Многослойный дизайн печатной платы

Это связано с их прочной конструкцией, многофункциональностью и надежностью.

Но, чтобы получить лучшую многослойную печатную плату, вы должны разбираться во всех тонкостях этих печатных плат.

Это именно то, что исследуется в этом руководстве — от базового определения, преимуществ и недостатков, классификации, советов по проектированию, поиска компонентов, поиска материалов и создания прототипов до процесса сборки, среди прочего.

Давайте начнем:

Что такое многослойная печатная плата?

Печатные платы можно классифицировать по количеству слоев проводящих материалов, из которых они сделаны. Исходя из этого, мы обычно делим печатные платы на однослойные, двухслойные или многослойные.

Долгое время существовали только однослойные и двухслойные печатные платы. Однако в электронной промышленности произошли изменения, которые потребовали более сложных печатных плат.

Доступные варианты имели конструктивные ограничения, которые делали их нежелательными для более сложных достижений в области электроники. Это потребовало нового дизайна с несколькими слоями.

Многослойная печатная плата представляет собой печатную плату, имеющую более двух слоев проводящей медной фольги.

Эти плиты ламинируются и склеиваются между слоями теплозащитных изоляционных материалов. Таким образом, любая печатная плата, имеющая три или более слоев проводящего материала, попадает в эту категорию.

Таким образом, многослойная печатная плата объединяет два или более двухслойные печатные платыили комбинация двухслойных и однослойных печатных плат. Основной причиной этого обычно является увеличение площади поверхности для проводки.

Многослойные печатные платы обычно в основном жесткие, поскольку очень сложно получить много слоев в гибком формате печатной платы.

Виас, такие как глухие и скрытые переходные отверстия, используются для обеспечения электрических соединений между слоями.

Расположение таково, что на поверхности размещены два слоя для соединения печатной платы с внешней средой.

Как правило, количество слоев печатных плат четное. В основном это связано с тем, что нечетные числа подвержены таким проблемам, как деформация.

Количество слоев обычно зависит от применения, но в основном колеблется от четырех до двенадцати слоев.

По сути, вы обнаружите, что для большинства приложений требуется от четырех до восьми слоев. Однако такие приложения, как смартфоны, в основном используют двенадцать слоев.

Однако существуют уникальные приложения, для которых требуются печатные платы с очень большим количеством слоев. Поэтому вы найдете печатные платы с количеством слоев до 100, но они очень редки, поскольку имеют лишь несколько областей применения.

Однослойные и многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы и однослойные печатные платы имеют несколько очевидных отличий, начиная от дизайна и заканчивая функциональностью. Тем не менее, они также имеют некоторые сходства, особенно в материалах, используемых при изготовлении.

Чтобы помочь вам выбрать лучший вариант для ваших конкретных потребностей, давайте кратко сравним их. Мы будем основывать наше сравнение на таких факторах, как вес, размер, стоимость и плотность сборки платы.

·Размер

Однослойные печатные платы больше по сравнению с многослойными печатными платами. Это связано с тем, что им нужна большая площадь поверхности, чтобы удовлетворить любые потребности в улучшенных схемах.

С другой стороны, многослойные печатные платы обеспечивают большую площадь поверхности за счет дополнительных слоев.

Таким образом, многослойные печатные платы большой емкости могут поместиться в небольшие устройства, такие как смартфоны. Для однослойных печатных плат большой емкости потребуются очень большие изделия.

·Масса

Достижение сложных электрических приложений с однослойными печатными платами потребует больших объемов. Это связано с тем, что вам нужно будет использовать так много разъемов и других компонентов для соединения отдельных печатных плат.

Очень легкая многослойная печатная плата может обеспечить такой же уровень производительности. Это связано с тем, что им не нужны сложные соединения, поскольку все находится на одной компактной плате.

· Плотность сборки

Сборка однослойных печатных плат полностью зависит от площади поверхности печатной платы.

Однако многослойные печатные платы достигают более высокой плотности за счет многослойности. Это также обеспечивает большую функциональность для меньшей печатной платы.

· Функциональность дизайна

Основываясь на вышеуказанных различиях, многослойные печатные платы имеют более высокую функциональность по сравнению с однослойными печатными платами.

Этому также способствует включение других факторов, таких как функции контролируемого импеданса и лучшее экранирование от электромагнитных помех.

·Расходы

Стоимость проектирования и производства многослойных печатных плат намного превышает стоимость однослойных печатных плат. Это связано, прежде всего, с использованием сложной технологии и высоким уровнем знаний, который требуется для этого.

Однако при использовании многослойные печатные платы обычно дешевле в обращении с точки зрения проводки и транспортировки. Кроме того, они более долговечны и просты в обслуживании, а значит, могут быть дешевле в долгосрочной перспективе.

Таким образом, вам, по сути, необходимо будет задать следующие вопросы, чтобы решить, стоит ли использовать однослойные или многослойные печатные платы:

• Является ли долговечность проблемой? Если это так, вам лучше выбрать многослойную печатную плату.
• Каков твой бюджет? Если вы работаете со скромным бюджетом, лучше всего подойдет однослойная печатная плата.
• Насколько сложна ваша функциональность? Если вы нацелены на сложную электронику, вам понадобится несколько слоев.
• На какой размер доски вы ориентируетесь? С многослойной печатной платой вы можете иметь большую функциональность при очень малых размерах платы.
• Как быстро вам нужна печатная плата? Многослойные печатные платы требуют больше времени на подготовку и поэтому могут быть не лучшим вариантом, если вам нужны платы быстро.

Преимущества многослойных печатных плат

Как мы уже упоминали в определении многослойных печатных плат, эти печатные платы рассчитаны на лучшую производительность, чем их предшественники.

Поэтому они имеют несколько преимуществ, особенно в плане производительности. Поэтому давайте рассмотрим эти преимущества.

i.Легкая конструкция

Производительность нескольких двухслойных печатных плат объединена в одну многослойную печатную плату. Это устраняет необходимость в нескольких разъемах, что снижает вес и повышает мобильность.

II.Размер

Возможность достижения производительности многих двухслойных печатных плат на одной печатной плате означает меньшую, но мощную электронику. Это привело к появлению небольших, но очень сложных гаджетов, таких как планшеты и смартфоны.

