Проектирование для производства (DFM). Часть 1. Выбор материалов

0
32

В статье рассматриваются вопросы выбора материалов печатной платы, с учётом конкретных требований, предъявляемых как со стороны разрабатываемого устройства, так и со стороны возможностей производства. Также рассмотрены возможности Altium Designer позволяющие учесть все необходимые требования.

Введение

Данная статья открывает цикл публикаций, посвящённых проектированию печатных плат с учётом особенностей технологии производства и технологических требований –проектированию для производства (DFM). Процесс проектирования не заканчивается в тот момент, когда вы отправляете документацию и сформированные данные на производство. Проектирование заканчивается только тогда, когда вы получаете физическое воплощение своего проекта, и он работает так, как задумано.

Выполнение этой задачи может стать проблемой для разработчиков печатных плат, так как необходимо учитывать множество электрических, функциональных и механических факторов, различные специфические требования и правила. Кроме того, печатная плата должна производиться своевременно, с наилучшим качеством и с минимальными затратами.

Предъявляемые технологические требования могут отличаться у разных производителей. Прежде чем приступать к проектированию печатной платы, важно хорошо понимать процесс, лежащий в основе её производства, который обычно хорошо описан у изготовителя.

Многолетний опыт работы в электронной промышленности позволил специалистам компании Altium накопить и систематизировать большой объём знаний в области проектирования печатных плат.

Выбор базового материала

На начальном этапе проектирования всегда возникает вопрос выбора материала для изготовления платы. При этом необходимо учитывать требования, предъявляемые как со стороны разрабатываемого устройства (условия эксплуатации, цена, быстродействие) так и со стороны производства (толщина материала, технологичность, наличие материала на складе).

В первую очередь, перед выбором материала рекомендуется определить требования к функциональности и надёжности, которым должна соответствовать печатная плата. Обычно эти требования предъявляются к:

  • электрическим свойствам;
  • тепловым свойствам;
  • соединениям (пайка компонентов, наличие разъёмов, и др.);
  • структурной целостности платы;
  • количеству электрических связей.

Одно из основных правил проектирования заключается в том, что с увеличением сложности конструкции, и с повышением требований к свойствам изделия, неизбежно возрастают и затраты на производство. Всегда необходимо искать баланс между затратами, функциональностью и надёжностью с учётом конкретных требований к разрабатываемому устройству. На рисунке 1 показан типовой алгоритм выбора материала.

Рис. 1. Алгоритм выбора материала

Дополнительные критерии для выбора материалов

Помимо основных требований к материалам платы существует целый ряд дополнительных параметров, непосредственно влияющих на выбор материала. Так, например, если в конструкции печатной платы применяются материалы с различными температурными характеристиками, то нужно учитывать тот факт, что максимальная допустимая температура готового изделия определяется материалом с самой низкой допустимой температурой. Ниже перечислены дополнительные важные параметры, которые необходимо учитывать при выборе материалов:

  • тип связующего;
  • огнестойкость;
  • температурная стабильность;
  • структурная прочность;
  • электрические свойства;
  • предел прочности при изгибах;
  • максимальная рабочая температура, не вызывающая повреждений;
  • температура стеклования (Tg);
  • армирующий листовой материал;
  • нестандартные размеры и допуски;
  • устойчивость к механической обработке;
  • коэффициент теплового расширения (CTE);
  • стабильность размеров;
  • допуск на толщину.

Рассмотрим более подробно самые основные свойства материалов для печатной платы.

Свойства и толщина материалов

Свойство Материал
FR-4 (Эпоксидное стекло марки Е) Многофункциональная эпоксидная смола Эпоксидная смола высокой эффективности Бисмалеимидная эпоксидная/трианзиновая смола Полиимид Цианатный эфир
Диэлектрическая постоянная (чистой смолы) 3,9 3,5 3,4 2,9 3,5-3,7 2,8
Электрическая прочность, В/мм 39,4×103 51,2×103 70,9×103 47,2×103 70,9×103 65×103
Объёмное сопротивление, МОм×см 4,0×106 3,8×106 4,9×106 4×106 2,1×106 1,0×106
Водопоглощение, % 1,3 0,1 0,3 1,3 0,5 0,8
Фактор рассеяния 0,022 0,019 0,012 0,015 0,01 0,004

Таблица 1. Типичные свойства самых распространенных диэлектрических материалов

При выборе материала следует ознакомиться с его электрическими свойствами. Самыми важными электрическими параметрами, которые необходимо учитывать на данном этапе, являются электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и влагостойкость. В таблице 1 приведён ряд самых распространённых материалов и их основные характеристики (источник: Selecting PCB Materials for High-frequency Applications. EDN. N.p., n.d. Web. 23 May 2016.). Однако, производитель печатных плат может давать свои рекомендации и конкретные значения тех или иных параметров.

