SPB medžiagos ir sluoksnių struktūros technologija: signalų vientisumo ir patikimumo pagrindai

Spausdintųjų plokščių (PCB) medžiagos ir sluoksnių struktūros projektavimas lemia elektroninių gaminių elektrinį našumą, gamybos galimybes, šiluminį elgesį ir ilgalaikę patikimumą. Kai duomenų perdavimo greitis didėja ir įrenginių integracija tampa sudėtingesnė, tinkama medžiagų atranka ir sluoksnių struktūros planavimas iš gamybos aspektų tapo pagrindinėmis projektavimo technologijomis. Šiame straipsnyje pateikiamos dažniausiai naudojamos PCB medžiagos, pagrindiniai medžiagų parametrai ir praktinės sluoksnių struktūros projektavimo principai, taikomos šiuolaikinėse elektroninėse sistemose.

1. PCB medžiagų apžvalga

PCB medžiagos sudarytos iš dielektrinių pagrindų, vario laidininkų ir sujungimo sistemų. Tarp jų dielektrinė medžiaga labiausiai veikia elektrinį ir šiluminį našumą.

1.1 FR-4 medžiagos

FR-4 yra plačiausiai naudojamas PCB pagrindas dėl balansuotos kainos ir našumo.

· Stiklo pluoštu sustiprinta epoksidinė derva

· Tipiškas dielektrinis skaičius (Dk): 4,0–4,6

· Nuostolių tangentas (Df): ~0,02

· Tinka žemo ir vidutinio dažnio skaitmeninėms grandinėms

Tačiau standartinis FR-4 turi apribojimų aukšto dažnio arba RF taikymuose dėl didesnių dielektrinių nuostolių ir Dk kitimo.

1.2 Aukšto dažnio ir aukšto greičio medžiagos

Aukšto greičio nuoseklioms sąsajoms ir RF grandinėms reikalingos specializuotos medžiagos:

· Rogers, Taconic, Panasonic Megtron, Isola serijos

· Žemesnis Dk (2,8–3,6) ir žemesnis Df (<0,005)

· Gerinama signalo vientisumas ir sumažinami įterpimo nuostoliai

Šios medžiagos užtikrina pranašesnę elektrinę našumą, tačiau kainuoja brangiau ir reikalauja griežtesnių gamybos reikalavimų.

2. Pagrindiniai medžiagų parametrai

Medžiagų parametrų supratimas yra būtinas teisingam spausdintųjų plokštų projektavimui.

2.1 Dielektrinė skvarba (Dk)

· Nustato signalo sklidimo greitį

· Įtakoja impedanso apskaičiavimą

· Reikia atsižvelgti į pokyčius priklausomai nuo dažnio ir temperatūros

2.2 Energijos išsisklaidymo koeficientas (Df)

· Atspindi dielektrinę prarastą energiją

· Ypač svarbus aukštųjų dažnių ir ilgų atstumų signalų perdavimui

· Mažesnis Df reiškia mažesnį signalo slopinimą

2.3 Stiklinės perėjimo temperatūra (Tg)

· Temperatūra, kurioje derva pereina iš kietos į minkštą būseną

· Aukštos Tg medžiagos (>170 °C) padidina patikimumą bešvinėje litavimo ir aukštos temperatūros aplinkoje

2.4 Šiluminio išsiplėtimo koeficientas (CTE)

· Nepatikimas atitikimas tarp spausdintosios grandinės plokštės (PCB) ir komponentų gali sukelti litavimo sujungimų gedimą

· Žemas Z ašies šiluminio išsiplėtimo koeficientas ypač svarbus daugiasluoksnėms plokštėms ir perėjimams (via)

3. PCB sluoksnių struktūra

Sluoksnių struktūra (stack-up) reiškia vario ir dielektrinių sluoksnių vertikalią išdėstymą spausdintoje grandinės plokštėje.

3.1 Pagrindinės sluoksnių struktūros

· 2 sluoksnių PCB: Paprasta ir nebrangi, ribotas elektromagnetinės sąveikos (EMI) kontrolės lygis

· 4 sluoksnių PCB: Signalas / Žemė / Maitinimas / Signalas (dažniausiai naudojama)

· 6 ir daugiau sluoksnių: Gerinama signalo vientisumas ir maitinimo skirstymas

Gerai suprojektuota sluoksnių struktūra užtikrina kontroliuojamą impedansą ir stabilias atraminio paviršiaus plokštumas.

3.2 Signalų ir atraminio paviršiaus plokštumų sąryšis

· Aukšto dažnio signalų sluoksniai turėtų būti šalia vientisų žemės plokštumų

· Vientisos atraminio paviršiaus plokštumos sumažina grįžtamųjų kelių nutrūkimus

· Venkite žemės plokštumų skaidymo po aukšto dažnio signalais

3.3 Maitinimo tiekimo svarstymai

· Skirtos maitinimo plokštumos pagerina įtampų stabilumą

· Plonos dielektrinės tarpinės tarp maitinimo ir žemės plokštumų padidina plokštumų talpą

· Sumažina maitinimo šaltinio triukšmą ir elektromagnetinę sąveiką (EMI)

4. Kontroliuojamas impedansas ir sluoksnių struktūros planavimas

Šiuolaikiniai spausdintųjų plokštų (PCB) dažnai reikalauja valdomos impedanso linijų, pvz.:

· 50 Ω vienpusiškos

· 90 Ω arba 100 Ω diferencialinės poros

Tikslus impedanso valdymas priklauso nuo:

· Linijos pločio ir storio

· Dielektrinio sluoksnio storis

· Dk nuoseklumo

· Varinės paviršiaus šiurkštumo

Rekomenduojama anksti bendradarbiauti su spausdintųjų plokštų gamintojais, kad būtų galutinai nustatyti sluoksnių struktūros parametrai.

5. Gamybos įmanomumas ir sąnaudų kompromisai

Nors pažangūs medžiagų ir sudėtingų sluoksnių rinkiniai pagerina našumą, jie taip pat:

· Padidina gamybos sąnaudas

· Pratęsia pristatymo laiką

· Reikalauja tikresnio proceso valdymo

Konstruktoriai turi subalansuoti našumo reikalavimus su kainos tikslais, ypač masinėje gamyboje.