III. Долговечность

Многослойные печатные платы более долговечны благодаря своей конструкции — они имеют несколько слоев изоляции между слоями. Это приводит к одной очень прочно связанной доске вместо нескольких незакрепленных.

iv.Улучшенное качество

Эти печатные платы более надежны и имеют лучшее качество, чем двухслойные печатные платы. Это особенно из-за сложного, тщательного планирования и изготовления.

v. Лучшая функциональность и мощность

Включение высокой плотности слоев в одну печатную плату обеспечивает высокую производительность печатных плат. Платы являются более соединительными, с врожденными электрическими свойствами, которые обеспечивают лучшую скорость даже для ионных небольших печатных плат.

vi. Предлагает единую точку подключения

Будучи единым блоком, многослойные печатные платы представляют собой единую точку соединения, что упрощает проектирование конечного продукта. Производителю необходимо указать только одну точку подключения, что обычно более желательно для большинства конечных пользователей электронных продуктов.

Благодаря этим преимуществам многослойные печатные платы быстро вытесняют двухслойные печатные платы. Это связано прежде всего с тем, что высокопроизводительные, но меньшие по размеру и легкие печатные платы помогают сэкономить место и обеспечивают лучшую портативность.

Недостатки многослойных печатных плат

Несмотря на то, что эти печатные платы имеют ряд преимуществ, которые делают их более востребованными, они также имеют и определенные недостатки.

Теперь мы рассмотрим некоторые характеристики, которые могут сделать многослойные печатные платы непривлекательными для определенных приложений.

Они включают в себя:

 i.Ограниченная доступность

Существует очень мало производителей, способных производить многослойные печатные платы. В основном это связано с тем, что для производства многослойных печатных плат требуется дорогостоящее оборудование.

Сложность производственного процесса

Многослойные печатные платы более сложны и обычно требуют сложного и деликатного производственного процесса. Любые небольшие ошибки в процессе могут поставить под угрозу производительность печатной платы, поэтому требуется большая осторожность.

ii. Более длительное время производства

Оборот при производстве многослойных печатных плат очень низкий. Это связано со сложностью печатных плат. Это может быть большой проблемой при обработке большого количества заказов одновременно.

iii.Процесс проектирования слишком технический

Сам по себе процесс проектирования многослойных печатных плат очень сложен и занимает довольно много времени. Требуются исключительные навыки, чтобы спроектировать идеальные взаимосвязи между слоями и одновременно уменьшить перекрестные помехи и импеданс.

iv. Они дорого стоят

Требуемый уровень навыков, дорогое оборудование и длительный и сложный производственный процесс делают эти печатные платы очень дорогими.

Процесс настолько сложен, что доработка практически невозможна в случае ошибок во время производства. Это приводит к большим потерям, потому что такие доски превращаются в лом.

Из-за дороговизны многослойные печатные платы остаются менее популярными, несмотря на все достоинства, которыми они обладают.

Однако там, где необходим небольшой размер и высокая производительность, без многослойных печатных плат не обойтись.

Весьма вероятно, что будут реализованы более дешевые варианты производства, и компании будут больше рисковать в многослойных печатных платах. Основываясь на преимуществах, которые мы рассмотрели ранее, это действительно достойная инвестиция для ученых.

Если это произойдет, однослойные и двухслойные печатные платы начнут медленно исчезать, хотя они могут и не исчезнуть полностью.

Типы многослойных печатных плат

К наиболее распространенным типам многослойных печатных плат относятся:

Жесткие многослойные печатные платы

Жесткая многослойная печатная плата — это печатная плата, которую нельзя сгибать или скручивать. Это потому, что он имеет элемент жесткости FR4, который придает ему жесткость.

Основной материал для них жесткие печатные платы обычно представляет собой жесткую подложку, чтобы доска была жесткой и прочной.

Говоря простым языком, жесткая многослойная печатная плата — это многослойная печатная плата, форма которой не может измениться после монтажа. Обычно она имеет очень долгий срок службы и является самым надежным вариантом среди многослойных печатных плат.

Это наиболее широко используемая многослойная печатная плата из-за ее прочности и долговечности. Материнская плата компьютера является примером жесткой многослойной печатной платы. Он используется в оперативной памяти, графическом процессоре и процессоре компьютера.

Жесткие многослойные печатные платы могут иметь до 12 слоев.

Гибкие многослойные печатные платы

Эти гибкие схемы с тремя и более слоями проводников.

Гибкие многослойные печатные платы изготавливаются путем объединения нескольких одно- или двухсторонних схем. Инженеры достигают этого за счет использования сложных соединений, технологий экранирования и поверхностного монтажа с использованием многослойной конструкции.

Слои в большинстве случаев соединяются с помощью металлизированных сквозных отверстий.

Они могут иметь слои, которые непрерывно ламинируются вместе, но это не всегда так. Если вам нужна максимальная гибкость, то сплошное ламинирование не подходит.

Это связано с тем, что сплошное ламинирование обычно приводит к увеличению жесткости с каждым дополнительным слоем. Для этого области сгибания или изгиба не склеиваются.

Количество слоев обычно определяет сложность изготовления этих печатных плат. Это связано с необходимостью включения все большего количества изолирующих и клеевых слоев.

Для обеспечения надлежащей изоляции при сохранении гибкости требуется передовое оборудование, которое имеется лишь у нескольких компаний.

Преимущество многослойных печатных плат Flex заключается в дальнейшем уменьшении размера и веса корпуса. Это связано с тем, что в гибких схемах используются очень тонкие диэлектрические подложки.

Это дает обтекаемый дизайн; следовательно, нет необходимости в громоздких жестких досках. Это то, что делает эти печатные платы все более и более желанными.

К другим общим преимуществам гибких многослойных печатных плат относятся:

• Сокращение ошибок сборки
• Сокращение времени и затрат на сборку
• Свобода дизайна
• Гибкость при установке
• Приложения высокой плотности
• Улучшенный воздушный поток
• Повышенное тепловыделение
• Повышенная надежность системы
• Замена провода точка-точка
• Надежность и долговечность
• Повторяемые маршруты
• Упрощенная геометрия схемы

Благодаря этим преимуществам гибкие многослойные печатные платы широко используются в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, где необходимо снижение веса.

