Obwody drukowane - Katedra Mikroelektroniki i Technik
advertisement
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Wprowadzenie Obwód drukowany (ang. Printed Circuit Board, PCB) to płytka wykonana z materiału izolacyjnego stanowiącego podłoże dla połączeń elektrycznych (ścieżki) i punktów lutowniczych (pady), przeznaczona do montażu podzespołów elektronicznych. Obwody drukowane Płytka obwodu drukowanego stanowi bazę dla montażu mechanicznego podzespołów elektronicznych oraz zapewnia odpowiedni przepływ sygnałów elektrycznych pomiędzy ich wyprowadzeniami. Pierwszy obwód drukowany powstał w USA i został opatentowany w 1956r. dr inż. Piotr Pietrzak Obwody drukowane Sztywne [email protected] pok. 54, tel. 631 26 20 www.dmcs.p.lodz.pl Giętkie Jednowarstwowe Dwuwarstwowe Wielowarstwowe Rodzaje Budowa obwodu wielowarstwowego Obwody jednowarstwowe – ścieżki, pola lutownicze i inne elementy tworzące obwód drukowany, rozmieszczone są na jednej warstwie. Ten rodzaj obwodów stosowany jest w przypadku prostych obwodów. Zwiększenie liczby połączeń można uzyskać przez zastosowanie mostków (zwór). Obwody dwuwarstwowe – połączenia elektryczne w postaci ścieżek występują po obu stronach płytki. Przeprowadzenie sygnału na drugą stronę płytki jest możliwe dzięki metalizacji otworów punktów lutowniczych lub tzw. przelotek (ang. via). Obwody wielowarstwowe – mają szereg warstw przewodzących, rozdzielonych warstwami izolacyjnymi. Na warstwach zewnętrznych rozmieszcza się przeważnie tylko pola lutownicze, natomiast ścieżki, warstwy zasilania i uziemienia oraz pola technologiczne rozmieszcza się na warstwach wewnętrznych. Połączenia elektryczne pomiędzy warstwami ścieżek wykonuje się metalizując otwory. W obwodach tych można rozmieścić bardzo gęstą sieć połączeń, prowadzić ścieżki o własnościach tzw. linii paskowych, ścieżki o minimalnej rezystancji i indukcyjności, a także ekranować część układu. Są one szczególnie przydatne do montażu szybkich, miniaturowych obwodów. Uzyskiwana gęstość połączeń jest 4 – 20 razy większa niż dla obwodów jednowarstwowych. Laminat Rdzeń (ang. Core) – cienka warstwa dielektryczna przyjmująca najczęściej postać płytki materiału podłożowego (np. laminatu) Warstwa sygnałowa – warstwa przewodząca, na której wykonane są ścieżki sygnałowe Powierzchnia wewnętrzna – warstwa przewodząca, przyjmująca postać obszaru ciągłego, której podstawowym zadaniem jest rozprowadzenie sygnałów zasilających Prepreg – mieszanina włókien szklanych i żywicy, która po sprasowaniu tworzy laminat Budowa obwodu wielowarstwowego Warstwę nośną płytki obwodu drukowanego stanowi rdzeń. Laminat Właściwości Wytrzymałość na oderwanie Odporność na lutowanie Temperatura pracy Wytrzymałość na rozerwanie Wytrzymałość na zginanie Wchłanianie wody Oporność izolacji Przenikalność dla 1 MHz Stratność dla 1 MHz Zachowanie kształtu Fenolowopapierowy Szklanoepoksydowy Szklanoteflonowy 27 10/230 105 10 000 14 000 16 2 4.5 0.04 zadowalajęce 36 30/260 150 23 000 42 000 4 5 5.2 0.02 dobre do bardzo dobre 36 60/260 225 10 000 7 000 2 1 2.8 0.0015 zadowalające Warstwy zewnętrzne tworzy prepreg z naniesioną folią miedzianą o odpowiedniej grubości. Zaleca się, aby warstwy obwodu drukowanego były ułożone symetrycznie względem jego osi symetrii. Warstwy sygnałowe oraz zasilające także powinny być ułożone symetrycznie względem osi symetrii płytki obwodu drukowanego. 