1. Grundläggande om PCB-material
1.1 Kärnkomponenter i PCB-material
PCB-material, så kallade Copper-Clad Laminat (CCL)utgör substratet för tillverkning av kretskort, vilket direkt avgör kretskortets elektrisk prestanda, mekaniska egenskaper, termiska egenskaper, och tillverkningsbarhet.
| Komponent | Funktion & egenskaper | Materialets sammansättning |
|---|
| Isolerande skikt | Ger elektrisk isolering och mekaniskt stöd | Epoxiharts, glasfiberduk, PTFE, etc. |
| Ledande skikt | Bildar anslutningsvägar för kretsar | Elektrolytisk kopparfolie, valsad kopparfolie (typiskt 35-50 μm tjock) |
1.2 Vanliga PCB-materialtyper och applikationer
FR-4-material
- Sammansättning: Glasfiberduk + Epoxiharts
- Egenskaper: Kostnadseffektiva, balanserade mekaniska och elektriska egenskaper, flamskyddade
- Tillämpningar: Konsumentelektronik, moderkort till datorer, industriella styrkort och de flesta vanliga elektroniska produkter
Högfrekventa/höghastighetsmaterial
- Sammansättning: PTFE, kolväten, keramiska fyllmedel
- Egenskaper: Extremt låg dielektrisk konstant (Dk) och dissipationsfaktor (Df), minimal signalöverföringsförlust, utmärkt stabilitet
- Tillämpningar: Antenner för 5G-basstationer, satellitkommunikation, utrustning för höghastighetsnätverk, fordonsradar
Substrat för metallkärnor
- Sammansättning: Termiskt ledande isolerande skikt + aluminium/kopparsubstrat
- Egenskaper: Utmärkt värmeavledning, hög värmeledningsförmåga
- Tillämpningar: LED-belysning, effektmoduler, effektförstärkare, strålkastare för bilar
1.3 Viktiga prestandaparametrar för PCB-material
Indikatorer för termisk prestanda
- Tg (glasets övergångstemperatur)
- Standard FR-4 Tg: 130°C - 140°C
- Mid-Tg FR-4: 150°C - 160°C
- High-Tg FR-4: ≥ 170°C (lämplig för blyfria lödningsprocesser)
- Td (sönderdelningstemperatur)
- Den temperatur vid vilken substratet börjar kemisk nedbrytning
- Högre Td indikerar bättre stabilitet vid höga temperaturer
Indikatorer för elektrisk prestanda
- Dk (dielektrisk konstant)
- Påverkar signalens utbredningshastighet och impedans i det dielektriska mediet
- Lägre Dk-värden möjliggör snabbare signalutbredning
- Df (Dissipationsfaktor)
- Energiförlust när signaler fortplantas genom det dielektriska mediet
- Lägre Df-värden indikerar minskad signalförlust
Indikatorer för mekanisk tillförlitlighet
- CTE (termisk expansionskoefficient)
- CTE i Z-axeln (tjockleksriktningen) bör minimeras för att förhindra sprickbildning i tunnan efter flera omsmältningscykler
- Motstånd mot CAF
- Förhindrar bildning av ledande anodiska glödtrådar under höga temperaturer och hög luftfuktighet
2. Detaljerad PCB-paneliseringsprocess
2.1 Standardstorlekar för paneler
Standardstorlekar i original från leverantörer av mönsterkortsmaterial fungerar som grundläggande upphandlings- och lagerenheter för mönsterkortstillverkare:
| Storlek Typ | Vanliga specifikationer | Tillämpliga material |
|---|
| Vanliga storlekar | 36″ × 48″, 40″ × 48″, 42″ × 48″ | FR-4 och andra styva material |
| Anpassade storlekar | Skräddarsydd efter kundens behov | Högfrekvenskort, metallkärnkort |
2.2 Optimering av produktionspanelens storlek
PCB-tillverkare skär standardpaneler i mindre produktionspaneler som är lämpliga för bearbetning i produktionslinjen genom panelisering, med huvudsyftet att maximera materialutnyttjandet.
Strategier för optimering av panelisering:
- Använd specialiserad layoutprogramvara för optimalt panelutnyttjande
- Beakta begränsningar i utrustningens bearbetningskapacitet
- Balansera produktionseffektivitet med materialutnyttjande
2.3 Viktiga faktorer som påverkar storleken på produktionspaneler
- Kapacitet för bearbetning av utrustning: Storleksbegränsningar för exponeringsmaskiner, etsningslinjer, pressar etc.
