Как работает двусторонняя печатная плата? Структура, переходы и приложения

Что такое двухсторонняя печатная плата и как она работает?

A двухсторонняя печатная плата представляет собой печатную плату с проводящим медным слоем сверху и снизу изолирующей подложки, с покрытые сквозными отверстиями электрически соединяя две стороны. В отличие от односторонней платы, где все дорожки и компоненты расположены на одной поверхности, двусторонняя плата позволяет сигналам и питанию передаваться от одного слоя к другому через металлические переходные отверстия. В тот момент, когда вы спросите как работает двусторонняя печатная плата , вы действительно спрашиваете, как эти переходные отверстия позволяют прокладывать сложную схему в компактном пространстве. Каждое переходное отверстие представляет собой цилиндрический элемент с медным покрытием, который соединяет два медных слоя, превращая непроходимый лабиринт перемычек в чистое профессиональное межсоединение.

Функциональным ядром платы является двухсторонняя печатная плата via connection . Без переходных отверстий две медные стороны оставались бы электрически изолированными друг от друга, и любая дорожка, которая должна была пересечь другую, зашла бы в тупик. Благодаря металлизированным сквозным отверстиям дизайнер может передавать сигнал из верхнего слоя в нижний через переходное отверстие, направлять его под препятствиями и возвращать вверх, где это необходимо. Это значительно снижает плотность маршрутизации. Двусторонняя плата может вместить примерно вдвое большая сложность схемы односторонняя плата одинаковых размеров, что делает ее основой для большинства бытовой, промышленной и автомобильной электроники.

Двухсторонняя структура печатной платы: слои, медь и подложка

двухсторонняя печатная плата structure состоит из пяти отдельных слоев: верхней медной фольги, диэлектрической подложки, нижней медной фольги и двух внешних слоев паяльной маски. Подложкой почти всегда является FR-4 — огнестойкий эпоксидно-стеклянный композит — типичной толщины 1,6 мм для стандартных плат, хотя в местах с ограниченным пространством используются более тонкие жилы толщиной 0,8 мм или 1,0 мм. Медная фольга ламинируется с обеих сторон этого сердечника под воздействием тепла и давления. Ключевым параметром конструкции является двухсторонняя печатная плата copper thickness , чаще всего указывается как 1 унция/фут² (толщина примерно 35 мкм). В силовой электронике или контроллерах двигателей используется медь толщиной 2 унции (70 мкм) или даже 3 унции (105 мкм), чтобы выдерживать более высокие токи без чрезмерной ширины дорожки.

plated through holes that define a двухсторонняя печатная плата with plated through holes это не простые трубки. Каждое отверстие просверливается в подложке и медной фольге, затем на стенку отверстия химическим способом наносится медь, чтобы создать проводящий затравочный слой. Электролитическое меднение увеличивает толщину ствола, как правило, до 20–25 мкм . Этот ствол должен выдержать термоциклирование, не растрескиваясь; несоответствие коэффициента теплового расширения между FR-4 (около 14–17 ppm/°C по оси Z) и медью (17 ppm/°C) создает нагрузку на переходное отверстие каждый раз, когда плата проходит пайку оплавлением. Хорошо выполненное металлизированное сквозное отверстие выдерживает более 500 термических циклов до того, как сопротивление увеличится более чем на 10% в соответствии со стандартами приемки IPC-6012 класса 2.

Процесс производства двусторонних печатных плат: от голого ламината до готовой платы

двухсторонняя печатная плата manufacturing process следует последовательности, которая была усовершенствована для производства надежных плат в больших масштабах. Все начинается с двустороннего ламината с медным покрытием, вырезанного по размеру панели. Первой крупной операцией является сверление: механические дрели с компьютерным управлением создают отверстия размером от от 0,2 мм до 6,35 мм , при этом диаметр наиболее распространенных переходных отверстий составляет от 0,3 до 0,5 мм. Качество стенок отверстия после сверления имеет решающее значение; грязь со сверла может покрыть внутренние медные края и помешать надлежащей адгезии покрытия. Процесс очистки с использованием плазмы или перманганата удаляет этот остаток.