1 Budowa obwodu wielowarstwowego Laminat Grubości warstwy prepreg: 1080 = 3.04 mil; 2116 = 4.67 mil; 7628 = 7.68 mil Płytka 4-warstwowa: Top Layer ‐ Folia miedziana 18um (po metalizacji grubosć 35um+) Pre‐Preg ‐ 1 x 1080 + 1 x 7628 Layer 2 & 3 ‐ Rdzeń 1.0mm FR4 z folią miedzianą 35um/35um Pre‐Preg ‐ 1 x 1080 + 1 x 7628 Bottom Layer ‐ Folia miedziana 18um (po metalizacji grubosć 35um+) Całkowita grubość: 1.6mm +/‐ 10% Laminat stanowi bazę dla obwodu drukowanego. Na płytę laminatu o odpowiedniej grubości naklejana jest folia miedziana, stanowiąca materiał do wykonania przyszłych ścieżek obwodu drukowanego (dla obecnie najpopularniejszej substraktywnej metody produkcji obwodów). Najczęściej spotykane grubości laminatów: 0,2mm ÷ 3,2mm Najczęściej spotykane folii miedzianej: 17,5µm ÷ 105µm Maksymalny wymiar formatki: 360 mm x 480 mm Płytka 4-warstwowa: Top Layer ‐ Folia miedziana 18um (po metalizacji grubosć 35um+) Pre‐Preg ‐ 1 x 1080 + 1 x 7628 Layer 2 & 3 ‐ Rdzeń 0.36mm FR4 z folią miedzianą 35um/35um Pre‐Preg ‐ 1 x 7628 Layer 2 & 3 ‐ Rdzeń 0.36mm FR4 z folią miedzianą 35um/35um Pre‐Preg ‐ 1 x 1080 + 1 x 7628 Bottom Layer ‐ Folia miedziana 18um (po metalizacji grubosć 35um+) Całkowita grubość: 1.6mm +/‐ 10% Laminat Najczęściej spotykane są laminaty: • kompozytowe (CEM1, CEM3), • fenolowo-papierowe (FR2, FR3), • szklano-epoksydowe (FR4), • szklano-teflonowe (PTFE). Laminat Laminaty fenolowo-papierowe Stosowane w urządzeniach pracujących w warunkach normalnych, posiadają dobre własności technologiczne, dobre własności elektryczne, słabe własności mechaniczne; stosowane w przypadku gdy: • temperatura pracy nie przekracza 105°C, • brak narażeń w rodzaju wibracji i udarów, • nie występuje łuk elektryczny, •dopuszcza się wchłanianie przez obwód wilgoci w granicach do 1% Laminaty szklano-epoksydowe Stosuje się do realizacji płytek drukowanych sprzętu profesjonalnego i wojskowego • duża wytrzymałość mechaniczna • duża odporność na tem lutowania • zdolność długotrwałej pracy w podwyższonych temperaturach • możliwość metalizowania otworów Laminaty szklano-teflonowe Stosowane do realizacji płytek obwodów mikrofalowych. Laminat najdroższy. CEM1 laminat kompozytowy: papierowy rdzeń nasączony żywicą epoksydową, dwustronnie pokryty włóknem szklanym; stosowany najczęściej do produkcji obwodów jednostronnych CEM3 laminat kompozytowy: rdzeń z włókniny nasączonej żywicą epoksydową, dwustronnie pokryty włóknem szklanym; stosowany do produkcji obwodów dwustronnych FR2 Papier nasączony żywicą fenolową z domieszką związków ograniczających palność FR3 Papier nasączony żywicą epoksydową z domieszką związków ograniczających palność FR4 Twarda żywica epoksydowa wzmocniona prasowanymi włóknami szklanymi z domieszką związków ograniczających palność (najczęściej pochodnych bromu) PTFE Baza wykonana w oparciu o kompozycję teflonu i ceramiki Obwody drukowane – klasyfikacja według zastosowania Folia miedziana Grubości folii miedzianej Rezystancja warstwy przewodzącej w temperaturze +26,85 ºC Najgorszy przypadek Max Temp Użytkowanie mikrony oz (uncji/stopa2) Grubosć powłoki [oz] Wartość Rs Użytkowe 0°C +60°C 1-3 lat 12 0,35 0,5 971 Komputery +15°C +60°C ~5 lat 18 0,5 1,0 486 Telekomunikacja -40°C +85°C 7-20 lat Lotnictwo cywilne -55°C +95°C ~10 lat Przemysłowe -55°C +95°C ~10 lat Samochodowe -55°C +55°C ~10 lat Militarne -55°C +95°C ~5 lat Kosmiczne -40°C +85°C 5-20 lat Lotnictwo wojskowe -55°C +95°C ~5 lat Silniki samochodowe -55°C +125°C ~5 lat 35 1,0 2 243 50 1.5 3 162 70 2,0 105 R = Rs*(L/W) 3,0 Zastosowanie Min