Struktura wielowarstwowych płytek od PCBWay

Struktura wielowarstwowych płytek od PCBWay

Nie ma czegoś takiego jak standardowa płytka PCB. Każda płytka drukowana ma unikalną funkcję zaprojektowaną do konkretnej aplikacji. W przypadku płytek wielowarstwowych parametry elektryczne kształtuje wiele czynników, w tym ułożenie poszczególnych warstw, ich grubości i zastosowany materiał. W artykule opisujemy, jakie możliwości w tym zakresie oferuje PCBWay.

Kluczowym zagadnieniem w produkcji płytek wielowarstwowych jest zastosowana budowa stosu, czyli PCB, rozpatrywana warstwa po warstwie, tzw. stackup. Struktura ta może być bardzo złożona – może znajdować się tam nawet kilkadziesiąt warstw, pełniących różne funkcje, rozmieszczonych w odpowiedniej kolejności, przeważnie symetrycznie względem środka. W najprostszym przypadku jedynymi parametrami dotyczącym stackupu będzie grubość warstwy dielektryka pomiędzy warstwami miedzi oraz grubość warstwy przewodzącej, jednak zestaw informacji może być dużo bardziej rozbudowany.

Prepregi i rdzenie

W przekroju laminatów wielowarstwowych występują trzy komponenty: folie miedziane, rdzenie i tzw. prepregi.

Prepreg (PP) to najczęściej także mata z włókna szklanego, nasączona żywicą epoksydową z domieszką różnego rodzaju wypełniaczy (których celem jest m.in. poprawa przewodności cieplnej, zwiększenie wytrzymałości na zginanie czy też osiągnięcie odpowiedniej klasy palności) – w tym przypadku jednak epoksyd nie jest fabrycznie utwardzony, dzięki czemu w procesie prasowania może on trwale związać się z powierzchniami sąsiadujących rdzeni, prepregów bądź folii miedzianej. Czasami składanie dwóch lub trzech czy nawet czterech prepregów nieprzedzielonych żadnym innym materiałem stanowi klasyczną praktykę, stosowaną przez producentów w celu uzyskania odpowiedniej grubości dielektryka pomiędzy poszczególnymi warstwami miedzi.

Rysunek 1. Zobrazowanie splotu włókniny w laminacie

Mechaniczne, termiczne i elektryczne właściwości prepregu zależą w dużej mierze od zastosowanego splotu włókniny – i to właśnie od niego pochodzą 3- lub 4-cyfrowe oznaczenia, stosowane m.in. w opisach stosu warstw. Każdy rodzaj splotu ma swój unikalny numer i ściśle określone parametry geometryczne. W specyfikacji poszczególnych splotów bierze się pod uwagę raster (pitch), wymiary przekroju „nitek” oraz liczbę zakończeń/cal, to osobno dla obydwu kierunków, określanych jako wątek (fill, weft) i osnowa (warp) (rysunek 1), a także określa się rodzaj splotu jako standardowy lub rozszerzony w jednym (expanded) bądź dwóch (mechanical spread) kierunkach. Najważniejsze parametry prepregów stosowanych również w PCBWay zestawiono w tabeli 1.

Rdzeń (core) pełni funkcję bazy konstrukcyjnej, na której opiera się cała płyta lub jej część – w większości typowych aplikacji ma on postać klasycznego, cienkiego laminatu szklano-epoksydowego, pokrytego obustronnie folią miedzianą. Stanowi on nośnik warstw sygnałowych lub płaszczyzn masy/zasilania, a jednocześnie bierze istotny udział w nadawaniu płytce odpowiedniej sztywności (choć cienkie rdzenie przypominają bardziej folię niż sztywny laminat, znany ze zwykłych płytek 1- i 2-warstwowych).

