Parametry projektu a możliwości produkcyjne PCB
Oprogramowanie EDA (Electronic Design Automation) umożliwia projektowanie bardzo gęstych układów połączeń, jednak możliwość ich wykonania zależy od technologii stosowanej przez producenta obwodów drukowanych. Podstawowe znaczenie mają szerokość ścieżek, odstępy między nimi, średnice otworów oraz dokładność odwzorowania mozaiki i obróbki mechanicznej.
W kartach technologicznych producenci podają zwykle wartości graniczne, określające najmniejsze wymiary możliwe do uzyskania w danym procesie. Nie oznacza to jednak, że są one optymalne dla każdej konstrukcji PCB. Projektowanie wszystkich elementów mozaiki na granicy możliwości technologicznych ogranicza margines produkcyjny i może utrudniać uzyskanie wymaganej powtarzalności.
Wartości minimalne należy stosować przede wszystkim tam, gdzie wymagają tego warunki konstrukcyjne, np. niewielki raster wyprowadzeń układów scalonych. W pozostałych obszarach korzystniejsze jest zachowanie większych odstępów i szerokości przewodników.
Istotne jest również uwzględnienie wzajemnych zależności między parametrami. Minimalna szerokość ścieżki może być dostępna tylko przy określonej grubości miedzi, a najmniejsza średnica otworu – przy odpowiednio dobranej grubości płytki. Dane katalogowe opisują więc zakres możliwości technologicznych, a niekoniecznie jedną konstrukcję, w której wszystkie wartości graniczne można zastosować jednocześnie.
Szerokość ścieżek i odstępy między przewodnikami
Minimalna szerokość ścieżki i odstęp między sąsiednimi przewodnikami zależą przede wszystkim od możliwości procesu odwzorowania i trawienia miedzi. Podczas usuwania niepożądanego materiału zachodzi również trawienie boczne, wpływające na ostateczny przekrój i szerokość przewodnika. Znaczenie tego zjawiska rośnie wraz z grubością warstwy miedzianej. Z tego względu reguły projektowe mogą różnić się dla warstw zewnętrznych i wewnętrznych PCB. W zależności od zastosowanego procesu produkcyjnego miedź na warstwach zewnętrznych może być dodatkowo pogrubiana galwanicznie, co również wpływa na dopuszczalne wymiary mozaiki.
W opublikowanej tabeli parametrów technologicznych firma Hatron podaje minimalną szerokość ścieżki i minimalny odstęp wynoszące 3 mil, czyli około 0,076 mm. Są to deklarowane wartości graniczne. Przy projektowaniu konkretnego obwodu należy uwzględnić grubość miedzi oraz ustalić, czy wskazane wymiary mogą być stosowane w wybranej konstrukcji.
Nie zawsze jednak minimalne wymiary technologiczne są odpowiednie z punktu widzenia parametrów elektrycznych. Szerokość ścieżki musi odpowiadać obciążalności prądowej i wymaganiom dotyczącym impedancji, natomiast odstęp między przewodnikami powinien zapewniać odpowiednią izolację elektryczną. W praktyce to właśnie wymagania funkcjonalne mogą narzucać większe wymiary niż minima produkcyjne.
Zmniejszanie szerokości ścieżek i odstępów umożliwia prowadzenie większej liczby połączeń na ograniczonej powierzchni, ale jednocześnie zmniejsza margines tolerancji wykonania. Dlatego przy projektowaniu gęstej mozaiki należy rozpatrywać geometrię przewodników łącznie z liczbą warstw i dostępną powierzchnią płytki.
Otwory metalizowane, przelotki i geometria padów
Kolejnym istotnym ograniczeniem są średnice otworów oraz tolerancje ich wykonania. W przypadku otworów metalizowanych należy rozróżnić średnicę wiercenia od średnicy gotowego otworu. Osadzona na ściankach warstwa miedzi zmniejsza jego średnicę, dlatego dokumentacja produkcyjna powinna jednoznacznie określać wymagany wymiar końcowy.
Według danych Hatron tolerancja średnicy otworów metalizowanych wynosi ±0,076 mm (±3 mil), a otworów niemetalizowanych ±0,05 mm (±2 mil). Parametry te mają znaczenie szczególnie w przypadku montażu elementów przewlekanych, złączy oraz otworów pełniących funkcje mechaniczne.
Wybór otworu metalizowanego lub niemetalizowanego powinien wynikać z wymagań konkretnej konstrukcji. W przypadku otworów montażowych istotne są tolerancje wymiarowe i sposób współpracy płytki z elementami mechanicznymi. Z kolei otwory wykorzystywane do połączeń elektrycznych muszą dodatkowo spełniać wymagania dotyczące metalizacji.
Istotną zależnością jest również stosunek grubości płytki do średnicy otworu. Im jest on większy, tym trudniejsze staje się uzyskanie prawidłowej metalizacji na całej głębokości. W tabeli technologicznej Hatron minimalna średnica otworu wynosi 0,1 mm. Możliwość zastosowania takiego wymiaru należy jednak rozpatrywać w odniesieniu do grubości i konstrukcji konkretnej płytki.
Przy projektowaniu padów i przelotek trzeba ponadto zapewnić odpowiednią szerokość pierścienia miedzi otaczającego otwór. Jego wymiar powinien uwzględniać tolerancje pozycjonowania wiercenia względem mozaiki przewodzącej. W obwodach wielowarstwowych dodatkowe znaczenie mają przesunięcia poszczególnych warstw podczas laminowania.