В таблице 2 приведены значения прочих параметров на примере самого распространённого материала FR-4 (источник: Poole, 01.01.2016. Materials Default Values. Multi Printed Circuit Boards Ltd.). Эти параметры можно использовать в качестве значений по умолчанию при определении конкретных требований к материалам печатной платы. Эти значения могут меняться в зависимости от конкретного выбранного основного материала и его толщины.

FR4 Standart FR4 High-TG FR4 Halogen Free FR4 KF Polyimid
Температура стеклования (Tg), ⁰C >135 >170 >140 >135 >230
Коэф. теплового расширения по оси Z (CTE-z), ppm/⁰C 60 45 45 50 20
Проницаемость (εr) для 1 МГц 4,6 4,8 4,7 4,7 3,4
Электрическая прочность, кВ/мм 45 55 50 45 125
Поверхностное сопротивление, МОм 106 107 107 107 106
Сравнительный индекс трекинг-стойкости (CTI) PLC3* PLC3* PLC3* PLC1 / PLC**
Температура разложения (Td), ⁰C 301 345 360 310 ***
Прочность при отслаивании, Н/мм 1,1-1,6 1,2 1,4 1,6 1,6
Группа горючести (UL-94) V0 V0 V0 V0 V0
Стандарт IPC-4101 IPC-4101 IPC-4101 IPC-4204

Таблица 2. Значения по умолчанию для материала FR-4

В таблице 3 приведён список наиболее распространённых материалов для изготовления печатных плат типа FR-4 (источник: T. Hausherr. Design For Manufacturability (Dfm). Design for Manufacturability of Rigid Multi-Layer Boards. PCB Libraries.). Данный список поможет выбрать подходящую толщину и может быть использован для таких материалов, как GETEK®, Rogers®, FR-406 и FR-408.

Ядро (базовый материал с медью) Вес меди, oz Толщина базового материала, мм  Измеренная толщина материала, мм
5 0,5/0,5 0,125±0,025 0,125
6 0,5/0,5 0,150±0,025 0,142
8 0,5/0,5 0,200±0,025 0,188
10 0,5/0,5 0,250±0,038 0,228
12 0,5/0,5 0,300±0,038 0,227
15 0,5/0,5 0,380±0,05 0,358
21 0,5/0,5 0,635±0,0635 0,632
28 0,5/0,5 0,711±0,0635 0,716
42 1/1 1,066±0,125 1,069

Таблица 3. Справочник толщин для материала FR-4

Толщина препрега на примере FR-4

Препрег (предварительно пропитанный) представляет собой листовой материал, обычно – стеклоткань, который отверждается при помощи смолы (стадия отверждения – промежуточная). Большинство производителей печатных плат имеют пять типов препрегов: 106, 1080, 2113, 2116, 7628.

В таблице 4 приведены значения толщины препрега и содержания смолы для каждого типа препрега. После изготовления печатной платы, конкретное значение толщины слоя препрега меняется в зависимости от плотности печатного рисунка и толщины меди на печатной плате.

Тип препрега Толщина, мм (дюйм) Содержание смолы, % Толщина после изготовления, мм
106 0,053 (0,002) 72-77 0,053-0,071
1080 0,0787 (0,003) 61-67 0,071-0,086
2113 0,100 (0,004) 53-56 0,096-0,116
2116 0,135 (0,005) 51-57 0,116-0,137
7628 0,193 (0,0075) 40-46 0,183-0,203

Таблица 4. Обозначение и толщина препрега FR-4

При составлении стека печатной платы, необходимо учитывать ограничения на тип и количество листов препрега, которые могут быть размещены между слоями платы. Для определения возможности изготовления конкретной конфигурации необходимо проконсультироваться с изготовителем.