Najbardziej rozpowszechnioną grupą materiałów, stosowanych w produkcji płyt wielowarstwowych są różne odmiany klasycznego FR-4, którego konstrukcja bazuje na tkaninie z włókna szklanego, nasączonej żywicą epoksydową. Nic więc dziwnego, że ten sam materiał podstawowy występuje zarówno w formie w pełni utwardzonej jako baza rdzenia, pokrywana następnie miedzią, jak i nieutwardzonej (jako gotowy do użytku prepreg). Z uwagi na inne zadania rdzeni i prepregów charakteryzujące je parametry pokrywają się jednak ze sobą tylko w pewnej części.

Folia miedziana (copper foil lub copper) znajduje natomiast zastosowanie jako zewnętrzna „okładzina” całego stosu – to właśnie ona będzie tworzyła warstwy zewnętrzne.

Jaką grubość daje 1 uncja miedzi

W branży płytek drukowanych najpowszechniejszym sposobem wyrażania grubości miedzi na płytce drukowanej są uncje (oz). Jeśli 1 uncja (28,35 grama) miedzi zostanie spłaszczona tak, aby równomiernie pokryć 1 stopę (ft) kwadratową powierzchni (0,093 m²), uzyskana grubość wyniesie 1,37 milicala (mil), czyli ok. 0,035 mm (35 μm).

Standardowe płytki PCB są wykonane w standardzie 1 uncji miedzi (1 oz Cu) na każdej warstwie. Jeśli projekt wymaga wyższych prądów i niższych rezystancji lub impedancji, konieczna może być grubsza warstwa miedzi. PCBWay oferuje w standardzie 1 oz, 1,5 oz lub 2 oz. W tabeli 2 zestawiono parametry warstwy miedzi dla różnych mas.

Przyporządkowanie poszczególnych płaszczyzn

W przypadku liczby warstw przekraczającej 4 zasady przyporządkowania poszczególnych płaszczyzn do określonych celów bazuje na kilku podstawowych zasadach. Warstwa sygnałowa powinna być w miarę możliwości oddzielona od pozostałych płaszczyzną masy, zaś płaszczyzna zasilania oraz jedna z mas powinny tworzyć parę, przedzieloną tylko cienką warstwą dielektryka (prepregu lub rdzenia o niewielkiej grubości). To ostatnie jest szczególnie ważne, ze względu na doskonałe właściwości pojemności rozproszonej, tworzącej swego rodzaju jeden wielki kondensator odsprzęgający o powierzchni całej płytki. Takie rozwiązanie doskonale poprawia właściwości obwodu wielowarstwowego w zakresie integralności sygnałów oraz emisji RFI.

Technologia produkcji PCBWay pozwala na realizację obwodów nawet z 64 warstwami, a dwie przykładowe struktury płytki o grubości 1,6 mm i 8 warstwach miedzi pokazano na rysunku 2. Wszystkie oferowane konfiguracje można zobaczyć na stronie: https://www.pcbway.com/multi-layer-laminated-structure.html.

Rysunek 2. Przykładowe struktury płytki o grubości 1,6 mm i 8 warstwach miedzi

Podsumowanie

Na pierwszy rzut oka płytki PCB niewiele się różnią. Natomiast pod powierzchnią skupiamy się na wszystkich aspektach krytycznych dla trwałości i funkcjonalności płytek PCB. Klienci nie zawsze widzą różnicę, ale mogą być pewni, że PCBWay dokłada wszelkich starań, aby zapewnić swoim klientom płytki PCB spełniające najbardziej rygorystyczne standardy jakości.

Żadne zamówienie nie jest za małe ani za duże. Nasi klienci osiągają najlepszy możliwy czas wprowadzenia produktu na rynek i przewagę konkurencyjną, produkując płytki drukowane w sposób zrównoważony po najniższych kosztach całkowitych dzięki naszym kompetencjom, dokładności dostaw i jakości produktu.

www.pcbway.com

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
grudzień 2023

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik luty 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio marzec - kwiecień 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje luty 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna luty 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich marzec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów