METODYKA PROJEKTOWANIA I TECHNIKA REALIZACJI. Wykład piąty Materiały elektroniczne płyty z obwodami drukowanymi PCB (Printed Circuit Board)

Transkrypt

1 METODYKA PROJEKTOWANIA I TECHNIKA REALIZACJI Wykład piąty Materiały elektroniczne płyty z obwodami drukowanymi PCB (Printed Circuit Board)

2 Co to jest płyta z obwodem drukowanym? Obwód drukowany (ang. Printed Circuit Board) płytka z materiału izolacyjnego z połączeniami elektrycznymi (tzw. ścieżkami) i punktami lutowniczymi (tzw. padami), przeznaczona do montażu podzespołów elektronicznych. Płytki obwodów drukowanych projektowane są pod kątem budowanego układu elektronicznego i wykonywane są techniką trawienia. Płytki obwodów drukowanych wytwarza się z płytek pokrytych warstwą miedzi, na które różnymi technikami nanoszony (drukowany) jest wzór ścieżek, a następnie celem otrzymania pożądanego wzoru wykonuję się obróbkę chemiczną. (źródło: wikipedia.pl)

3 Płyta drukowana jednostronna Jednostronne płyty drukowane mają ścieżki przewodzące tylko po jednej stronie podłoża i całe lutowanie jest wykonane tylko po tej jednej stronie. Elementy przewlekane THD są umieszczane z przeciwnej strony niż ścieżki i punkty lutownicze, a następnie lutowane (zwykle na tzw. fali). Elementy do montażu powierzchniowego SMD są umieszczane po stronie ścieżek, a następnie są lutowane na fali (po wcześniejszym przyklejeniu) lub rozpływowo przy użyciu pasty lutowniczej. Uwaga: niektóre półprzewodnikowe w obudowach SMD nie mogą być lutowane na fali (zbyt duża temperatura).

4 Płyta drukowana jednostronna widok przekroju

5 Montaż przewlekany i powierzchniowy

6 Płyta drukowana dwustronna Dwustronne płyty drukowane mają ścieżki na obu zewnętrznych powierzchniach podłoża. Można na nich montować zarówno elementy przewlekane THD, jak i powierzchniowe SMD, salbo każdy z tych typów oddzielnie po obu stronach lub też w sposób mieszany na jednej ze stron. Warstwy przewodzące (miedź) górnej i dolnej strony płyty są w potrzebnych miejscach połączone kontaktami otworów metalizowanych (lub tzw. przelotek). Otwory metalizowane (PTH - Plated Through Holes lub Via) są wykonywane przez nawiercenie otworów i pokrycie ich wewnętrznej powierzchni miedzią (w procesie galwanizacji).

7 Płyta drukowana dwustronna widok przekroju

8 Płyta drukowana wielowarstwowa Wielowarstwowe płyty drukowane mają dwie warstwy na zewnątrz podłoża (tak jak płyty dwustronne) i pozostałe warstwy wewnątrz wielowarstwowego podłoża. Wewnętrzne warstwy są wytwarzane w procesie laminowania i zawierają mozaiki ścieżek lub jednolitą powierzchnię. Warstwy przewodzące przedzielone są warstwami izolacyjnego podłoża.

9 Płyta drukowana wielowarstwowa - przekrój

10 Typy otworów metalizowanych Wyróżnić można trzy typy otworów metalizowanych PTH w płytach wielowarstwowych: Przelotowe, czyli przechodzące przez wszystkie warstwy podłoża na wylot, ale połączone elektrycznie z wybranymi warstwami. Ślepe, czyli przechodzące przez wewnętrzne warstwy i tylko jedną zewnętrzną. Zagrzebane, czyli łączące tylko wewnętrzne warstwy.

