Назначение слоев печатной платы
В зависимости от сложности ПП и предполагаемого функционала изделия количество слоев может варьироваться от 1 до 50 и более. На данный момент для изготовления в России наиболее распространёнными являются схемы до 28ми токопроводящих слоев, это связано с технологическими особенностями совмещения рисунка схемы и элементной базой. Слои могут совмещаться сваркой слоев, также пакеты МПП могут совмещаться с помощью скрепления пакетов заклепками. Чаще всего для сборки пакета МПП выбираются слои, которые наиболее подходящие по критериям усадки слоев, чтобы после процесса прессования и сверления отсутствовал дефект «ромашки» т.е. когда происходит не совмещение слоев печатной платы друг с другом по гарантийному пояску. Это грозит потерей сигнала и обрывом цепей внутри МПП.
Существует различие между типами слоев печатной платы по трассировке и ее назначению – диэлектрические, сигнальные, питание и земля, а также слои при проектировании печатной платы – основные слои по назначению и дополнительные слои сверловки, шелкографии, мех. обработки и маркировки.
Для всех токопроводящих и диэлектрических слоев в качестве базового материала используются:
- FR-4 (стеклотекстолит, препрег) — самый распространенный, обеспечивающий характеристики печатных плат при минимальной себестоимости.
- FR-4 (стеклотекстолит, препрег), но с определенными стабильными характеристиками по Dk и Df – для высокоскоростных плат (серверные платы, оборудование бортовых систем, спецсвязь, телекоммуникации и т.д.), себестоимость платы выше из-за особенностей изготовления материала –особенности плетения, волокна типа «сплит», пропитывающая эпоксидная смола с определенными характеристиками текучести.
- Полиимид — для гибких плат и высокотемпературных применений.
- Тефлон и эпоксидные материалы с добавлением керамики — для высокочастотных ПП.
- Для токопроводящих слоев и формирования рисунка схемы применяется фольга. Стандартные толщины фольги 9,12,18,35, 70 и 105 мкм. Наиболее распространёнными и применимыми в РФ являются фольга толщиной 18 и 35 мкм.
Тонкая фольга 9 и 12 микрон чаще всего поставляется на алюминиевых протекторах и служит для формирования прецизионных печатных схем, от 5 класса точности и выше по ГОСТ 53432-2009.
70 и 105 мкм фольга используется в качестве теплоотвода.
Диэлектрические (Dielectric Layers)
- Назначение слоя: изоляция проводящих дорожек. Толщина диэлектрических слоев печатной платы между токопроводящими слоями и их плетение (препреги) и даже раскрой базового материала влияют на импеданс печатной платы.
- Особенности: толщина слоя влияет на импеданс и механическую прочность, толщину печатной платы.
Сигнальные (Signal Layers)
- Назначение слоя: передача электрических сигналов между компонентами, представляет собой рисунок схемы печатной платы в виде контактных площадок, проводников, фильтров, дифференциальных пар, BGA контактных площадок и т.д. Ширина проводника, его конфигурация и расстояние между ними влияет на передачу СВЧ сигнала. Отличие от слоев питания и земли в том, что рисунок свободно размещается на диэлектрике и не образует сплошного медного поля.
- Особенности: могут располагаться как на внешних, так и на внутренних слоях.
Слои питания и земли (Power & Ground Planes)
- Назначение: также передает сигналы, но помимо этого обеспечивает стабильное питание и минимизацию помех, может служить теплоотводящей подложкой. Представляет собой насыщенный рисунок схемы, состоящий из сплошного медного покрытия (толщина медной фольги зависит от величины тока).
- Особенности:
- Работают как экран от электромагнитных помех.
- Улучшают теплоотвод.
При изготовлении ГПП и ГЖПП медные экраны, сетка и медные технологические поля на полиимиде или «мягких» материалах сложных для мех. обработки служат «жестким слоем», который менее подвержен внешним факторам воздействия – влажности и температуре, что сказывается на усадке слоя, которая в процессах совмещения будет играть ведущую роль.
Сверловка (NCDrill)
Drill drawing — слой в Gerber-файле, который описывает графическое изображение металлизированных отверстий.