- Överväganden om produktionseffektivitet: Måttliga storlekar förbättrar produktionsrytmen och avkastningsnivåerna
- Utnyttjande av material: Viktiga faktorer som direkt påverkar kostnadskontrollen
3. Detaljerad PCB-lager Struktur och funktioner
3.1 Översikt över omfattande PCB-lagerstruktur
| Typ av lager | Funktionsbeskrivning | Visuella kännetecken |
|---|
| Silkscreen-skikt | Markerar komponentbeteckningar och konturer | Vita tecken (när lödmasken är grön) |
| Lödmaskskikt | Isoleringsskydd förhindrar kortslutning | Grönt eller annat färgat bläck (negativ bild) |
| Lödpastaskikt | Hjälper till vid lödning, förbättrar lödbarheten | Tenn- eller guldplätering på elektroderna (positiv bild) |
| Elektriskt lager | Signalvägar, elektriska anslutningar | Kopparskenor, interna plan i flerlagerkort |
| Mekaniskt lager | Definition av fysisk struktur | Skivans kontur, spår och måttmarkeringar |
| Borrskikt | Definition av borrdata | Genomgående hål, blinda vior och nedgrävda vior |
3.2 Fördjupad analys av viktiga lager
Förhållandet mellan lödmask och lödpastaskikt
- Principen om ömsesidig uteslutning: Områden med lödmask har ingen lödpasta, och vice versa
- Grundläggande design: Lödmask använder negativ bilddesign, lödpasta använder positiv bilddesign
Strategi för design av elektriska lager
- Enskiktade brädor: Endast ett ledande skikt
- Brädor med dubbla lager: Ledande skikt på ovansidan och undersidan
- Multilayer-kort: 4 lager eller mer, de inre lagren kan ställas in som ström- och jordplan med hjälp av en negativ bild
Skillnader mellan mekaniska skikt och silkscreenskikt
- Olika syften: Silkscreen hjälper till att identifiera komponenter; mekaniskt lager styr PCB-tillverkning och fysisk montering
- Skillnader i innehåll: Silkscreen innehåller främst text och symboler; det mekaniska lagret innehåller fysiska dimensioner, borrplatser etc.
4. Praktisk guide för PCB-design
4.1 Grunderna för komponentpaket
Viktiga paketöverväganden:
- Exakt matchning av fysiska komponentdimensioner
- Skilja mellan genomgående hål (DIP) och ytmonterade (SMD) paket
- Siffror som 0402, 0603 representerar komponentdimensioner (enhet: tum)
4.2 Val av design för strömförsörjning
Växlande vs. linjära nätaggregat
| Typ av strömförsörjning | Fördelar | Nackdelar | Tillämpningsscenarier |
|---|
| Växlande strömförsörjning | Hög effektivitet (80%-95%) | Stora krusningar, komplex design | Högeffektsapplikationer, batteridrivna enheter |
| Linjär strömförsörjning | Lågt rippel, enkel konstruktion | Låg verkningsgrad, betydande värmeutveckling | Strömsnåla, bruskänsliga kretsar |
| LDO | Lågt bortfall, lågt brus | Fortfarande relativt låg effektivitet | Applikationer med lågt dropout, RF-kretsar |
4.3 Standardiserad PCB-designprocess
Fas 1: Schematisk utformning
- Förberedelse av komponentbibliotek
- Skapa paket baserat på faktiska komponentmått
- Rekommenderas att använda etablerade bibliotek som JLCPCB
- Lägg till 3D-modeller för visuell verifiering
- Schematisk ritning av krets
- Referensapplikationskretsar som tillhandahålls av chiptillverkare
- Lär dig av beprövade modulkonstruktioner
- Använda online-resurser (CSDN, tekniska forum) för referenskonstruktioner
Fas 2: PCB-layout och fräsning
- Riktlinjer för placering av komponenter
- Kompakt placering av funktionsmoduler
- Håll värmealstrande komponenter borta från känsliga enheter
- Följ layoutrekommendationerna i databladen för chip
- Specifikationer för signalledning
- Spårbredd: 10-15mil (vanliga signaler)
- Undvik spetsiga och rätvinkliga spår
- Placera kristallerna nära IC-kretsarna utan spår under.
- Hantering av strömförsörjning och markplan
- Bredd på strömspår: 30-50mil (justeras baserat på ström)
- Jordanslutningar kan åstadkommas genom koppargjutning
- Använd vior på rätt sätt för att ansluta olika lager
5. Tekniker och överväganden för professionell design
5.1 Grundläggande om kretsdesign för höghastighetskretsar
- Impedansanpassning: 50Ω enkelriktad, 90/100Ω differentierad
- Signalintegritet: Beakta transmissionsledningseffekter, kontrollreflektioner och överhörning
- Kraftintegritet: Lämplig placering av frikopplingskondensator
5.2 Strategier för termisk hantering
- Prioritera värmeavledningsvägar för högeffektsenheter
- Välj material med hög värmeledningsförmåga (metallkärna, material med hög Tg)
- Korrekt användning av termiska vior
5.3 Design för tillverkning (DFM)
- Överensstämmer med mönsterkortstillverkarens processmöjligheter
- Ställ in lämpliga säkerhetsavstånd
- Överväg design av panelisering