Řešíme skladbu vrstev desky: materiál a přenosová vedení

Porozumění vlastnostem materiálů používaných při výrobě plošných spojů je klíčové. Volba materiálů vychází z projektovaných koncových vlastností plošných spojů, z prostředí, ve kterém budou provozovány (klimatická odolnost), a dále jak budou namáhány v CCA (v literatuře je takto označovaný proces výroby Current Card Assembly). Do jejich vlastností musíme zahrnout i požadavek, aby desky plošných spojů vydržely dalších pět cyklů CCA.

Výběr materiálů

Z elektrických vlastností dielektrika se zaměříme na povrchovou a objemovou rezistivitu, permitivitu materiálu εr, ztrátový činitel tgδ a elektrickou pevnost.

Z mechanických vlastností dielektrika to je teplotní odolnost. Vyjádřená parametrem CTE (Coeficient Thermal Expansion), parametrem Tg (Temperatureglass transitiv – to je teplota, při které materiál přechází do stavu pružného, plastického) a parametrem označeným Td, který udává teplotu delaminace – to je teplota rozkladu materiálu s 5% úbytkem hmotnosti, materiál skapává. Způsob měření Td se provádí dle návodu zkušebních metod, stať 2.4.24 (TMA) a 2.4.25 (DSC) [1].

Používané dielektrické materiály – nejčastěji sklo-pryskyřičné soustavy – mají mnohem vyšší teplotní roztažnost než měď. Větší obsah pryskyřice zvyšuje tvrdost a křehkost materiálu a obtížněji se vrtá. Rozdílná roztažnost se nejvíce projevuje při teplotním namáhání – poprvé u samotné výroby MLB při laminaci v lisu a dále při působení pájecích technologií a na konec při provozním – pracovním – prostředí výrobku. Nesprávně zvolené materiály nebo skladby vrstev mají větší sklon k prohnutí a zkroucení (Bow and Twist) MLB. Prohnutí a zkroucení plošných spojů má velký vliv na výslednou kvalitu – spolehlivost výrobku. Skladbu vrstev tvoříme symetricky kolem střední osy desky [2]. Nesprávně zvolené materiály ve skladbě vrstev způsobují, zvláště při opakovaných teplotních stresech, kromě jiných vad také přerušení vodivých cest v plošných spojích.

Důležitou posuzovanou vlastností je také chemická odolnost. Neopomeneme se věnovat odolnosti vůči vzplanutí plamenem a vlastnostem samozhášivosti dielektrických materiálů. (úrovně 94V-0, 94V-1, 94V-2).

Samozhášivostí rozumíme schopnost materiálu desky plošných spojů odolat po určitou dobu vzniku – pokračování hoření, přidáním chemických látek do organického – pryskyřičného – dielektrickéh omateriálu. Označení „FR“ je zkratkou „Flame Retardant“. Na téma samozhášivých vlastností základních materiálů FR4 je napsána zajímavá práce [3].

Měděné fólie používané v plošných spojích jsou rozdělené do sedmi skupin – stupňů. [4] Nejčastěji se setkáváme s prvními třemi:

• GRADE1: Tyto fólie jsou ve dvouvrstvých deskách a mohou být užity (je-li to vhodné) i na vnějších vrstvách MLB díky nižší ceně, než mají ostatní skupiny Cu fólií.
• GRADE2: Vysoká tažnost Cu fólií je typická pro užití v pružných plošných spojích, ale i v jiných aplikacích; např. v automobilovém průmyslu. Tato skupina je cenově velmi náročná.
• GRADE3: Velká teplotní roztažnost (označení HTE) nachází uplatnění ve vnitřních vrstvách MLB. Často pro šesti a vícevrstvé skladby. Někteří výrobci MLB používají tuto skupinu pro všechny vodivé vrstvy vícevrstvých plošných spojů.

Pečlivým výběrem materiálů se snažíme vytvořit skladbu vrstev s přijatelnými rozdíly v parametrech CTE a s dalšími parametry významně se podílejícími na bezporuchovém užití po očekávanou dobu a přiměřených cenových nákladech. Vhodnou volbou použitých materiálů klademe důraz na rozměrovou stabilitu vyrobených MLB.

Stavba MLB zahrnuje několik kritických míst. Při výběru vhodného dielektrika vycházíme ze zaplněnosti motivů mědí, které dielektrikem typu prepreg oddělujeme. Kritický je výběr stylu skelné rohože – ta tvoří výztuž, dále množství pryskyřičného plniva –resin, roztékavost resinu a tloušťka prepregu. Při výběru skelné rohože přihlížíme také ke způsobu vrtání daným dielektrikem. Mechanické nebo laserové – zlepšené vlastnosti skelných rohoží pro laserové zhotovení otvorů jsou označeny písmeny LD (Laser Drilling). Vypořádat se úspěšně s tímto úkolem vypadá hrozivě, je na to matematický model, ve zjednodušené formě [5]. Naštěstí můžeme použít dostupný Multical 6.0 (diskutovaný v článku v minulém čísle). Ten nám mimo jiné zodpoví otázku, zda máme kritické nebo ještě menší množství resinu v té které části námi vytvořené skladby vrstev. To je také jedním z důvodů, proč je naprosto nezbytné požádat skutečného výrobce MLB (ne pouhého dodavatele nebo zprostředkovatele výroby) o kontrolu způsobilosti k výrobě námi vytvořené skladby vrstev.

Dalšími kritickými vlastnostmi při výběru dielektrika jsou teploty Tg a Td a ztrátový činitel tgδ.

Výchozím dokumentem k výběru materiálůje dokument IPC-2221 „Generic Standard on Printed Board Design“.

Tento standard identifikuje základní fyzikální principy a obsahuje členění do samostatných skupin řešících technologické odlišnosti desek plošných spojů. Jako příklady uvádím:

• IPC-2222 „Rigid organic printed board structure design“
• IPC-2223 „Flexible printed board structure design“
• IPC-2224 „Organic, PC card format, printed board structure design“
• IPC-2225 „Organic, MCM-L, printed board structure design“
• IPC-2226 „High Density Interconnect (HDI) structure design“

Další použité standardy:

• IPC-2615 „Printed Board Dimensions and Tolerances“
• IPC-4101 „Specificationfor Base Materials for Rigid and Multilayer Printed Boards“ IPC-4104 „Specification for High Density Interconnect (HDI) and Microvia Materials“
• IPC-4121 „Guideline for Selecting Core Construction for Multilayer Applications“
• IPC-4652 „Metal Foil for Printed Wiring Aplication“
• IPC-4563 „Resin Coated Copper Foil for Board Guideline“
• IPC-TM-650 „Test Methods Manuals“

Znalost a orientace ve specifikaci IPC-4101 je velmi důležitá, protože zahrnuje klíčová slova k usnadnění výběru materiálů s popisem jejich aplikovatelnosti a typického užití. Zahrnuje limitní hodnoty s vysvětlením vedoucím k jejich lepšímu porozumění.

Specifikace IPC-4101 je prvním pramenem, kde nalézáme technické informace k úspěšné konstrukci MLB.

Výpočet přenosových parametrů vedení

Stanovení geometrie (tvar, rozměry, elektrické vlastnosti) prvků k vytvoření skladby vrstev je usnadněno použitím dostupné softwarové podpory, například Speedstack PCB včetně SI800m od Polar Instruments, Multilayer PCB Stackup-Planning od In-Circuit Design; oba jsou jmenovány v předchozím článku. Můžeme také použít dostupné kalkulátory na webu. Je však důležité, abychom to uměli také s „kalkulačkou“ v ruce, alespoň ve zjednodušené formě, a rozuměli tak výsledkům v číselné nebo grafické úpravě používaného softwaru.

Použité vztahy jsou empirické a platí vždy v určitém rozsahu a vzájemném poměru vybraných veličin, ve vzorci použitých pro stanovenou odchylku v přesnosti výsledku, např. 3%.

Sklo-pryskyřičné soustavy dielektrika jsou nehomogenní struktury. Sklo máε_r ~ 6 a permitivita pryskyřice je ε_r ~ 3. Typ (styl) skelné rohože (výztuž) a celková tloušťka dielektrika (množství pryskyřice a její roztékavost) jsou významné také pro způsob vedení (routování) například diferenčních párů. Ty se snažíme v delších úsecích vést diagonálně. Tím omezíme situace, kdy jeden vodič z diferenčního páru má pod sebou víceméně souvislá skleněná vlákna rohože s ε_r~ 6 a druhý vodič téhož diferenčního páru střídá pod sebou skelná vlákna rohože a mezeru v objemu dielektrika vyplňuje pryskyřice s ε_r ~ 3. Výsledkem je rozdílné zpoždění průchodu signálu diferenčního páru jedním a druhým vodičem. To může vést ke špatným, neočekávaným elektrickým důsledkům.