Жестко-гибкие многослойные печатные платы

Это тип многослойной печатной платы, сочетающий в себе технологии жесткие и гибкие печатные платы. Он состоит из одной или нескольких жестких многослойных печатных плат, прикрепленных к гибкой печатной плате.

Преимущество этого типа печатных плат заключается в том, что они объединяют в себе прочность жесткой многослойной печатной платы и гибкость гибкой печатной платы. Это означает, что пространство, занимаемое доской, минимизируется за счет складывания гибкой части доски.

Однако чем больше слоев гибкой секции, тем более жесткой она становится. Это означает, что у вас может не быть много слоев, если ваша главная задача — гибкость платы.

Жестко-гибкие многослойные печатные платы широко используются, особенно там, где пространство и вес являются проблемой, при этом производительность также должна поддерживаться на высоком уровне.

Одной из таких областей применения является аэрокосмическая промышленность.

Материалы для многослойных печатных плат

Материалы, используемые в процессе ламинирования многослойных печатных плат, включают сердцевину внутреннего слоя, препрег (сотканный из стеклоткани с эпоксидной смолой) и листы медной фольги.

Однако всякий раз, когда слово «материал» упоминается в производстве печатных плат, оно в основном используется для обозначения основного материала для платы.

Выбор материала для печатной платы обычно зависит от многих факторов. Тем не менее, материалы в основном классифицируются на основе воспламеняемости, устойчивости к высоким температурам и влагопоглощения плиты.

При этом, к сожалению, игнорируются такие параметры, как удельное сопротивление и диэлектрическая проницаемость материала.

Классификация ламинированных материалов обычно основывается на огнестойкости материала (FR). Наименее огнестойкий материал имеет класс FR-1, тогда как наиболее огнестойкий — FR-5, как указано в этой таблице.

Из-за его сильных характеристик большинство производителей используют FR-4 для печатных плат. В некоторых случаях также используется FR-2, но он не подходит для многослойных печатных плат.

Еще одна причина, почему FR-4 в основном используется, потому что многие производители и поставщики уже установили для этого свои инструменты. Переход от этого к другим вариантам может быть дорогостоящим.

При изготовлении многослойных печатных плат для очень высокочастотных приложений лучше рассмотреть тефлоновую или керамическую подложку. Однако чем экзотичнее ваш выбор материала подложки, тем дороже он вам обойдется.

При выборе материала плиты следует обратить особое внимание на влагопоглощение материала.

Это связано с тем, что это влияет на рабочие характеристики, такие как поверхностное сопротивление и диэлектрическая утечка. Это также влияет на стабильность материала, а также на пробой и дугообразование под высоким напряжением.

Помните, что многослойные печатные платы очень дороги, и вы не хотите, чтобы в конечном итоге платы были недолговечными.

Рабочие температуры также должны быть ключевым фактором. В большинстве случаев многослойные печатные платы используются в высокотемпературных приложениях.

Иногда температура может достигать очень высоких значений, особенно если плата расположена рядом с другой схемой, выделяющей много тепла. Из-за этого вам следует выбрать материал с наилучшей рабочей температурой для желаемого применения.

Советы по проектированию многослойных печатных плат

При проектировании многослойной печатной платы всегда пригодятся некоторые советы. Если вы не будете следовать им, вы, скорее всего, столкнетесь с такими проблемами, как дисбаланс нагрузки при нажатии на доски.

Асимметричные конструкции или конструкции, включающие слои разной толщины, обычно приводят к скручиванию/изгибу.

Чтобы избежать таких проблем при проектировании многослойных печатных плат, основное внимание обычно уделяется стеку. Решения, которые вы принимаете в отношении стека слоев, должны основываться на соображениях функциональности, производства и развертывания.

Следующие советы помогут вам добиться наилучших результатов при проектировании многослойной печатной платы.

1. Оптимизируйте размер доски

Всегда начинайте с установки размера доски, так как это поможет вам выбрать другие атрибуты. Чтобы определить оптимальный размер доски, необходимо учитывать следующее:

• Количество компонентов, которые должны быть размещены на плате
• Размер компонентов
• Место - где вы собираетесь установить плату, и
• Допуск контрактного производителя на расстояние, зазоры и просверленные отверстия

2. Оптимизируйте дизайн слоя

Дизайн ваших слоев должен зависеть от типов сигналов. Например, вы можете использовать следующее уравнение, чтобы определить необходимое количество слоев:

Если используется фиксированный или регулируемый импеданс, вам также следует учитывать требования к импедансу.

3. Оптимизируйте свой выбор переходов

Ваш выбор переходных отверстий, будь то глухие, сквозные, заглубленные или в контактной площадке, влияет на сложность изготовления и, следовательно, на качество печатной платы. Поэтому вы должны убедиться, что ваш выбор лучше всего соответствует вашим функциональным потребностям.

4. Выбор материала

Выберите лучший материал для каждого слоя вашей печатной платы в зависимости от ваших функциональных потребностей. Однако вы должны убедиться, что уровни сигналов и распределение плоскостей в стеке симметричны. Они должны поддерживать хорошую целостность сигнала.

5. Оптимизация производства плат

После того, как вы поработали над дизайном, вам нужно выбрать лучшего контрактного производителя. Это поможет обеспечить точность. Вам также необходимо выбрать лучшие параметры маскирования припоя и параметры трассировки, среди других рекомендаций DFM.

Поиск компонентов для многослойных печатных плат

Думая о проектировании и изготовлении многослойной печатной платы, следует помнить, что вам потребуются: компоненты печатной платы.

Плата не может функционировать сама по себе без добавления компонентов и других частей, каждая из которых выполняет определенную функцию.

Скорее всего, вы не сможете производить все необходимые компоненты. Поэтому вы должны начать подготовку и поиск этих компонентов достаточно рано.

Вооруженный твоим ведомость материалов (BOM), обязательно заказывайте точно так, как указано в нем. Ваша полная спецификация в основном содержит следующую информацию:

• Количество необходимых комплектующих и материалов
• Коды (условные обозначения), используемые для идентификации отдельных деталей.
• Спецификации компонентов и материалов в таких единицах, как фарады и омы.
• След, который представляет собой расположение / положение каждого компонента на плате прототипа печатной платы.
• Номер детали производителя

При выборе компонентов следует руководствоваться следующими соображениями.

• Соответствие функции: сможет ли компонент делать именно то, что вы от него хотите?
• Доступность: доступен ли он (в указанной форме) в адекватных количествах сейчас хотя бы у одного крупного онлайн-поставщика?
• Качество: достаточно ли прочен компонент?
• Цена: это не должно быть первым соображением. Однако, с учетом других моментов, вы получаете достаточно доступный вариант?
• Надежность производителя: это будет очень важным соображением, если вы собираетесь получить лучшие компоненты.

Помните, что многослойные печатные платы очень дороги, и вы не хотите терять даже одну плату из-за проблем с компонентом. Таким образом, доверие к поставщику является очень важным фактором.

Как давно существует компания?

Вы уже работали с ними? Если нет, то уверены ли вы, что они производят детали с высоким соотношением цены и качества?

Таким образом, проверьте следующие атрибуты компании:

• Надежность
• Стоимость доставки и время
• Гарантия
• Технологический прогресс поставщика
• Опыт
• Профессионализм

Также обратите внимание на отзывы предыдущих клиентов. Однако они не всегда абсолютно надежны и должны проверяться наряду с другими атрибутами.

Процесс проектирования многослойных печатных плат

Мы уже рассмотрели некоторые важные советы по проектированию многослойных печатных плат. В этой главе мы рассмотрим пошаговый процесс проектирования многослойной печатной платы.

Прежде чем мы перейдем к этому, давайте выделим некоторые ключевые соображения, о которых следует позаботиться.

Слои отрицательной плоскости: это слои, которые вы используете для создания слоев питания и заземления на топологии вашей многослойной печатной платы.

Всегда устанавливайте формы посадочных мест колодок с правильными отрицательными плоскостными зазорами. Невыполнение этого требования обычно приводит к короткому замыканию.

Формы контактных площадок на внутренних сигнальных слоях: некоторые контактные площадки используют разные формы контактных площадок на внешних слоях, чем на внутренних слоях.

Поэтому вам нужно настроить библиотеку для многослойных печатных плат, чтобы убедиться, что вы получаете нужные формы контактных площадок.

Детали чертежей: убедитесь, что вы изменили логотипы, таблицы и виды печатных плат, чтобы они соответствовали вашим многослойным платам.

Приняв во внимание эти важные соображения, мы можем теперь перейти к рассмотрению фактического процесса проектирования многослойных печатных плат.

Важно понимать, что для проектирования многослойных печатных плат можно использовать различное программное обеспечение. В зависимости от ваших предпочтений и опыта; вы можете использовать ORCAD, ENGLE CAD и KICAD среди множества доступных опций программного обеспечения.

Однако в этом руководстве мы рассмотрим проектирование многослойных печатных плат с помощью KiCad. При этом выполняются обычные этапы проектирования печатных плат с использованием стендов KiCad. Для всех печатных плат этот процесс обычно включает два простых шага, которые можно суммировать:

• Делаем принципиальную схему и
• Разработка макета

Однако прежде чем мы дойдем до этого, давайте рассмотрим некоторые специальные процедуры при работе с многослойными печатными платами.

Шаг 1. Выберите количество слоев

После открытия программного обеспечения выберите количество слоев, которое вы хотите иметь на своей печатной плате. Для этого перейдите на вкладку «Правила дизайна», затем «Настройка слоев».

В появившемся окне выберите количество слоев, которое вы хотите иметь на своей печатной плате. Здесь вы также назначаете уровни сигнала, мощности и земли.

Вы можете счесть необходимым иметь больше слоев, если вам нужно больше взаимосвязей для уменьшения пространства.

Шаг 2. Отредактируйте дизайн печатной платы

Выберите рабочий слой, используя вкладку «Видимые», расположенную в правой части окна.

Чтобы установить тип переходного отверстия (глухое, заглубленное или сквозное), щелкните правой кнопкой мыши и выберите переходное отверстие. Выберите слой, к которому вы хотите, чтобы переходное отверстие достигало.

Будьте внимательны при подключении переходных отверстий, так как не все дорожки могут быть подключены к переходным отверстиям.

Примечание:

Если вам нужно много соединений заземления и питания, вам нужно будет назначить отдельные слои для заземления и питания, чтобы избежать путаницы.

Позаботившись об этом, обычная процедура проектирования печатных плат может принять следующую форму:

1)Создание схематической диаграммы

Называется Eeschema, здесь вы создаете электрическую схему, описывающую предполагаемую цепь.

Чтобы нарисовать схему, вы выберете символы из библиотеки и добавите их на лист схемы. Используйте редактор схемных библиотек для создания любого компонента, которого нет в библиотеке.

Далее вам нужно будет запустить регулярную проверку электрических правил для обнаружения дефектов.

Есть две вещи, о которых нужно позаботиться, прежде чем вы перейдете к Pcb new:

1. Сначала свяжите компоненты в «Eeschema» с посадочными местами.
2. Создайте файл списка соединений с информацией, которую Pcbnew будет использовать для настройки листа компоновки.

2)Разработка макета

Здесь вы используете список соединений, сгенерированный из Eeschema, для разработки макета. Он включает в себя размещение посадочных мест на листе и их проводку.

Запустите проверку правил проектирования, чтобы обнаружить дефекты платы. Обращайте внимание на любые следы, расположенные слишком близко к контактным площадкам, перекрывающиеся посадочные места и любые другие неисправности.

Наконец, экспортируйте информацию о разводке в файл gerber, который будет использоваться производителем для изготовления печатной платы.

Технология, используемая при проектировании многослойных печатных плат

Некоторые из наиболее распространенных технологий, которые вам потребуются при проектировании многослойных печатных плат, включают следующее:

· Программное обеспечение для проектирования многослойных печатных плат

Как мы уже упоминали в разделе проектирования многослойных печатных плат, Программное обеспечение для проектирования печатных плат является неотъемлемой частью процесса проектирования.

Это поможет вам создать структуру механического и проводного соединения печатной платы из списка соединений.

Это поможет вам разместить эту структуру соединения на многослойных слоях и создать файлы автоматизированного проектирования. Этот CAD необходим для производства печатной платы.

Существует несколько вариантов программного обеспечения для проектирования печатных плат, которые можно использовать для проектирования многослойной печатной платы. Однако некоторые из них используются шире, чем другие, особенно из-за их более простого интерфейса, среди прочего.

Всегда выбирайте программное обеспечение для проектирования, которое простое в использовании, проверенное и испытанное и доказавшее, что оно дает желаемые результаты.

Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых программ при проектировании многослойных печатных плат.

• орел
• KiCAD
• Альтиум Дизайнер
• ОрCAD
• EasyEDA, среди многих других программ для многослойных печатных плат, доступных на рынке.

· Дизайн для производства (DFM)

DFM стремится проектировать детали и компоненты продукта, чтобы упростить производство. Цель состоит в том, чтобы получить хорошие продукты с меньшими затратами. Следовательно, это включает в себя упрощение, оптимизацию и уточнение конструкции продукта.

DFM следует выполнять достаточно рано — до того, как вы приступите к работе с инструментами.

Все заинтересованные стороны должны быть включены в DFM. В процесс должны быть вовлечены проектировщики, инженеры, контрактные производители, поставщики материалов и производители пресс-форм. Это позволит избежать возможных заминок с дизайном.

DFM всегда следует руководствоваться следующими принципами.

• Обработка
• Материалы
• Дизайн
• Окружающая среда
• Соответствие/тестирование

Компьютерное проектирование многослойных печатных плат

Как мы уже видели, САПР очень важен при производстве печатных плат. Он включает использование компьютерного программного обеспечения для создания, модификации и оптимизации части или частей печатной платы.

Это повышает точность и аккуратность и помогает интегрировать схему проекта со спецификацией.

Преимущества САПР

• Это делает автоматизацию точной и простой, а также моделирование процессов (автоматизация механического проектирования).
• Это позволяет использовать автоматизированное производство
• Повышает точность размерного анализа
• Это обеспечивает очень низкий предел погрешности между частями

Процесс прототипирования многослойной печатной платы

Прототипирование является неотъемлемой частью производственного процесса вашей печатной платы. Это поможет вам избежать потерь и ненужных расходов.

Многослойные печатные платы очень дороги, поэтому не хочется терять даже несколько из-за простых производственных ошибок.

Вы сможете протестировать свой прототип и внести необходимые коррективы. Таким образом, вы заказываете массовое производство печатных плат только после того, как будете удовлетворены их качеством.

Процесс прототипирования многослойной печатной платы состоит из следующих этапов. Я разделил весь процесс на три основных этапа: проектирование, изготовление и сборка.

Обратите внимание, что у нас есть более подробные объяснения некоторых из этих этапов в других разделах этого руководства. Поэтому мы просто кратко остановимся на них на этом этапе.

А.Дизайн

Шаг 1: Разработка прототипа печатной платы

Это основа процесса прототипирования вашей многослойной печатной платы.

Процедура проектирования печатной платы описана в разделе «Проектирование многослойной печатной платы» данного руководства. Следуйте этой процедуре, чтобы создать дизайн прототипа печатной платы с помощью программного обеспечения по вашему выбору.

Примечание:

Если вы создаете собственный прототип печатной платы, вы можете купить макетные платы и перфокарты, которые обычно доступны в Интернете.

На этих досках обычно уже есть некоторые детали, например, отверстия на плате. Поэтому они экономят время, если вы хотите создать собственный прототип.

Шаг 2: Создание спецификации (BOM)

Спецификация — это список всех компонентов и материалов, необходимых для производства прототипа печатной платы.

Мы уже видели содержимое спецификации в разделе «Поиск компонентов» этого руководства.

Используя спецификацию, инженер по компоновке и инженер по компонентам подберут нужные компоненты и материалы.

Шаг 3: Проектирование маршрутов печатных плат

Принимая во внимание такие факторы, как уровень мощности и чувствительность к шуму, соедините дорожки на плате. Делать это следует на основе информации, содержащейся в гербере, полученной на этапе проектирования.

Примечание:

Проводите регулярные проверки вашего прототипа на каждом этапе, чтобы вы могли исправить любые ошибки как можно раньше. Проблемы, которые необходимо проверить, включают точки перегрева и несоответствия температуры.

Другие проверки включают проверку электрической части (ERC), проверку компоновки в сравнении со схемой (LVS) и проверку антенны. Вы должны переходить к следующему этапу только после того, как ваш прототип прошел эти тесты.

Б. Изготовление

После завершения проектирования создайте фотопленку прототипа печатной платы для каждого слоя и паяльной маски.

Следующие шаги составляют процесс изготовления прототипа многослойной печатной платы. Я объясню их подробно в нашей следующей главе. Поэтому я перечислю их, при необходимости сделав несколько пояснений.

Они включают в себя:

Шаг 4: Печать внутренних слоев

Здесь вы начнете печатать внутренние слои многослойной печатной платы.

Шаг 5: Выравнивание слоев

Аккуратно совместите внутренний слой, медную фольгу и препрег, затем соедините их, чтобы получить ламинированную панель.

Шаг 6: Сверление отверстий

Главное здесь – обеспечить точность при сверлении отверстий. Точность обязательна!

Шаг 7: меднение

Это должно обеспечить поверхность для гальванического покрытия поверхности и отверстий.

Отсюда другой процесс будет включать следующее:

• Визуализация внешнего слоя
• Медь и лужение
• Окончательное травление
• Нанесение паяльной маски
• Нанесение отделки поверхности
• Процесс шелкографии
• Резка доски

Это последний этап изготовления платы. Теперь ваша плата готова к сборке.

Прежде чем приступить к сборке прототипа многослойной печатной платы, вы должны сначала убедиться, что у вас есть все компоненты.

Список материалов (BOM), который вы создали ранее, должен помочь вам в поиске компонентов. Убедитесь, что вы придерживаетесь всех спецификаций компонентов, содержащихся в спецификации.

Теперь вы готовы приступить к сборке прототипа многослойной печатной платы.

C. Сборка

Паяльная паста по трафарету

Начните с нанесения паяльной пасты на плату. Паяльная паста смешивается с флюсом, что позволяет припою расплавиться и соединиться с поверхностью платы.