Temp 2 Obwody drukowane - czynniki środowiskowe Wysoka temperatura – uszkodzenia izolacji, mechaniczne, zwiększenie naprężeń mechanicznych, zwiększone zużycie materiałowe. Obwody drukowane - pola lutownicze Są miejscem, służącym do elektrycznego łączenia wyprowadzeń elementów, podzespołów lub przewodów z obwodem drukowanym. Połączenia te jednocześnie stanowią mechaniczne połączenie montażowe. Niska temperatura – uszkodzenia izolacji, mechaniczne, pękanie, uszkodzenia uszczelnień. Są miejscem, do którego lub od którego prowadzi się ścieżki obwodu drukowanego w celu dokonania połączenia funkcjonalnego z innymi obiektami układu. Wysoka wilgotność względna – uszkodzenia izolacji, fizyczne i mechaniczne wskutek absorpcji wilgoci, pęcznienia, zmniejszenia wytrzymałości mechanicznej, reakcji chemicznych, korozji, elektrolizy. Punkt lutowniczy składa się z otworu montażowego wykonanego w podłożu izolacyjnym oraz z pola lutowniczego. W przypadku płytek wielowarstwowych otwory są poddawane procesowi metalizacji. Niska wilgotność względna – uszkodzenia fizyczne i mechaniczne wskutek adsorpcji, pękanie Pole lutownicze najczęściej ma kształt pierścienia, kwadratu, owalny lub prostokąta. Pole lutownicze owalne lub prostokątne stosuje się w przypadku lutowania elementów cięższych (ponad 8g na wyprowadzenie). Wysokie ciśnienie – wskutek sprężania i odkształcania materiałów powstają uszkodzenia mechaniczne np. uszczelnień. Niskie ciśnienie – wskutek zmniejszenia wytrzymałości dielektrycznej powietrza zmniejsza się wytrzymałość napięciowa. Zagięcie wyprowadzenia pozwala powodowanego masą elementu. przenieść część obciążenia, Pojedyncze pole kwadratowe lub prostokątne bardzo często wykorzystywane jest do oznaczenia „pierwszego” wyprowadzenia elementu. W szeregu wypadków stosuje się pola wielokrotne, obejmujące kilka blisko siebie położonych punktów lutowniczych. Obwody drukowane - pola lutownicze Podstawowym czynnikiem wyboru średnicy otworu pola lutowniczego jest łatwość montażu elementów o określonej średnicy wyprowadzeń. Zaleca się by średnica otworu była większa od średnicy wyprowadzenia elementu o: • 0.2 - 0.3 mm dla montażu ręcznego, • 0.3 - 0.5 mm dla montażu automatycznego. Średnicę otworu metalizowanego wybiera się uwzględniając: • powierzchnię lutowania – im większy otwór tym większa powierzchnia i w konsekwencji wytrzymałość połączenia, • łatwość wtykania wyprowadzeń elementów; stosuje się szczeliny jak w przypadku otworów zwykłych, • wgłębność kąpieli - dla obecnie stosowanych technologi średnica otworu nie może być mniejsza od 1/5 grubości laminatu. Średnicę otworu metalizowanego wybiera się uwzględniając: Obwody drukowane - wymiary ścieżki Grubość ścieżki drukowanej równa jest grubości folii przewodzącej laminatu. Szerokość ścieżki zależy od czynników układowych i technologicznych, wśród których należy wymienić • obciążalność prądową – ścieżki obwodu drukowanego można obciążyć znacznie większymi prądami niż przewody okrągłe. Zaleca się stosować ścieżki możliwie najszersze. Przy projektowaniu należy przyjmować przyrost temperatury ścieżki 20°C, przy czym maksymalny przyrost temperatury nie powinien przekroczyć 40°C. Obwody drukowane - rodzaje ścieżek Ścieżki zwykłe Prowadzone po jednej lub obu stronach powierzchni płytki drukowanej w sposób swobodny. Linie paskowe niesymetryczne Linie paskowe niesymetryczne mogą być wykonywane na dwuwarstwowych obwodach drukowanych. Na jednej z warstw prowadzona jest