare | Basso ripple, design semplice | Bassa efficienza, notevole generazione di calore | Circuiti a basso consumo e sensibili al rumore |
| LDO | Basso dropout, basso rumore | Efficienza ancora relativamente bassa | Applicazioni a bassa caduta, circuiti RF |
4.3 Processo di progettazione di PCB standardizzato
Fase 1: progettazione schematica
- Preparazione della libreria di componenti
- Creare pacchetti basati sulle dimensioni reali dei componenti
- Si consiglia di utilizzare librerie consolidate come JLCPCB
- Aggiungere modelli 3D per la verifica visiva
- Disegno schematico del circuito
- Circuiti applicativi di riferimento forniti dai produttori di chip
- Imparare da progetti di moduli collaudati
- Utilizzare le risorse online (CSDN, forum tecnici) per i progetti di riferimento.
Fase 2: Layout e instradamento del PCB
- Linee guida per il posizionamento dei componenti
- Posizionamento compatto dei moduli funzionali
- Tenere i componenti che generano calore lontano dai dispositivi sensibili.
- Seguire le raccomandazioni di layout contenute nelle schede tecniche dei chip
- Specifiche di instradamento del segnale
- Larghezza della traccia: 10-15mil (segnali regolari)
- Evitare tracce acute e ad angolo retto
- Posizionare i cristalli vicino ai circuiti integrati senza tracce al di sotto.
- Gestione dell'alimentazione e del piano di terra
- Larghezza della traccia di potenza: 30-50mil (regolata in base alla corrente)
- I collegamenti a terra possono essere realizzati mediante colata di rame
- Utilizzate i vias in modo appropriato per collegare i diversi strati
5. Tecniche e considerazioni di progettazione professionale
5.1 Elementi essenziali di progettazione di circuiti ad alta velocità
- Corrispondenza di impedenza: 50Ω single-ended, 90/100Ω differenziale
- Integrità del segnale: Considerare gli effetti della linea di trasmissione, le riflessioni di controllo e la diafonia.
- Integrità dell'alimentazione: Posizionamento adeguato del condensatore di disaccoppiamento
5.2 Strategie di gestione termica
- Privilegiare i percorsi di dissipazione del calore per i dispositivi ad alta potenza
- Selezionare materiali ad alta conducibilità termica (nucleo metallico, materiali ad alta Tg).
- Uso corretto dei vias termici
5.3 Progettazione per la produzione (DFM)
- Conformità alle capacità di processo del produttore di PCB
- Impostare le opportune distanze di sicurezza
- Considerare la progettazione della pannellatura