V deskách se setkáváme s vedeními typu microstrip a stripline v několika variantách. Nejprve určíme operační frekvenci F z doby přeběhu nástupné nebo sestupné hrany signálu:

Tr uvažujeme v rozsahu 10–90 % z doby přeběhu nástupné nebo sestupné hrany signálu. Je zřejmé, že se zabýváme digitálními signály.

Z výrazu 2 stanovíme vlnovou délku ve vakuu:

kde je rychlost světla C = 2,997956377 * 10⁸ m/sec.

Vlnová délka se při průchodu dielektrikem zkrátí podle výrazu 3:

kde λr je redukovaná vlnová délka, zatímco ε‘_r je efektivní relativní permitivita (výraz 4), která dává ve výsledném vztahu přesnější údaj než jenom ε_r.

Vlnová délka pro vodiče vnitřních vrstev je:

Pro vodiče vnějších vrstev je λr redukována:

Dosadíme-li ve výrazech 5 a 6 Tr v nanosekundách, dostaneme λr v Gm.

Ze vztahů 1 až 6 můžeme stanovit kritickou délku vodiče a provést ošetření signálů těchto a větších délek spojů již ve schématech. Také získáme vodítko pro řešení EMC/EMI na vytvářených deskách s plošnými spoji.

Pro vedení typu microstrip a pro další typy vedení jsou informace v literatuře [6].

Microstrip nepřekrytý

Tento typy vedení (obr. 1) se řeší pomocí vztahu 7:

Obr. 1 Microstrip nepřekrytý (W = šířka vodiče, T = tloušťka vodiče, H = tloušťka dielektrika)

Poznámka k zápisu jednotek fyzikálních veličin v hranatých závorkách: „Ω“ pro vypočtenou Zo, středníkem označujeme „=“ (oddělujeme tak levou stranu rovnice od pravé), „–“ označuje veličinu bez jednotek, zde permitivitu prostředí εr, „inch“ je jednotka pro parametry W-T-H.

Microstrip překrytý

Pro microstrip překrytý (obr. 2) s nepájivou maskou se výpočet provádí pomocí vztahu 8.

Obr. 2 Microstrip překrytý s nepájivou maskou (W = šířka vodiče; T = tloušťka vodiče; H = tloušťka dielektrika; H1 = tloušťka překrytého vedení microstrip)

Hodnota εr‘ se vypočte ze vztahu 9.

Symetrický Stripline

Výpočet (obr. 3) se provádí pomocí vztahu 10.

Obr. 3 Symetrický stripline (W = šířka vodiče; T = tloušťka vodiče; H = tloušťka dielektrika)

Asymetrický Stripline

Výpočet (obr. 4) se provádí pomocí vztahu 11.

Obr. 4 Asymetrický Stripline (W = šířka vodiče; T = tloušťka vodiče; H = tloušťka dielektrika)

Duální Stripline

Výpočet (obr. 5) se provádí pomocí vztahu 12.

Obr. 5 Duální Stripline (W = šířka vodiče; T = tloušťka vodiče; H = tloušťka dielektrika; C = tloušťka dielektrika)

K těmto základním vztahům existují korekční faktory zpřesňující výsledky. Pro praktickou práci v dnešní době to však již není podstatné, používáme-li softwarovou podporu.

Variant přenosových vedení je velké množství. Můžeme se o tom přesvědčit ve zkušební aplikaci „Speedstack PCB includes Si800m“ z nabídky společnosti Polar Instruments [7].

 

Literatura:

[1] IPC-TM-650 „Test Metods Manuals“.

[2] Vlastimil Obr: Bow&Twist – prohnutí a zkroucení desek plošných spojů, časopis DPS Elektronika od A do Z, č. 3/2014.

[3] Miroslav Růžička: Hodnocení samozhášivých vlastností základních materiálů FR4, [netištěná bakalářská práce] VUT Brno, 2010.

[4] Martin W. Jawitz: PCB Materials Handbook, Chapter 7 Copper Foil.

[5] Tony Senese,Taconic: Multilayer Dielectric Thickness Calculation.

[6] UltraCAD Design, Inc., Douglas Brooks, Transmission Line Formulas, Printed Circuit Design Magazine, March, 1998.

[7] Polar Instruments Europe Ltd; Speedstack PCB includes Si800m; Controlled Impedance design and stackup http://www.polarinstruments.com/products/stackup/Speedstack.html.