Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Wprowadzenie Komputerowe wspomaganie projektowania systemów elektronicznych dr inż. Piotr Pietrzak pietrzak@dmcs.pl pok., tel. 1 0 www.dmcs.p.lodz.pl 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. 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 1r. Sztywne Obwody drukowane Jednowarstwowe Dwuwarstwowe Wielowarstwowe Giętkie Rodzaje 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 0 razy większa niż dla obwodów jednowarstwowych. Budowa obwodu wielowarstwowego 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 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 Szklanoepoksydowy Fenolowopapierowy /0 000 1 000. 0.0 zadowalajęce Szklanoteflonowy 0/0 10 000 000. 0.0 dobre do bardzo dobre 0/0 000 000 1. 0.001 zadowalające Warstwę nośną płytki obwodu drukowanego stanowi rdzeń. 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 Grubości warstwy prepreg: 0 =.0 mil; 1 =. mil; =. mil Płytka -warstwowa: Top Layer Folia miedziana 1um (po metalizacji grubosć um+) Pre Preg 1 x 0 + 1 x Layer & Rdzeń 1.0mm FR z folią miedzianą um/um Pre Preg 1 x 0 + 1 x Bottom Layer Folia miedziana 1um (po metalizacji grubosć um+) Całkowita grubość: 1.mm +/ % Płytka -warstwowa: Top Layer Folia miedziana 1um (po metalizacji grubosć um+) Pre Preg 1 x 0 + 1 x Layer & Rdzeń 0.mm FR z folią miedzianą um/um Pre Preg 1 x Layer & Rdzeń 0.mm FR z folią miedzianą um/um Pre Preg 1 x 0 + 1 x Bottom Layer Folia miedziana 1um (po metalizacji grubosć um+) Całkowita grubość: 1.mm +/ % 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,mm,mm Najczęściej spotykane folii miedzianej: 1,µm µm Maksymalny wymiar formatki: 0 mm x 0 mm Najczęściej spotykane są laminaty: kompozytowe (CEM1, CEM), fenolowo-papierowe (FR, FR), szklano-epoksydowe (FR), szklano-teflonowe (PTFE). y 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 C, brak narażeń w rodzaju wibracji i udarów, nie występuje łuk elektryczny, dopuszcza się wchłanianie przez obwód wilgoci w granicach do 1% y 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 y szklano-teflonowe Stosowane do realizacji płytek obwodów mikrofalowych. najdroższy. CEM1 CEM FR FR FR PTFE laminat kompozytowy: papierowy rdzeń nasączony żywicą epoksydową, dwustronnie pokryty włóknem szklanym; stosowany najczęściej do produkcji obwodów jednostronnych laminat kompozytowy: rdzeń z włókniny nasączonej żywicą epoksydową, dwustronnie pokryty włóknem szklanym; stosowany do produkcji obwodów dwustronnych Papier nasączony żywicą fenolową z domieszką związków ograniczających palność Papier nasączony żywicą epoksydową z domieszką związków ograniczających palność Twarda żywica epoksydowa wzmocniona prasowanymi włóknami szklanymi z domieszką związków ograniczających palność (najczęściej pochodnych bromu) Baza wykonana w oparciu o kompozycję teflonu i ceramiki Folia miedziana Grubości folii miedzianej mikrony oz (uncji/stopa ) 1 0, 1 0, 0 1. 0,0,0 R = R s *(L/W) Rezystancja warstwy przewodzącej w temperaturze +, ºC Grubosć powłoki [oz] 0, Wartość R s 1 Obwody drukowane klasyfikacja według zastosowania Najgorszy przypadek Zastosowanie Min Temp Max Temp Użytkowanie Użytkowe 0 C +0 C 1- lat Komputery +1 C +0 C ~ lat Telekomunikacja -0 C + C -0 lat Lotnictwo cywilne - C + C ~ lat Przemysłowe - C + C ~ lat Samochodowe - C + C ~ lat Militarne - C + C ~ lat Kosmiczne -0 C + C -0 lat Lotnictwo wojskowe Silniki samochodowe - C + C ~ lat - C +1 C ~ lat
Obwody drukowane - czynniki środowiskowe Wysoka temperatura uszkodzenia izolacji, mechaniczne, zwiększenie naprężeń mechanicznych, zwiększone zużycie materiałowe. Niska temperatura uszkodzenia izolacji, mechaniczne, pękanie, uszkodzenia uszczelnień. Wysoka wilgotność względna uszkodzenia izolacji, fizyczne i mechaniczne wskutek absorpcji wilgoci, pęcznienia, zmniejszenia wytrzymałości mechanicznej, reakcji chemicznych, korozji, elektrolizy. Niska wilgotność względna uszkodzenia fizyczne i mechaniczne wskutek adsorpcji, pękanie Wysokie ciśnienie wskutek sprężania i odkształcania materiałów powstają uszkodzenia mechaniczne np. uszczelnień. Niskie ciśnienie wskutek zmniejszenia wytrzymałości dielektrycznej powietrza zmniejsza się wytrzymałość napięciowa. 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. Są miejscem, do którego lub od którego prowadzi się ścieżki obwodu drukowanego w celu dokonania połączenia funkcjonalnego z innymi obiektami układu. Punkt lutowniczy składa się z otworu montażowego wykonanego w podłożu izolacyjnym oraz z pola lutowniczego. W przypadku płytek wielowarstwowych otwory są poddawane procesowi metalizacji. Pole lutownicze najczęściej ma kształt pierścienia, kwadratu, owalny lub prostokąta. Pole lutownicze owalne lub prostokątne stosuje się w przypadku lutowania elementów cięższych (ponad g na wyprowadzenie). Zagięcie wyprowadzenia pozwala przenieść część obciążenia, powodowanego masą elementu. 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. - 0. mm dla montażu ręcznego, 0. - 0. 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/ grubości laminatu. Średnicę otworu metalizowanego wybiera się uwzględniając: Obwody drukowane - rodzaje ścieżek Ścieżki zwykłe Prowadzone po jednej lub obu stronach powierzchni płytki drukowanej w sposób swobodny. Linie paskowe niesymetryczne Linie paskowe symetryczne mogą być wykonywane na dwuwarstwowych obwodach drukowanych. Na jednej z warstw prowadzona jest ścieżka zwykła. Na drugiej warstwie, symetrycznie prowadzona jest ścieżka masy. Jej musi co najmniej trzy razy przekraczać 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 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 0 C, przy czym maksymalny przyrost temperatury nie powinien przekroczyć 0 C. spadek napięcia w pewnych warunkach konieczne jest uwzględnienie spadków napięcia na rezystancji ścieżek. Spadek napięcia na ścieżce obwodu drukowanego wyraża się zależnością: ρ rezystancja właściwa miedzi l długość ścieżki [m] I wartość prądu [A] g grubość ścieżki b ścieżki l U = ρ I g b 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: LINK: L = l. ln l 0. F π l długość ścieżki F przekrój poprzeczny ścieżki [mm ] http://circuitcalculator.com/ http://www.ultracad.com/calc.htm [mh]
Obwody drukowane - wymiary ścieżki (gęstość prądu) Obwody drukowane - wymiary ścieżki (ntężenie przewodzonego prądu) ścieżki pole przekroju [mm ] odpowiednik przewodu o średnicy gęstość prądu dla I = 0, A [A/mm ] gęstość prądu dla I = 1, A [A/mm ] 0, Dopuszczalny wzrost temperatury [ o C] ścieżki grubości 1,µm 0 0 0 0 0, 1, 1,,0, 0 0,0 0,,, 1,1 1,,0,0,, 1, 0,0 0,,, 1,,0,0,,,,,0,,0,0,0,0,0, 0,0 0,,,,0,0,0,0,0 1,0 1 1,0 0,1 0, 1,, 1 1 1 1 Dla grubości warstwy miedzi µm (0,0 mm) Obwody drukowane - wymiary ścieżki (ntężenie przewodzonego prądu) Obwody drukowane - wymiary ścieżki (natężenie przewodzonego prądu) Dopuszczalny wzrost temperatury [ o C] ścieżki grubości µm 0, 1,,0,0,0 1,,,,, 0,, 0,,1, 0 1, 1 1 0, 0, 1,,0,0,0 Dopuszczalny wzrost temperatury [ o C] ścieżki grubości 0µm 0 0 0 0,,,,, 1 1 1 1 1 1 0 0 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 Opracowanych zostało wiele norm określających wymagania dotyczące odległości, są to m.in. IPC-1, UL00-1 IPC- IPC1 dla warstw zewnętrznych płytek bez izolacji UL00 dla izolacji funkcjonalnej spełniającej założenia testu HiPot, przy założeniu odporności 0V/mil http://www.creepage.com/ IPC-: D = 0. + V peak x 0.00 Test Hipot (wysokiego potencjału) pozwala określić wytrzymałość dielektryka na przebicie, a więc wytrzymałość izolacji, m.in. w gotowych urządzeniach, przewodach, obwodach, silnikach lub transformatorach. OSP - Organic Solderabilty Preservatives ENIG - Electroless Nickel Immersion Gold
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 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 rodzaj izolacji pomiędzy ścieżkami (brak izolacji, lakiery izolujące, warstwa wewnętrzna) możliwości technologiczne producenta obwodu drukowanego Napięcie pomiędzy przewodnikami Przerwa pomiędzy przewodnikami (IPC1) Nieizolowane Minimalna odległość (cale) Elementy B1 B B B A A A 0 do 1 V 0.00 0.0.0.00.00.00.00 do 0 V 0.00 0.0.0.00.00.0.00 1 do 0 V 0.00 0.0.0.00.00.01.00 1 do 0 V 0.00 0.0.00.00.00.00.00 1 do 10 V 0.00 0.0.1.01.01.00.01 do 10 V 0.00 0.00.1.01.01.00.01 11 do 0 V 0.00 0.00.0.01.01.00.01 1 do 00 V 0.00 0.00.00.01.01.00.01 01 do 00 V 0.0 0.0.00.00.00.00.00 Powyżej 00 V 0.1 0. 1.1.1.1.1 B1 - wewnętrzne przewodniki B - zewnętrzne nieizolowane przewody od poziomu morza do 000 stóp n.p.m. B - zewnętrzne nieizolowane przewody ponad 000 stóp n.p.m. B - zewnętrzne przewodniki w stosunku do stałej izolacji (soldermask) A - zewnętrzne przewodniki, w stosunku do izolowanych elementów A - zewnętrzne elementy, w stosunku do nieizolowanych elementów A - zewnętrzne elementy, w stosunku do izolowanych elementów