Материали за ППС и технология за слоесто изграждане: основи на сигнала и надеждност

Материалите за печатни платки (PCB) и конструкцията на слоевете играят критична роля за определяне на електрическата производителност, възможността за производство, топлинното поведение и дългосрочната надеждност на електронните продукти. С увеличаването на скоростта на предаване на данни и усложняването на интеграцията на устройствата правилният подбор на материали и планирането на слоевете са еволюирали от аспекти, свързани с производството, до основни технологии за проектиране. В тази статия се представят разпространените материали за PCB, ключовите параметри на материалите и практически принципи за проектиране на слоевете, използвани в съвременните електронни системи.

1. Общ преглед на материалите за PCB

Материалите за PCB се състоят предимно от диелектрични субстрати, медни проводници и системи за залепване. От тях диелектричният материал оказва най-значително влияние върху електрическата и топлинната производителност.

1.1 Материали FR-4

FR-4 е най-широко използваният субстрат за PCB поради добре балансираната си цена и производителност.

· Епоксидна смола, усилена със стъклени влакна

· Типична диелектрична константа (Dk): 4,0–4,6

· Тангенс на загубите (Df): ~0,02

· Подходящ за цифрови вериги с ниска и средна скорост

Обаче стандартният FR-4 показва ограничения в приложения с висока скорост или в радиочестотната (RF) област поради по-високи диелектрични загуби и вариации на диелектричната проницаемост (Dk).

1.2 Материали за високоскоростни и високочестотни приложения

За приложения като високоскоростни последователни интерфейси и RF вериги са необходими специализирани материали:

· Rogers, Taconic, Panasonic Megtron, серия Isola

· По-ниска диелектрична проницаемост (Dk) (2,8–3,6) и по-ниски диелектрични загуби (Df) (<0,005)

· Подобрена цялостност на сигнала и намалени загуби при вмъкване

Тези материали осигуряват превъзходни електрически характеристики, но са по-скъпи и изискват по-строги производствени изисквания.

2. Основни параметри на материала

Разбирането на параметрите на материала е от съществено значение за правилното проектиране на печатни платки.

2.1 Диелектрична константа (Dk)

· Определя скоростта на разпространение на сигнала

· Влияе върху изчисляването на импеданса

· Трябва да се вземе предвид промяната ѝ с честотата и температурата

2.2 Фактор на дисипация (Df)

· Представлява диелектричните загуби

· Критичен за предаването на сигнали при високи честоти и на големи разстояния

· По-ниският Df води до по-малко затихване на сигнала

2.3 Температура на стъкловиден преход (Tg)

· Температура, при която смолата преминава от твърдо в меко състояние

· Материали с висока температура на стъклене (над 170 °C) подобряват надеждността при безоловъчно лепене и в среда с висока температура

2.4 Коефициент на термично разширение (КТР)

· Несъответствието между ППС и компонентите може да доведе до повреда на лепените връзки

· Ниският КТР по Z-ос е особено важен за многослойни платки и преходни отвори (via)

3. Технология за формиране на слоевата структура на ППС

Слоевата структура (stack-up) се отнася до вертикалното подреждане на медните и диелектричните слоеве в ППС.

3.1 Основни структури на слоевата структура

· ППС с 2 слоя: Проста и евтина, с ограничена способност за контрол на ЕМИ

· ППС с 4 слоя: Сигнал / Земя / Захранване / Сигнал (най-разпространена)

· ППС с 6 и повече слоя: Подобрена цялостност на сигнала и разпределение на захранването

Добре проектираната структура осигурява контролиран импеданс и стабилни референтни равнини.

3.2 Връзка между сигнален и референтен слой

· Слоевете за високочестотни сигнали трябва да са разположени непосредствено до непрекъснати земни равнини

· Непрекъснатите референтни равнини намаляват прекъсванията в пътя на връщащия се ток

· Избягвайте разделяне на земните равнини под високочестотните сигнали

3.3 Съображения относно разпределението на електрозахранването

· Специализираните равнини за захранване подобряват стабилността на напрежението

· Тънкото диелектрично разстояние между равнините за захранване и заземяване увеличава капацитета на равнините

· Намалява шума в електрозахранването и електромагнитните смущения (EMI)

4. Контролиран импеданс и планиране на структурата

Съвременните печатни платки често изискват трасета с контролиран импеданс, като например:

· 50 Ω несиметрични

· 90 Ω или 100 Ω диференциални двойки

Точният контрол на импеданса зависи от:

· Широчина и дебелина на трасето

· Дебелина на диелектрика

· Постоянство на диелектричната проницаемост (Dk)

· Неравност на медната повърхност

Препоръчва се ранно сътрудничество с производителите на печатни платки, за да се уточнят параметрите на слоистата структура.

5. Компромиси между възможността за производство и разходите

Докато напредналите материали и сложните многослойни структури подобряват производителността, те също така:

· Увеличават производствената цена

· Удължават времето за изпълнение

· Изискват по-строг контрол на процеса

Проектирането трябва да балансира изискванията към производителността с целевите разходи, особено при масово производство.