Нанесение трафарета из нержавеющей стали на поверхность прототипа гарантирует, что припой попадет только в места расположения компонентов. Припой равномерно распределяется по открытому участку.

Когда вы окончательно удалите трафарет, паяльная паста останется только на нужных частях платы.

Выбор и размещение

Используйте машину для захвата и размещения, чтобы разместить компоненты SMD на прототипе печатной платы.

Пайка оплавлением

Конвейерная лента переносит прототип печатной платы через печь оплавления. В духовке есть нагреватели, которые нагревают плату примерно до 480 0F. Это расплавит паяльную пасту.

Затем плата охлаждается, что приводит к затвердеванию расплавленной паяльной пасты. Это прикрепляет SMD к плате.

Если вы делаете прототип с компонентами с обеих сторон, сначала переплавьте одну сторону, а затем переходите к другой.

Проверка прототипа печатной платы

На этом этапе вы должны проверить свой прототип на наличие плохих контактов или коротких замыканий. Обычно они возникают в результате движений, когда доска находится на конвейерной ленте.

Проверки на этом этапе включают ручную проверку, рентгеновский контроль и AOI.

Вставка сквозных компонентов

Если ваш прототип спроектирован так, чтобы иметь компоненты со сквозными отверстиями, это этап, на котором нужно их собрать. Вставьте выводы компонентов в предусмотренные сквозные отверстия и используйте ручную пайку или пайку волной припоя.

Если плата двухсторонняя, то потребуется ручная пайка, особенно для второй стороны. В данном случае пайка волной не подходит.

Функциональное тестирование

Здесь вы смоделируете реальные условия, которым будет подвергаться прототип.

Тестирование прототипа печатной платы

В последний раз обратите внимание на любые аномалии на прототипе, прежде чем запускать фактическое производство. Ищите любые шансы на перепутанную полярность, пересечения маршрутов, отсутствующие или поврежденные компоненты или любые другие проблемы.

Если возможно, протестируйте прототип на продукте, который, как ожидается, будет питать окончательная печатная плата. Если у вас есть несколько прототипов, протестируйте их в одинаковых условиях и выберите лучший.

Изготовление многослойных печатных плат

Первым шагом в изготовлении многослойной печатной платы является выбор сердцевины внутреннего слоя (тонкого ламината) нужной толщины.

Помните, что толщина может быть от 0.038 до 0.005 дюйма. Количество ядер зависит от конструкции платы.

§ Сухое пленочное резистивное покрытие внутреннего слоя основного материала

Нанесите светочувствительную пленку/фоторезист, нагревая металлические поверхности сердцевины. Использование желтого света помогает предотвратить непреднамеренное воздействие резиста.

Это связано с тем, что пленка чувствительна к ультрафиолетовому излучению. Фильтры удаляют длину волны света, которая может повлиять на покрытие резиста.

§Фотоинструменты или произведения искусства

Используйте данные gerber, чтобы построить фильм, на котором будут изображены дорожки и контактные площадки предполагаемого дизайна платы. Обложка должна включать паяльную маску и легенду, а также элементы из меди.

Пленка используется для размещения изображения на резисте.

§Открыть изображение

Затем подвергайте панели воздействию ультрафиолетового света высокой интенсивности, проходящего через пленку. Чистые участки будут пропускать свет для полимеризации пленочного резиста. Это создает изображение шаблона схемы.

§Разработайте изображение

Обработайте открытую сердцевину химическим раствором/проявителем, чтобы удалить резист с неполимеризованных участков.

§Травление внутреннего слоя

Химически удалите медь с сердечника в местах, не покрытых сухим пленочным резистом. В результате получается узор, который соответствует изображению на пленке. В местах, где медь вытравлена, поверхность ламината сердцевины остается открытой.

§Снятие сопротивления

Химическим путем удалите засохшую пленку резиста с панели. Это оставляет медь на панели.

Дорожки, контактные площадки, плоскость заземления и другие конструктивные особенности остаются открытыми.

§Автоматизированный оптический контроль (АОИ)

Осмотрите внутренние слои на наличие проблем с дизайном. Это делается с использованием данных из файлов gerber. Если есть минимальные несоответствия, можно сделать минимальный ремонт. Все соответствующие отделы будут зависеть от результатов инспекции, чтобы исправить любые технологические проблемы.

§ Оксидное покрытие

Далее химически обработайте панели. Это должно помочь улучшить адгезию медной поверхности. Вы можете использовать органическую химию или другие виды химии. Можно использовать и механические методы. Полученный цвет обычно варьируется в зависимости от используемого метода.

Многослойная конструкция

Для этого процесса вам понадобится медная фольга, препрег и сердцевины внутреннего слоя.

Медная фольга обычно поставляется в листах по ½ унции. и 1 унция на квадратный фут или номинальная толщина 0.007” и 000134”

Предварительно пропитанный связующий лист (препрег) — это то, что скрепляет жилы.

Из предыдущих глав мы узнали, что наиболее широко используемым препрегом является FR4. Это тканое полотно из стекловолокна, предварительно пропитанное эпоксидной смолой.

Во время ламинирования эта смола плавится от давления и тепла и течет по медным элементам и открытому ламинату на сердцевине. По мере остывания он связывает слои фольги и сердцевины вместе.

Ламинированные панели - в процессе ламинирования внутренний слой, медная фольга и препрег соединяются вместе под действием тепла и давления.

Иногда это делается в вакууме. В результате получается панель, внутри которой много слоев меди. Снаружи тоже фольга.

Когда вы получаете ламинированную панель, процесс в основном аналогичен процессу изготовления двухслойной печатной платы. Он предпринимает следующие шаги.

§ Первичная дрель

Просверлите отверстия в стопке панелей по образцу, соответствующему предполагаемому расположению компонентов. Отверстия обычно просверливаются на 5 милов больше, чем предполагаемые сквозные отверстия с покрытием, потому что они будут покрыты медью.

Отверстия должны быть максимально точными. Производители печатных плат используют рентгеновские локаторы для обнаружения нужных отверстий, а процесс сверления автоматизирован.

§Удаление заусенцев

Это удаление заусенцев (выступающих краев металла), окружающих отверстия. Эти заусенцы обычно возникают в процессе сверления.