11 Typy otworów metalizowanych

12 Rzeczywisty przekrój płyty PCB (w powiększeniu)

13 Rzeczywisty przekrój otworu z metalizacją (w powiększeniu)

14 Szczególny przypadek płyty wielowarstwowej: cztery warstwy Częstym wariantem płyty wielowarstwowej są płyty czterowarstwowe. Na zewnętrznych warstwach prowadzone są ścieżki sygnałowe, jedna z wewnętrznych warstw stanowi płaszczyznę zasilania (Power Plane), a druga płaszczyznę masy (Ground Plane). Okolice otworów metalizowanych w płaszczyznach wewnętrznych mogą wymagać zastosowania tzw. tłumików termicznych (podcięcia miedzi wokół metalizacji nie przeszkadzające w kontakcie elektrycznym) w celu obniżenia ilości ciepła odbieranego z lutowia w trakcie lutowania. Można też wykorzystać płaszczyzny wewnętrzne do rozpraszania ciepła wydzielanego przez elementy (wtedy nie stosuje się tłumików termicznych).

15 Materiały na podłoża płyt drukowanych Podstawowe materiały na podłoża płyt drukowanych: Papier fenolowy (tanie rozwiązanie) Poliamid (drogie rozwiązanie, ale zapewniające wysoką jakość i stabilność wymiarów) Żywice epoksydowe (najbardziej rozpowszechnione) PTFE (Polytetrafluoroethylene) oraz rzadziej inne materiały: żywice aminowe, alkidowy poliester, silikon i inne.

16 Właściwości płyt z żywic epoksydowych (1) Żywica epoksydowa może być użyta ze zbrojeniem papierem (typ płyty FR-3) lub z włóknem szklanym (typy płyt FR-4 i FR-5). W zastosowaniach przemysłowych najczęściej stosuje się materiał FR-4. Zbrojeniem płyty FR-4 jest tkanina szklana utkana z wiązek włókna szklanego (np. 408 włókien szklanych o średnicy 9,6 mikrometra skręconych co 5 centymetrów). Sito osnowy ma 17 wiązek na centymetr, a wątek (w poprzek tkaniny) ma 13 nici na centymetr.

17 Właściwości płyt z żywic epoksydowych (2) Materiał FR-4 jest produkowany w grubościach będących wielokrotnością 0,031 cala (wielokrotność 0,7874 mm). Najczęściej stosowane płyty z żywic epoksydowych mają 1,57 mm. Materiał przewodzący stanowi warstwa miedzi elektrolitycznej o grubości 36 mikrometrów. Laminatowo-miedziany przekładaniec jest łączony pod prasą i przy podwyższonej temperaturze tworząc zwartą strukturę.

18 Właściwości płyt z materiału FR-4 (1) Zalety materiału FR-4: Relatywnie niedrogi Łatwy w produkcji (żywica działa jak klej spajający całość) Wysoka wytrzymałość mechaniczna materiału Stosunkowo mały ciężar właściwy Dobre właściwości dielektryczne epoksydu, jako izolacji Bardzo dobra odporność na działanie substancji chemicznie żrących Wystarczająca wytrzymałość termiczna

19 Właściwości płyt z materiału FR-4 (2) Wady materiału FR-4: Nadtapianie (rozmazywanie) epoksydu podczas wiercenia otworów. Przy krawędziach otworu tworzy się pierścień izolacyjny uniemożliwiający pokrycie galwaniczne podczas metalizacji i brak połączenia elektrycznego między warstwami. Konieczność stosowania drogiego sprzętu zabezpieczającego przed rozmazywaniem. Niestabilność wymiarowa materiału. Konieczność stosowania na płycie znaczników (fiducial marks), pełniących funkcje geometrycznych punktów odniesienia podczas montażu automatycznego. Mięknięcie żywicy epoksydowej w temperaturze powyżej 160 o C powoduje wewnętrzne mechaniczne naprężenia i skrzywienia płyt podczas lutowania. Duże różnice współczynników rozszerzalności mechanicznej płyty, miedzianych ścieżek i elementów elektronicznych skutek j.w. Szkodliwość dla zdrowia pyłów powstających przy cięciu epoksydu i włókien szklanych.

20 Ilustracja naprężeń wywołanych różnymi współczynnikami rozszerzalności termicznej

21 Zmiany cen na rynku obwodów PCB