Типы медной фольги

Производители печатных плат обычно предлагают на выбор различные типы металлической фольги. Самыми распространенными являются электроосаждённая медь (ED Copper) и катаная медь (Rolled Copper). Многослойные, двуслойные и односторонние печатные платы чаще всего изготавливаются с электроосаждённой медной фольгой, а в гибко-жёстких печатных платах используется катаная медь.

Однако независимо от того, какой тип медной фольги был выбран, он должен соответствовать стандартам качества, таким как IPC-MF-150. Если печатную плату необходимо изготовить с нестандартной фольгой, например, никелевой или алюминиевой, то это следует обязательно указать на основном сборочном чертеже и согласовать с изготовителем, во избежание каких-либо недоразумений или производственных проблем в дальнейшем.

Сопротивление меди

Поскольку платы становятся более плотными и сложными, всё чаще возникает необходимость учитывать удельное сопротивление меди. Для того, чтобы рассчитать сопротивление медного проводника на печатной плате можно использовать формулу:

Проектирование для производства (DFM). Часть 1. Выбор материалов

где R – полное сопротивление проводника, ρ – удельное сопротивление материала проводника, L – длина проводника, A – поперечное сечение проводника.

При расчётах удельного сопротивления можно воспользоваться готовыми бесплатными инструментами:

Токовая нагрузка меди

Для определения токонесущей способности внутренних слоёв, для стандартных значений толщины меди и повышенных значений температуры относительно температуры окружающей среды, можно использовать графики, приведённые на рисунках 2 и 3 (источник: Generic Standard on Printed Board Design. Northbrook, IL: IPC, 1998.Http://www.ipc.org/ TOC/IPC-2221A.pdf. IPC. Web.).

Пропускная способность по току для внешних слоёв примерно в 2 раза выше, чем для внутренних. Это связано с наличием дополнительного слоя меди, полученного в процессе металлизации переходных отверстий, и возможным дополнительным металлическим слоем, предназначенным для защиты меди от внешних воздействий. Более подробные значения о ширине линий и требованиях к расстоянию можно посмотреть в IPC-2221.

Рис. 2. Пропускная способность проводника
Рис. 2. Пропускная способность проводника
Рис. 3. Зависимость ширины проводника от его сечения
Рис. 3. Зависимость ширины проводника от его сечения

Толщина готовой платы

После завершения процесса выбора материалов и подготовки структуры печатной платы необходимо рассчитать толщину готовой печатной платы. Данный расчёт выполняется суммированием толщины всех слоёв от верхнего слоя меди до нижнего слоя с учётом защитных слоёв (при их наличии). Полученное значение и будет определять максимальную толщину печатной платы. При расчёте толщины печатной платы необходимо учитывать некоторые особенности:

  • толщина платы будет определять настройку станков при производстве;
  • толщина платы будет влиять на различные ограничения при производстве, в том числе и на соотношения сторон.

Производители печатных плат обычно рекомендуют подбирать толщину печатной платы в диапазоне от 0,02 мм до 6,1 мм.

Следует учитывать, что при толщине печатной платы менее 1,27 мм, для её изготовления могут потребоваться специальные технологии производства и обработки, что, как правило, приводит к увеличению стоимости и сроков изготовления.

Проектирование стека платы в Altium Designer — Layer Stack Manager

Определение структуры слоёв является очень важным элементом проектирования платы. Для успешного проектирования конструкции необходимо грамотно подобрать материалы, задать структуру слоёв, учесть факторы, влияющие на изготовление изделия и настроить параметры трассировки.

Для формирования стека печатной платы и выбора материалов, можно воспользоваться САПР Altium Designer и встроенным в него менеджером структуры слоёв (Layer Stack Manager).

Данный менеджер позволит не только составить стек печатной платы, но и учесть ряд других обязательных аспектов: парность слоёв, переходные отверстия, требования к обратному высверливанию, требования к гибко-жёстким платам, симметрия структуры слоёв, соответствие материалов и др. Все операции выполняются в едином редакторе. В редакторе возможна реализация всех вариантов стеков печатных плат:

  • однослойных;
  • двухслойных;
  • многослойных печатных плат типа МСО (максимальное количество слоёв — 32 сигнальных и 16 экранирующих);
  • многослойных печатных плат, изготавливаемых методом попарного прессования;
  • гибко-жёстких.