Кроме того, на этом этапе удаляется любой мусор, который мог остаться в просверленном отверстии.

§Десмир

Этот процесс характерен для многослойных печатных плат. Это химическое удаление тонкого смоляного покрытия с соединений внутреннего слоя.

Этот слой обычно возникает из-за тепла и движения сверл при создании отверстий. Этот процесс помогает улучшить электрическую связь

§Отложение меди

На этом этапе на открытую поверхность панели химическим способом наносится тонкое медное покрытие. Это включает в себя стенки отверстий.

Это создаст металлическую основу для гальванического покрытия медью поверхности и отверстий.

§ Сухое пленочное резистивное покрытие внешнего слоя

Здесь вы используете ту же пленку, которая используется для внутренних слоев, чтобы покрыть всю поверхность внешних слоев. Это должно покрыть даже просверленные отверстия.

§Выявление и развитие внешнего слоя

Обнажите панель, используя ту же процедуру, что и с сердцевинами внутреннего слоя. Свет будет проходить через прозрачные участки пленки, тем самым затвердевая резист. Он создает изображение схемы схемы.

§ Медное покрытие

Затем на открытую поверхность наносится гальваническое покрытие медью до толщины около 0.001 дюйма.

§лужение

Затем на всю открытую медную поверхность наносится лужение. Олово будет действовать как резист для травления, чтобы сохранить медные дорожки, площадки отверстий и стенки во время травления внешнего слоя.

§ «СЭС»

Это три взаимосвязанных и последовательных шага полосы-травки-полоски.

• Полоска резиста. Следующим шагом будет удаление сухой пленки резиста с панели. Оловянное покрытие остается нетронутым. Все отверстия, которые были покрыты резистом, становятся открытыми и не покрыты металлом.
• Травление. Этот процесс удаляет медь со всех деталей, не покрытых оловом. Олово защищает медь под ним от травления.
• Жестяная полоска-жесть выполнила свою роль. Поэтому его удаляют химически, оставляя медь

§ Применение паяльной маски

Очистка. Первым шагом здесь является очистка открытых медных контактных площадок, следов и сквозных отверстий. Здесь поверхность очищается пемзой. Это помогает улучшить прилипание маски и удалить поверхностное загрязнение.

Нанесение паяльной маски – нанесение светочувствительной краски на основе эпоксидной смолы полностью покрывает панель. Далее следует просушить панель, но без окончательного отверждения. Затем панель подвергается воздействию источника света с помощью пленочного инструмента. Наконец, панель проявляется, тем самым обнажая медные контактные площадки и отверстия, как указано на изображении.

Отверждение паяльной маски - это делается путем запекания в печи, хотя некоторые производители используют инфракрасные источники тепла.

§ Шелкография

На этом этапе краска наносится трафаретной печатью на одну или обе стороны картона, в зависимости от требований заказчика. После этого панели проходят обжиг для отверждения краски.

§ Выравнивание припоя горячим воздухом

Это включает в себя покрытие панелей флюсом, а затем их полное погружение в ванну с расплавленным припоем. Припой покроет все открытые металлические поверхности.

При извлечении панели из припоя направьте горячий воздух на обе стороны панели. Это удалит лишний припой из отверстий и сгладит поверхность контактных площадок.

§Маршрут

Используйте станок с ЧПУ или фрезерный станок, чтобы обрезать доски по размеру. Вы также можете забить доски и легко разобрать их после сборки.

Далее стоит проверить доски на чистоту, заусенцы и прочие требования.

§Электрические испытания и окончательная проверка

Проверьте платы на обрывы и выстрелы в его цепях. По возможности отремонтируйте замыкания и проведите проверочный тест.

После этого визуально осмотрите доски. Убедитесь, что они соответствуют требованиям заказчика и отраслевым спецификациям. Также проверьте физические размеры и размеры отверстий.

§Упаковка и отгрузка

Последним шагом является подсчет и упаковка в термоусадочную пленку хороших досок, готовых к отправке.

Процесс сборки многослойной печатной платы

Сейчас мы находимся на последнем этапе, где мы получаем полную печатную плату. На этом этапе вы добавите компоненты, установив и припаяв их к печатной плате.

Однако прежде чем мы перейдем к процессу сборки печатной платы, вам необходимо выполнить проверку DFM. Помните ДФМ?

Мы уже говорили об этом в предыдущих разделах этого руководства.

Проверка DFM направлена ​​на выявление проблемных элементов на печатной плате.

Поэтому вы просмотрите все спецификации дизайна печатной платы, чтобы увидеть, нет ли каких-либо отсутствующих или неправильно выполненных функций.

Примером таких проблем является недостаточное пространство между компонентами, что может привести к короткому замыканию.

Поэтому проверки DFM очень важны для сокращения расходов. Это потому, что это помогает вам осознать проблемы достаточно рано, тем самым уменьшая количество отходов.

Когда вы закончите с этим, вы можете перейти к фактическому процессу сборки печатной платы.

Существует два основных метода сборки печатных плат. Эти:

§Технология поверхностного монтажа для многослойной печатной платы

Это включает в себя размещение компонентов для поверхностного монтажа с помощью машины для захвата и размещения, а затем пайку оплавлением, чтобы приклеить их к плате.

Компоненты для поверхностного монтажа — это те компоненты, которые не имеют выводов и не используют сквозные отверстия. Они крепятся с одной стороны платы и не могут проникнуть на другую сторону.

Сборка поверхностного монтажа обычно сильно механизирована.

§Технология сквозных отверстий для многослойной печатной платы

Этот метод используется для монтажа сквозных компонентов на плату. Компоненты сквозного отверстия имеют выводы, которые вставляются в отверстия на плате. Затем эти выводы припаиваются вручную или припоем волной.

Большинство печатных плат обычно имеют печатные платы как для поверхностного монтажа, так и для сквозного монтажа. Поэтому для их сборки требуется сочетание этих двух методов. Используемый метод называется смешанной сборкой печатных плат.

Итак, давайте рассмотрим пошаговый процесс сборки многослойной печатной платы.

Шаг 1: трафаретная паяльная паста

Как следует из названия, на этом этапе вы наносите паяльную пасту на обозначенные части платы.