ścieżka zwykła. Na drugiej warstwie, symetrycznie prowadzona jest ścieżka masy. Jej szerokość musi co najmniej trzy razy przekraczać szerokość zwykłej ścieżki sygnałowej. Parametrem charakteryzującym linię paskową jest wartość impedancji. Linie paskowe symetryczne Linie paskowe symetryczne mogą być wykonywane jedynie na trójwarstwowych obwodach drukowanych. Pomiędzy dwiema płaszczyznami masy umieszczona jest ścieżka sygnałowa. Obwody drukowane - wymiary ścieżki • dokładność trawienia – w procesie trawienia występuje zmniejszenie lub zwiększenie szerokości ścieżek oraz ich „podtrawienie” o wartość zależną od grubości folii • indukcyjność ścieżek – jest jednym z głównych źródeł zakłóceń w obwodzie. Jej wartość określa zależność: 4l L 2 10 l 2.3 ln 0.75 4 F • spadek napięcia – w pewnych warunkach konieczne jest uwzględnienie spadków napięcia na rezystancji ścieżek. Spadek napięcia na ścieżce obwodu drukowanego wyraża się zależnością: U – rezystancja właściwa miedzi l – długość ścieżki [m] I – wartość prądu [A] g – grubość ścieżki [mm] b – szerokość ścieżki [mm] 4 l I g b [mH] l – długość ścieżki [mm] F – przekrój poprzeczny ścieżki [mm2] LINK: http://circuitcalculator.com/ http://www.ultracad.com/calc.htm 3 Obwody drukowane - wymiary ścieżki (gęstość prądu) Obwody drukowane - wymiary ścieżki (ntężenie przewodzonego prądu) Dopuszczalny wzrost temperatury [oC] ścieżki grubości 17,5µm szerokość ścieżki [mm] pole przekroju [mm2] odpowiednik przewodu o średnicy [mm] gęstość prądu dla I = 0,3 A [A/mm2] gęstość prądu dla I = 1,5 A [A/mm2] szerokość [mm] 10 20 30 60 75 100 0,5 0,6 1,0 1,2 1,7 2,0 2,3 1,00 0,035 0,211 8,57 42,85 1,0 1,1 1,5 2,0 3,0 3,2 3,7 1,5 2,0 2,6 3,4 4,3 5,0 6,0 2,0 2,3 3,2 4,0 5,0 6,0 7,0 4,0 4,0 5,0 7,0 9,0 10,0 11,0 6 5 7 9 12 13 14 8 6 9 11 14 16 18 10 7 10 13 16 19 21 1,27 0,04445 2,54 0,2379 0,0889 5,08 6,74 0,3365 0,1778 33,74 3,37 0,4759 16,87 1,68 8,43 Dla grubości warstwy miedzi 35 µm (0,035 mm) Natężenie prądu w [A] Obwody drukowane - wymiary ścieżki (ntężenie przewodzonego prądu) Obwody drukowane - wymiary ścieżki (natężenie przewodzonego prądu) Dopuszczalny wzrost temperatury [oC] ścieżki grubości 35µm szerokość [mm] 10 20 30 60 75 100 0,5 1,3 2 2,3 3 3,5 1,0 2 2,8 3,1 4 1,5 2,6 3,7 4,4 6 2,0 3,2 5 6 8 4,0 5,5 8 10 11 Dopuszczalny wzrost temperatury [oC] ścieżki grubości 70µm 4 szerokość [mm] 10 20 30 60 75 5 6 0,5 2,4 3,2 4 5 6 7 7 8 1,0 3,3 4,5 6 8 9 10 9 10 1,5 4,3 6 8 10 12 13 16,5 2,0 5 8 10 13 14 15 9 13 15 21 23 25 12 16 22 30 32 35 15 6,0 8 11 13 18 21 23 4,0 8 9,5 13 16 22 24 26 6,0 10 11 16 20 27 29 33 100 Natężenie prądu w [A] Natężenie prądu w [A] Obwody drukowane – minimalne odległości pomiędzy ścieżkami • W celu uniknięcia powstawania przebić pomiędzy ścieżkami należy stosować odpowiednią odległość pomiędzy nimi - izolację • Najistotniejszymi parametrami określającymi minimalną odległość pomiędzy ścieżkami są szczytowa wartość napięcia oraz warunki środowiskowe Obwody drukowane – minimalne odległości pomiędzy ścieżkami Test Hipot (wysokiego potencjału) pozwala określić wytrzymałość dielektryka na przebicie, a więc wytrzymałość izolacji, m.in. w gotowych urządzeniach, przewodach, obwodach, silnikach lub transformatorach. • Opracowanych zostało wiele norm określających wymagania dotyczące odległości, są to m.in. IPC-2221, UL60950-1 IPC-9592 • IPC2221 dla warstw zewnętrznych płytek bez izolacji • UL60950 dla izolacji funkcjonalnej spełniającej założenia testu HiPot, przy