В корректном NC-файле сверловки должен присутствовать полный заголовок, где перечислены все используемые сверла (tool list), указана единица измерения, формат подавления нулей, указывается форма отверстия и другие параметры.
Некоторые параметры, которые можно настроить при генерации сверления в Gerber-файле:
Sweep axis — развёртка оси (горизонтальная или вертикальная).
Band Width — ширина полосы сверления.
Predrill holes larger than — отверстия размером больше заданного значения сверлить предварительно (для больших отверстий можно задать предварительное сверление посредством установки флажка в чекбоксе).
Machine file extension — расширение машинного файла.
Фрезеровка и контур (Non plated and mechanical)
Они могут быть раздельно сформированы в gerber файле, но некоторые трассировщики объединяют их в один слой.
Слой в Gerber-файле, который описывает графическое изображение не металлизированных отверстий и обработку контура печатной платы, согласно размерам КД и форме контура, который задумал конструктор изделия.
Паяльная маска (Solder Mask)
- Назначение: внешние слои печатной платы порядка 40 микрон, которые защищают медь от окисления и предотвращает появление коротких замыканий между токопроводящими дорожками.
Защитная паяльная маска (ЗПМ) на печатных платах нужна для формирования контактных площадок на участках, обеспечивающих радиотехнические характеристики.
Сформированные с помощью ЗПМ контактные площадки в процессе монтажа (при пайке выводов):
- препятствуют растеканию припоя (паяльной пасты) за границы рисунка ЗПМ;
- препятствуют смещению выводов относительно контактных площадок платы;
- предупреждают эффект типа «надгробного камня» за счёт улучшения смачивания припоем контактных площадок платы;
- способствуют образованию галтелей на выводах, образуя высоконадёжные паяные соединения.
- C помощью ЗПМ становится возможен монтаж развязывающих выводов в цепях, электрически между собой не связанных (шины питания, полигоны и др.).
Материал: Фотоотверждаемый полимер (обычно зеленый, но бывает красный, синий, черный, белый).
Шелкография (Silkscreen)
Не прослойка в полноценном смысле, поскольку наносится локально.
- Назначение: Маркировка компонентов, обозначения контактов.
- Материал: Белая (реже цветная) краска, наносится поверх не до конца отверждённой паяльной маски, с хорошими адгезионными характеристиками.
В целом, количество слоев ПП влияет на общую прочность изделия, а также позволяет увеличить плотность компоновки, тем самым уменьшив общие габариты устройства.
Виды печатных плат по количеству слоев и типам применяемых материалов
Существует 3 основных разновидности.
Однослойные (Single-Layer PCB)
- Структура: 1 медная фольга + подложка из диэлектрического материала.
- Применение: Простая электроника (реле, датчики, бытовая техника).
Двухслойные (Double-Layer PCB)
- Структура: Медь с двух сторон + диэлектрик.
- Применение: Более сложные схемы (блоки питания, обучающие платформы, простые контроллеры).
Многослойные (Multilayer PCB, 4+ слоев)
- Структура: Чередование сигнальных слоев, питания и земли и диэлектрических слоев. Своеобразный многослойный пирог.
- Применение: Материнские платы, процессоры, телекоммуникационное оборудование.
Многослойные ПП делятся на подтипы:
- 4-6 слоев — бытовые и изделия средней сложности (роутеры, промышленная автоматика, военная техника).
- 8-16 — высокопроизводительные устройства (серверы, FPGA).
- 16+ — специализированная электроника (спец. техника, аэрокосмическая тематика, кросс-платы).
Гибкие и жестко-гибкие платы (Flex & Rigid-Flex PCB)
Они также могут быть одно -, двух- и многослойными структурами, но в качестве диэлектрика выступают гибкие материалы на основе полиимида и акриловых связующих.
Применение: Мобильные, носимые гаджеты, медицинская техника, автоэлектроника.
Заключение
Слоистая структура ПП позволяет создавать компактные, надежные и высокопроизводительные электронные устройства. Выбор количества слоев зависит от сложности схемы, требований к применению, помехоустойчивости и тепловому режиму. Современные технологии позволяют изготавливать платы с десятками слоев, обеспечивая работу даже самых сложных микропроцессоров и радиосистем.