Это те части, где вы собираетесь монтировать и припаивать компоненты. Использование трафарета помогает заблокировать ненужную поверхность, чтобы на нее не попала паяльная паста.

Механическое приспособление гарантирует, что печатная плата находится в правильном положении, а затем аппликатор наносит паяльную пасту.

Далее машина наносит пасту на трафарет так, чтобы она равномерно распределилась по всем участкам, не покрытым трафаретом. Когда вы снимаете трафарет, паяльная паста остается только на намеченных деталях.

 Шаг 2: выбрать и разместить

После того, как вы нанесли пасту на плату, вы перейдете к размещению на ней SMD-компонентов. Существуют роботизированные устройства, которые помогают выбирать и размещать эти SMD-компоненты с большой точностью. Вот почему сегодня они во многом заменили пинцет, который использовался раньше.

Шаг 3: пайка оплавлением

Это процесс, который помогает гарантировать, что компоненты останутся на своих местах. Конвейерная лента перемещает печь оплавления, где плавится паяльная паста.

Позже его охлаждают, чтобы затвердеть и удержать компоненты. (Я объяснил процесс в разделе «прототипирование», поэтому на этом остановлюсь).

Шаг 4: Проверка и контроль качества

Здесь вы проверяете плату на наличие дефектов, которые могли возникнуть в результате движений во время процесса пайки оплавлением.

В основном, следующие основные типы проверки, которые вы будете выполнять на этом этапе

• Ручная проверка
• Автоматический оптический контроль (AOI)
• Рентгеновское обследование

Опять же, я уже углубился в это в разделе прототипирования. Процедура для фактической сборки такая же, как и для прототипирования.

Шаг 5: Вставка компонента через отверстие

Большинство многослойных печатных плат содержат компоненты с металлизированными сквозными отверстиями. Если это так, то это этап, на котором нужно добавить эти компоненты на плату.

После того, как вы разместили компоненты на плате, правильно расположив выводы в отверстиях, пришло время их припаять.

Пайка оплавлением здесь не работает. Вместо этого вы можете выбрать ручную пайку или пайку волной припоя, в зависимости от типа и размера компонентов.

Ручная пайка — более простой вариант, но медленнее по сравнению с пайкой волной.

Поэтому он используется только там, где пайка волной припоя не идеальна, например, когда печатная плата имеет сквозные компоненты с обеих сторон. В этом случае пайка волной не используется, так как она может мешать уже припаянным компонентам на первой стороне платы.

Шаг 6: Окончательная проверка и функциональное испытание

Это последний шаг, на котором вы проверяете полностью собранную печатную плату на функциональность. Для этого вы смоделируете реальные рабочие условия, в которых ожидается функционирование печатной платы.

Тем временем вы будете следить за производительностью и принимать к сведению любые аномалии.

Если есть проблема с какой-либо из характеристик платы, то эта печатная плата не проходит тест.

В зависимости от уровня отказа и стандартов компании печатная плата может быть переработана или утилизирована.

Если текущие тесты были проведены успешно, то шансы серьезных сбоев на финальном тесте очень минимальны. Тем не менее, тест по-прежнему необходим, чтобы быть уверенным в конечном продукте.

Использование многослойных печатных плат

В разделе преимуществ и недостатков мы увидели несколько положительных характеристик, которыми многослойные печатные платы обладают по сравнению с однослойными печатными платами. Как и следовало ожидать, это во многом привлекло многие отрасли промышленности к выбору многослойных печатных плат.

В частности, мобильность и функциональность, которые гарантируют многослойные печатные платы, привлекли многих к их выбору.

Поэтому в этом разделе мы рассмотрим некоторые из этих приложений.

Потребительские товары

Люди во всем мире быстро переходят на интеллектуальные продукты, такие как смартфоны, которые позволяют с легкостью выполнять многозадачность.

Чтобы достичь такого качества и оставаться портативными, эти устройства должны использовать многослойные печатные платы.

Телекоммуникационное оборудование

Долговечность и функциональность — две наиболее важные характеристики телекоммуникационного оборудования. По этой причине многослойные печатные платы предпочтительны для изготовления мобильных устройств или башен на открытом воздухе для этой отрасли.

Промышленное оборудование

Здесь опять же главный фактор – долговечность. Промышленное оборудование иногда подвергается грубому обращению, которое не терпит хрупкости.

По этой причине многослойные печатные платы используются для промышленных средств управления, которые управляют машинами в промышленности.

Медицинское оборудование

Будь то диагностика или лечение, мобильность и функциональность медицинского оборудования очень важны.

Таким образом, многослойные печатные платы широко используются в этом секторе, от кардиомониторов до оборудования для компьютерной томографии и многого другого.

Военная и оборонная техника

Военная промышленность сильно зависит от высокоскоростных схем и очень компактных инженерных решений. Они должны разработать электронику, которая включает в себя несколько функций, но при этом позволяет легко двигаться.

Это достижимо только с многослойными печатными платами.

Автоматизированная индустрия

Хорошая термостойкость, небольшие размеры и высокие эксплуатационные характеристики многослойных печатных плат идеально подходят для внутренней среды автомобилей.

Вот почему они широко используются при изготовлении бортовых компьютеров и датчиков двигателя, в том числе в этом кронштейне.

авиационно-космическая промышленность

Это одна из самых чувствительных отраслей, когда речь идет о весе, размере, долговечности и производительности. Сочетание этих качеств сделало многослойные печатные платы лучшими для электроники, такой как бортовые компьютеры.

Компьютерная электроника

В компьютерной индустрии портативность и производительность настолько важны, что в большинстве случаев они перевешивают затраты.

Ноутбуки, например, нуждаются как в высокой производительности, так и в легкой мобильности. Поэтому они зависят от многослойных печатных плат для своих материнских плат и других частей.

Заключение

Целью этого руководства было дать вам четкое представление о многослойных печатных платах. Стремясь развить это понимание, я максимально точно объяснил как концепции, так и процессы. В связи с этим данное руководство поможет вам справиться со всеми проблемами, связанными с многослойными печатными платами.

С этим пониманием вы также теперь можете принимать важные решения по всем вопросам, касающимся этого типа печатных плат.

Мы всегда рады видеть здесь больше таких информативных руководств.