Затем следует химическое осаждение меди, которое делает стенки отверстия проводящими, а затем нанесение покрытия на панели, которое формирует медный корпус и равномерно увеличивает толщину поверхности меди. В процессе формирования изображения на обе стороны наносится фоторезист из сухой пленки, выравнивается верхняя и нижняя часть изображения с помощью регистрационных штифтов и экспонируется резист ультрафиолетовым светом. После проявления и травления нежелательной меди остаются следы внутреннего слоя, контактные площадки и переходные площадки. Затем на плату наносится жидкая паяльная маска, которую можно фотографировать — обычно зеленая, но любого цвета — которая оставляет открытыми только площадки и переходные отверстия. На заключительном этапе применяется обработка поверхности: HASL (выравнивание припоем горячим воздухом), ENIG (химическое никелевое иммерсионное золото) или OSP (органический консервант для пайки), в зависимости от требуемого срока хранения и процесса пайки. Весь двухсторонняя печатная плата manufacturing process от голого ламината до готовой доски можно выполнить за от 24 до 72 часов на современном предприятии с выходом более 98% для проектов стандартной сложности.

Проектирование двухсторонней печатной платы: переходные отверстия, трассировка трасс и выбор толщины меди

Эффективный двухсторонняя печатная плата design начинается с назначения слоев. Одна из распространенных стратегий выделяет верхний уровень в первую очередь для компонентов и коротких межсоединений, тогда как нижний уровень служит заземляющим слоем и каналом маршрутизации для более длинных сигналов. двухсторонняя печатная плата via connection становится инструментом дизайнера для перемещения сигналов между этими плоскостями. Переходные отверстия следует располагать близко к площадке, которую они обслуживают, сводя к минимуму длину шлейфа и индуктивность, но не настолько близко, чтобы припой не стекал во время сборки. Хорошее эмпирическое правило размещает край переходного отверстия как минимум 0,25 мм от края площадки для конструкций стандартной плотности.

Выбор подходящего двухсторонняя печатная плата copper thickness это тепловое и электрическое решение, а не произвольный выбор. В таблице ниже приведены практические значения допустимого тока для обычных медных масс при повышении температуры на 10°C на основе рекомендаций IPC-2221 для внешних слоев.

При указании двухсторонняя печатная плата design параметров соотношение сторон плакированного сквозного отверстия — толщина доски, деленная на диаметр просверленного отверстия — не должно превышать 8:1 для стандартного производства . Плата толщиной 1,6 мм с переходными отверстиями 0,3 мм обеспечивает соотношение 5,3:1, что удобно в пределах окна надежного покрытия. Выход за пределы 10:1 повышает риск образования пустот в гальваническом цилиндре и увеличивает стоимость, поскольку требуются специальные гальванические ванны и более длительное время процесса.

Применение двусторонних печатных плат в бытовой, промышленной и автомобильной электронике

Применение двусторонних печатных плат охватывают практически все электронные продукты, где плотность компонентов превышает возможности одного слоя, но бюджет или пространство еще не оправдывают использование многослойной платы. В бытовой электронике двусторонние платы являются основой адаптеров питания, блоков питания телевизоров, модулей управления стиральными машинами и контроллеров микроволновых печей. Типичный контроллер бытовой техники использует двустороннюю плату с 1,6 мм FR-4, 1 oz copper, and ENIG finish , на верхней стороне размещаются микроконтроллеры, реле и клеммы разъемов, а на нижней стороне прокладываются высоковольтные дорожки с изоляционными слотами.

В автомобильном секторе двусторонние печатные платы используются в модулях управления дверями, драйверах светодиодного освещения и интерфейсах датчиков. Эти платы должны пройти испытания на термический удар при температуре от -40°C до 125°C. двухсторонняя печатная плата with plated through holes должен сохранять целостность ствола в течение тысяч термических циклов. В автомобильных конструкциях часто указываются 2 унции меди на трассах питания и требуют защитного покрытия на собранной плате. Промышленные приводы двигателей, ПЛК и контрольно-измерительные модули аналогичным образом используют двусторонние платы с толстыми медными перемычками и масками для пайки, позволяющими выдерживать большие расстояния утечки напряжения. Простота и проверенная надежность двухсторонняя печатная плата structure сохраняйте его актуальность даже по мере развития HDI и многоуровневых технологий — он остается экономически оптимизированным выбором для любой схемы, которой нужны два сигнальных уровня и ничего больше.