Hatron uwzględnia w swojej ofercie również przelotki ślepe i zagrzebane, podając w tabeli minimalną średnicę 0,1 mm. Ich zastosowanie pozwala realizować połączenia między wybranymi warstwami, bez konieczności prowadzenia każdego otworu przez całą grubość płytki. Wymaga jednak odpowiedniej konstrukcji stosu warstwowego i uzgodnienia możliwości wykonawczych z producentem.
Grubość laminatu i miedzi a konstrukcja PCB
Grubość płytki drukowanej wpływa na jej właściwości mechaniczne, sposób mocowania, pasowanie złączy oraz możliwości wykonywania otworów. W aktualnym zestawieniu parametrów Hatron podaje zakres grubości PCB od 0,3 do 8,5 mm oraz liczbę warstw od 1 do 30.
Wartości te określają deklarowany zakres technologiczny, natomiast dostępność konkretnej konfiguracji zależy od zastosowanych materiałów i budowy obwodu. Firma wskazuje, że podstawę jej działalności stanowią sztywne płytki jedno- i dwustronne oraz obwody wielowarstwowe, w szczególności konstrukcje 4-warstwowe.
Równie istotna jest grubość miedzi. Wpływa ona zarówno na obciążalność prądową ścieżek, jak i możliwości wykonywania połączeń o niewielkiej szerokości i małych odstępach. Dlatego parametry miedzi powinny zostać określone przed ustaleniem ostatecznych reguł projektowych.
W konstrukcjach wielowarstwowych konieczne jest również ustalenie układu warstw, obejmującego kolejność rdzeni, prepregów i warstw przewodzących oraz grubości dielektryków. Odpowiedni dobór materiałów i symetria konstrukcji mają znaczenie dla stabilności wymiarowej i ograniczenia odkształceń płytki podczas produkcji.
Układ warstw należy uzgodnić z producentem na wczesnym etapie projektowania. Późniejsza zmiana grubości dielektryków, liczby warstw lub parametrów miedzi może wymagać modyfikacji wcześniej zaprojektowanych połączeń.
Obróbka mechaniczna i tolerancje wymiarowe
Projektowanie PCB obejmuje także określenie kształtu płytki, sposobu wykonania jej krawędzi i rozmieszczenia otworów montażowych. W ofercie Hatron wymieniono trzy metody obróbki mechanicznej: frezowanie, nacinanie V-Cut oraz sztancowanie.
Frezowanie umożliwia wykonywanie złożonych konturów, wycięć i otworów podłużnych. Metoda ta ma jednak ograniczenia wynikające z geometrii narzędzia. W szczególności naroża wewnętrzne uzyskują promień zależny od średnicy frezu, co trzeba uwzględnić przy projektowaniu wycięć współpracujących z elementami obudowy.
Nacinanie V-Cut stosuje się przede wszystkim w panelach z płytkami o prostoliniowych krawędziach. Technologia ta wymaga odpowiedniego rozmieszczenia nacięć i zachowania bezpiecznej odległości miedzi od linii podziału. Sztancowanie wiąże się natomiast z koniecznością przygotowania wykrojnika, dlatego znajduje zastosowanie głównie w produkcji powtarzalnych elementów o ustalonym kształcie.
Zgodnie z aktualnymi danymi Hatron tolerancja obróbki mechanicznej wynosi ±0,15 mm. Ma ona znaczenie m.in. przy dopasowywaniu płytki do prowadnic, obudów, złączy krawędziowych oraz elementów mocujących. Wymiary krytyczne powinny być jednoznacznie wskazane w dokumentacji technicznej.
Należy również zachować odpowiednią odległość miedzi od krawędzi PCB. Zbyt mały odstęp zwiększa ryzyko odsłonięcia lub uszkodzenia przewodników podczas obróbki. Wymagana odległość zależy od zastosowanej metody wykonania konturu i związanych z nią tolerancji.
Kluczowe parametry technologiczne przy projektowaniu PCB
Poniższa tabela zestawia wybrane wartości publikowane przez firmę Hatron oraz ich znaczenie dla projektowania obwodów drukowanych.
Podane wartości graniczne nie oznaczają możliwości ich jednoczesnego zastosowania w każdej konstrukcji PCB.
Jak wykorzystać parametry producenta podczas projektowania?
Parametry technologiczne należy uwzględnić już na etapie definiowania reguł projektowych. Ich poprawne wprowadzenie do programu EDA umożliwia kontrolowanie geometrii obwodu za pomocą narzędzi DRC, zanim dokumentacja zostanie przekazana do produkcji.
Sama kontrola DRC nie gwarantuje jednak wykonalności projektu. Sprawdza ona zgodność z wprowadzonymi regułami, dlatego istotne jest, aby odpowiadały one rzeczywistym możliwościom wybranej technologii produkcyjnej.
Przed zakończeniem projektu należy zweryfikować przede wszystkim szerokości ścieżek i odstępy dla przyjętej grubości miedzi, średnice i tolerancje otworów, wymiary padów oraz wymagane odległości przewodników od krawędzi płytki. W konstrukcjach wielowarstwowych dodatkowo trzeba sprawdzić zgodność układu warstw z możliwościami producenta.
Szczególnej uwagi wymagają rozwiązania niestandardowe, takie jak przelotki ślepe i zagrzebane, nietypowe grubości miedzi czy konstrukcje o dużej liczbie warstw. Ich parametry powinny zostać uzgodnione przed zakończeniem projektowania mozaiki.
Uwzględnienie ograniczeń technologicznych na wczesnym etapie pozwala uniknąć późniejszych zmian dokumentacji i ogranicza ryzyko rozbieżności między projektem a gotowym obwodem drukowanym.
Źródło: Hatron
Więcej na hatron.com