założeniu odporności 40V/mil http://www.creepage.com/ • IPC-9592: D [mm] = 0.6 + Vpeak x 0.005 • OSP - Organic Solderabilty Preservatives • ENIG - Electroless Nickel Immersion Gold 4 Obwody drukowane – minimalne odległości pomiędzy ścieżkami Obwody drukowane – minimalne odległości pomiędzy ścieżkami • różnice napięć na sąsiednich ścieżkach • wilgotność i stopień zanieczyszczenia atmosfery – wilgoć w połączeniu z zanieczyszczeniami osadzając się na powierzchni obwodu tworzy elektrolit znacznie zmniejszający rezystancję powierzchniową laminatu; należy wówczas zwiększyć odległość pomiędzy ścieżkami i/lub pokryć powierzchnię płytki warstwą izolacyjną • rodzaj izolacji pomiędzy ścieżkami (brak izolacji, lakiery izolujące, warstwa wewnętrzna) • możliwości technologiczne producenta obwodu drukowanego • ciśnienie powietrza – na większych wysokościach własności izolacyjne powietrza są gorsze w porównaniu z własnościami w ciśnieniu normalnym; należy wówczas zwiększyć odległość pomiędzy ścieżkami i/lub pokryć płytkę lakierami zabezpieczającymi • przesłuchy – powstają w wyniku sprzężenia pomiędzy impulsami przesyłanymi jedną linią a linią sąsiednią; wymagane jest zwiększenie odległości pomiędzy ścieżkami, ekranowanie ścieżek i prowadzenie ich tak, aby przecinały się pod kątem prostym (druk dwui wielowarstwowy) • mostkowanie – poniżej pewnej odległości pomiędzy sąsiednimi elementami metalowymi obwodu może nastąpić ich mostkowanie (zwieranie) w procesie lutowania Obwody drukowane – minimalne odległości pomiędzy ścieżkami PCB – punkty odniesienia Przerwa pomiędzy przewodnikami (IPC2221) Minimalna odległość (cale) (cale Napięcie pomiędzy przewodnikami Nieizolowane Elementy B1 B2 B3 B4 A5 A6 A7 0 do 15 V 0.004 0.025 .025 .005 .005 .005 .005 16 do 30 V 0.004 0.025 .025 .005 .005 .010 .005 31 do 50 V 0.004 0.025 .025 .005 .005 .015 .005 51 do 100 V 0.004 0.025 .060 .005 .005 .020 .005 101 do 150 V 0.008 0.025 .125 .015 .015 .030 .015 151 do 170 V 0.008 0.050 .125 .015 .015 .030 .015 171 do 250 V 0.008 0.050 .250 .015 .015 .030 .015 251 do 300 V 0.008 0.050 .500 .015 .015 .030 .015 301 do 500 V 0.010 0.100 .500 .030 .030 .060 .030 Powyżej 500 V 0.1 0.2 1 .12 .12 .12 .12 B1 - wewnętrzne przewodniki B2 - zewnętrzne nieizolowane przewody od poziomu morza do 10000 stóp n.p.m. B3 - zewnętrzne nieizolowane przewody ponad 10000 stóp n.p.m. B4 - zewnętrzne przewodniki w stosunku do stałej izolacji (soldermask) A5 - zewnętrzne przewodniki, w stosunku do izolowanych elementów A6 - zewnętrzne elementy, w stosunku do nieizolowanych elementów A7 - zewnętrzne elementy, w stosunku do izolowanych elementów Obszar dookoła punktu odniesienia powinien: • być pozbawiony przewodzącej powierzchni (miedzianej) oraz solder maski, • być kwadratem, którego wymiar jest większy od punktu odniesienia o co najmniej 0.5 mm. W celu zwiększenia dokładności położenia elementów typu BGA, QFP, TSOP itp. bądź grupy stosuje się dodatkowe punkty odniesienia (co najmniej 2 punkty), umieszczone po przekątnej elementu lub obszaru elementów. W przypadku braku miejsca możliwe jest umieszczenie dodatkowych punktów odniesienia pod obrysem elementu. PCB – punkty odniesienia Punkty odniesienia (referencyjne) umieszczone na płytce drukowanej umożliwiają ustalenie bazy dla elementów SMD montowanych na płytce. Punkty odniesienia muszą posiadać ściśle określone kształty i wymiary. Powinny także charakteryzować się możliwie płaską powierzchnią o dużej refleksyjności. 5
