Koliko plasti potrebuje vaše vezje? Vodič po plasteh in materialih

Število plasti, debelina in material so tri odločitve, ki jih sprejmete zelo zgodaj v načrtovanju tiskanega vezja, njihove posledice pa vas spremljajo do serijske proizvodnje. Vplivajo na ceno, na elektromagnetno združljivost (EMC), na signalno integriteto in na to, koliko časa boste porabili za layout. V tem vodiču pojasnimo, kako se odločiti brez ugibanja.

Enoplastna, dvoplastna, štiriplastna ali več

Večina vezij, ki jih srečamo v praksi, sodi v eno od štirih skupin:

Praktično pravilo: če ima vezje mikrokrmilnik s taktom nad nekaj deset MHz, brezžični modul, USB ali stikalni napajalnik, se štiri plasti skoraj vedno povrnejo. Razlika v ceni pri majhnih serijah je nekaj evrov na kos, prihranek pri EMC testiranju in ponovnih iteracijah pa je bistveno večji.

Dvoplastno vezje ostaja odlična izbira za preprosta analogna vezja, napajalne adapterje, prehodne ploščice in vse, kjer je prostora dovolj in frekvence nizke.

Standardni stackup štiriplastnega vezja

Pri štirih plasteh se največkrat uporablja razpored:

1. Zgornja plast: komponente in signali
2. Plast 2: neprekinjena masa (GND)
3. Plast 3: napajanje (ali druga masa)
4. Spodnja plast: signali in komponente

Ključ do dobrega delovanja je masa neposredno pod zgornjo signalno plastjo. Vsak signal ima tako kratko povratno pot, kar zmanjša sevanje in preslušavanje. Pri zahtevnejših vezjih se vedno bolj uveljavlja razpored signal / GND / GND / signal, kjer napajanje speljete kot široke povezave na zunanjih plasteh; to daje najboljše EMC lastnosti.

Pri šestih plasteh dobite dve dodatni signalni plasti v notranjosti, ki sta obdani z masami, kar je idealno za občutljive ali hitre signale.

Debelina vezja

Standardna debelina je 1,6 mm in je najcenejša, ker jo imajo vsi proizvajalci na zalogi. Druge običajne debeline so 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2, 2,0 in 2,4 mm.

Kdaj izbrati drugačno debelino:

• 0,8 do 1,0 mm za majhne module, nosljive naprave in kjer je pomembna teža ali višina.
• 0,6 mm ali manj za module, ki se spajkajo na drugo vezje (castellated robovi) in za fleksibilnejše aplikacije.
• 2,0 mm ali več za mehansko obremenjena vezja, velike konektorje, napajalne plošče z visokimi tokovi in za uporabo vezja kot nosilnega elementa.

Debelina vpliva tudi na razmerje globine do premera vij (aspect ratio). Pri 1,6 mm vezju je 0,3 mm luknja še brez težav, pri 2,4 mm vezju pa že blizu meje, ki jo mnogi proizvajalci postavijo pri razmerju 8:1 ali 10:1.

Teža bakra

Debelino bakrene folije podajamo v unčah na kvadratni čevelj (oz) ali mikrometrih:

Debelejši baker pomeni večjo tokovno zmogljivost in boljše odvajanje toplote, hkrati pa večje minimalne razmike in širine (jedkanje debelejšega bakra je manj natančno). Pri 2 oz bakru računajte na najmanj 0,2 mm širine in razmika. Za oceno potrebne širine povezave uporabite kalkulator po standardu IPC-2221 ali IPC-2152; kot grobo orientacijo za 1 oz baker in 10 °C segrevanja velja približno 1 mm širine na 1 A na zunanji plasti.

Materiali: FR-4 in temperatura steklastega prehoda (Tg)

FR-4 je s steklenimi vlakni ojačan epoksidni laminat in pokriva več kot 90 odstotkov vseh vezij. Pri izbiri je pomembna vrednost Tg (glass transition temperature), torej temperatura, pri kateri material preide iz trdnega v mehkejše, gumijasto stanje:

• Standardni Tg 130 do 140 °C: zadostuje za večino potrošniške in industrijske elektronike.
• Srednji Tg 150 °C: pogosta izbira za brezsvinčeno (lead-free) spajkanje in za vezja, ki so v obratovanju toplejša.
• Visoki Tg 170 do 180 °C: za avtomobilsko in močnostno elektroniko, večplastna vezja z več reflow cikli in aplikacije z visokimi obratovalnimi temperaturami.