На рисунке 4 показан интерфейс менеджера структуры слоёв на примере 16-слойной печатной платы. Слои, которые добавляются на вкладке Stackup в Layer Stack Manager, будут изготовлены в рамках технологического процесса. Свойства слоёв можно ввести непосредственно в таблице или в панели Properties, либо выбрать из библиотеки материалов. Имеется возможность загрузки и сохранения структуры слоёв в шаблоны.

Рис. 4. Менеджер структуры слоёв
Рис. 4. Менеджер структуры слоёв

Помимо материалов, рассмотренных ранее в статье, существует большое разнообразие материалов, используемых в производстве печатных плат. Выбор материалов слоёв и их свойств всегда следует проводить по согласованию с изготовителем платы. Предпочтительные материалы структуры слоёв можно предварительно определить в библиотеке материалов (см. рис. 5).

Рис. 5. Библиотека материалов
Рис. 5. Библиотека материалов

Altium Designer позволяет выполнять контроль за используемыми материалами в проекте. Если в Layer Stack Manager включён параметр Library Compliance, то для каждого слоя, материал которого выбран в библиотеке, будет выполняться проверка значений его свойств на соответствие значениям свойствам материала в библиотеке. В библиотеку материалов можно добавлять все типы материалов, используемых при изготовлении печатных плат:

  • сигнальные слои;
    • фольга;
  • диэлектрические слои;
    • основание;
    • препрег;
  • покрытия печатной платы;
    • защитная паяльная маска;
    • защитная плёнка на гибкой части;
  • финишные покрытия проводящих слоев;
    • ENIG, HASL, IAu, ISn, OSP.

Для предотвращения коробления печатной платы после изготовления Altium Designer может выполнять контроль симметричности печатной платы (параметр Stack Symmetry в разделе Substack Properties панели Properties) относительно центрального диэлектрического слоя.

При обнаружении отличия в равноудаленных от центра слоях, будет выведено сообщение «Stack is not symmetric». В верхней части диалогового окна отображается подробная информация обо всех найденных конфликтах в симметрии структуры.

Эффективным способом проверки стека слоёв является его визуализация в 3D (см. рис. 6). Иногда достаточно взглянуть на результат работы со стороны, чтобы определить недостатки стека. Для получения необходимого типа визуализации имеется ряд элементов управления, которые позволят настроить способ визуализации.

Рис. 6. Трёхмерная визуализация слоёв
Рис. 6. Трёхмерная визуализация слоёв

Заключение

Подводя итог, можно сказать следующее. Для начала проектирования печатной платы, пригодной для производства необходимо знать основные материалы и их характеристики, а именно: ядро печатной платы (базовый материал, толщина), препрег (обозначение, толщина), медную фольгу (тип, сопротивление, допустимую токовую нагрузку). Зная эти параметры, можно рассчитать максимальную толщину печатной платы, которая напрямую повлияет на стоимость изготовления и требования к обработке.

Получить наглядное представление проекта, выбрать материалы, автоматизировать процесс расчёта толщины и учесть все аспекты, влияющие на последующее изготовление платы, поможет менеджер слоёв, входящий в состав Altium Designer.

В следующей статье цикла будет рассказано, как проектировать печатную плату, пригодную для производства. Будет рассмотрено размещение переходных отверстий, правила размещения информации на слое шелкографии, правила выполнения защитной паяльной маски и другие немаловажные аспекты проектирования, влияющие на последующее изготовление.

Источник.

Предыдущая статьяНовые методы проверки проекта печатной платы. Часть 2
Следующая статьяВебинар. Новые возможности имитатора электрических цепей в Altium Designer 21
Кандидат технических наук. Профессиональный инженер России. Лауреат конкурса Инженер Года 2016 по направлению «Приборостроение и диагностика».

Более 30 публикаций в различных научно-технических изданиях в том числе из перечня ВАК.

На данный момент являюсь техническим специалистом компании Altium.

Получил обширное техническое образование в Томском ТУСУР.

Практический опыт получен во время работы Инженером-Конструктором в АО «ИСС» при проектировании печатных плат, блоков и приборов космической техники.

Опыт научных исследований охватывает темы в области электромагнитной совместимости, влияния шероховатости поверхности на характеристики линий передач, физики поведения твердых тел, использования инструментов моделирования в процессе разработки радиоэлектронных приборов.