Pri brezsvinčenem reflow procesu doseže vezje 245 do 260 °C. Material z višjim Tg se pri tem manj razteza v smeri Z, kar zmanjša tveganje za poškodbe vij. Pri štiri- in večplastnih vezjih je Tg 150 ali več priporočljiva izbira.

Drugi materiali:

• Aluminijasto jedro (MCPCB) za LED svetila in močnostne module, kjer je odvajanje toplote ključno; skoraj vedno enoplastno.
• Rogers, Taconic in podobni RF laminati za antene in visokofrekvenčna vezja nad nekaj GHz, kjer je stabilna dielektričnost pomembnejša od cene.
• Polimid (flex) za upogljiva in rigid-flex vezja.

Površinska obdelava

Površinska obdelava ščiti izpostavljen baker in vpliva na spajkanje:

• HASL (lead-free): najcenejši, robusten, a neraven; manj primeren za fine ohišja (0,4 mm pitch).
• ENIG (kemični nikelj in zlato): raven, dolga obstojnost, primeren za fine pitch in BGA; standardna izbira za profesionalna vezja.
• OSP: organska zaščita, poceni in ravna, a kratka obstojnost pred spajkanjem.
• Immersion silver/tin: alternativa za posebne zahteve.

Za male serije s SMT polaganjem svetujemo ENIG, saj se ravna površina odlično obnese pri nanosu paste s šablono.

Osnove kontrolirane impedance

Ko na vezju vodite USB 2.0 (90 Ω diferencialno), Ethernet (100 Ω diferencialno), HDMI, LVDS ali RF signale (50 Ω), mora biti impedanca povezave definirana. Impedanco določajo:

• širina povezave,
• razdalja do referenčne plasti (mase),
• dielektrična konstanta materiala (za FR-4 približno 4,2 do 4,6),
• debelina bakra in prisotnost spajkalne maske.

Na dvoplastnem vezju debeline 1,6 mm bi 50 Ω mikrotrakasta povezava morala biti široka približno 2,8 mm, kar je v praksi neuporabno. Na štiriplastnem vezju z maso na plasti 2 in prepregom debeline okoli 0,1 mm pa je ista impedanca dosežena pri širini približno 0,17 mm. To je eden glavnih razlogov, zakaj hitri signali potrebujejo štiri plasti.

Pri naročilu z zahtevo po kontrolirani impedanci proizvajalec ponudi svoj stackup z natančnimi debelinami prepregov in jeder; širine povezav nato izračunate s kalkulatorjem (npr. Saturn PCB Toolkit ali vgrajenim orodjem v Altiumu oziroma KiCadu) ali pa proizvajalec širine prilagodi sam.

Kako se odločiti v praksi

1. Naštejte najhitrejše signale in vmesnike na vezju. Če je med njimi karkoli z zahtevo po impedanci, izberite vsaj štiri plasti.
2. Ocenite gostoto: fine BGA in QFN z veliko nožicami je na dveh plasteh skoraj nemogoče usmeriti.
3. Preverite tokove: pri več kot 5 A razmislite o 2 oz bakru ali širokih bakrenih ploskvah na več plasteh.
4. Upoštevajte okolje: visoke temperature in avtomobilske zahteve pomenijo višji Tg.
5. Preverite ceno: pri prototipih je razlika med dvema in štirimi plastmi pogosto manjša, kot bi pričakovali.

Potrebujete pomoč?

Pri Selektroniku pri vsakem projektu razvoja elektronike predlagamo stackup, ki ustreza signalom, tokovom in ceni, in vezje tudi izdelamo. Če že imate pripravljene datoteke, na strani selektronik.si/pcb izberete število plasti, debelino, težo bakra in površinsko obdelavo ter takoj vidite ceno. Za svetovanje pri izbiri plasti ali kontrolirani impedanci nam pišite na info@selektronik.si.