PCB hai mặt hoạt động như thế nào? Cấu trúc, Vias & Ứng dụng

PCB hai mặt là gì và nó hoạt động như thế nào?

A PCB hai mặt là một bảng mạch in có lớp đồng dẫn điện ở cả mặt trên và mặt dưới của chất nền cách điện, có mạ qua lỗ nối điện hai bên. Không giống như bảng một mặt nơi tất cả các dấu vết và thành phần nằm trên một bề mặt, bảng hai mặt cho phép tín hiệu và năng lượng truyền từ lớp này sang lớp khác thông qua các via được mạ. Khoảnh khắc bạn hỏi PCB hai mặt hoạt động như thế nào , bạn thực sự đang hỏi làm thế nào những vias đó có thể định tuyến một mạch phức tạp trong một không gian nhỏ gọn. Mỗi via là một ống mạ đồng nối liền hai lớp đồng, biến một mê cung dây nhảy không thể định tuyến thành một kết nối sạch sẽ, chuyên nghiệp.

Cốt lõi chức năng của hội đồng quản trị là PCB hai mặt via connection . Nếu không có vias, hai mặt đồng sẽ vẫn cách ly với nhau về mặt điện và bất kỳ dấu vết nào cần vượt qua mặt kia sẽ là ngõ cụt. Với các lỗ được mạ xuyên qua, nhà thiết kế có thể truyền tín hiệu từ lớp trên xuống lớp dưới cùng thông qua một đường dẫn, định tuyến tín hiệu dưới chướng ngại vật và đưa tín hiệu trở lại nơi cần thiết. Điều này giải phóng mật độ định tuyến một cách đáng kể. Một bảng hai mặt có thể lưu trữ khoảng gấp đôi độ phức tạp của mạch của một bảng một mặt có cùng kích thước, làm cho nó trở thành cơ sở cho hầu hết các thiết bị điện tử tiêu dùng, công nghiệp và ô tô.

Cấu trúc PCB hai mặt: Lớp, Đồng và Chất nền

các PCB hai mặt structure bao gồm năm lớp riêng biệt: lá đồng trên cùng, chất nền điện môi, lá đồng dưới cùng và hai lớp mặt nạ hàn bên ngoài. Chất nền hầu như luôn là FR-4 - hỗn hợp thủy tinh epoxy chống cháy - với độ dày điển hình là 1,6 mm đối với bo mạch tiêu chuẩn, mặc dù lõi mỏng hơn 0,8 mm hoặc 1,0 mm được sử dụng khi không gian chật hẹp. Lá đồng được ép vào cả hai mặt của lõi này dưới nhiệt độ và áp suất. Một tham số thiết kế quan trọng là PCB hai mặt copper thickness , thường được chỉ định là 1 oz/ft² (dày khoảng 35 µm). Đối với thiết bị điện tử công suất hoặc bộ điều khiển động cơ, đồng 2 oz (70 µm) hoặc thậm chí 3 oz (105 µm) được sử dụng để xử lý dòng điện cao hơn mà không có chiều rộng vết quá mức.

các plated through holes that define a PCB hai mặt with plated through holes không phải là những ống đơn giản. Mỗi lỗ được khoan xuyên qua lớp nền và lá đồng, sau đó đồng điện phân được lắng đọng hóa học trên thành lỗ để tạo ra lớp hạt dẫn điện. Mạ đồng điện phân tạo nên độ dày thùng thường 20–25 µm . Thùng này phải tồn tại trong chu trình nhiệt mà không bị nứt; hệ số giãn nở nhiệt không khớp giữa FR-4 (khoảng 14–17 ppm/°C ở trục Z) và đồng (17 ppm/°C) gây áp lực lên thùng thông qua mỗi khi bo mạch trải qua quá trình hàn nóng chảy lại. Một tấm mạ xuyên lỗ được làm tốt có thể chịu được hơn 500 chu kỳ nhiệt trước khi điện trở tăng hơn 10%, theo tiêu chuẩn chấp nhận IPC-6012 Loại 2.

Quy trình sản xuất PCB hai mặt: Từ tấm gỗ trần đến tấm hoàn thiện

các PCB hai mặt manufacturing process tuân theo một trình tự đã được cải tiến để tạo ra các bo mạch đáng tin cậy trên quy mô lớn. Nó bắt đầu bằng việc cắt tấm laminate hai mặt bằng đồng mạ theo kích thước bảng điều khiển. Hoạt động chính đầu tiên là khoan - máy khoan cơ học được điều khiển bằng máy tính tạo ra các lỗ từ 0,2 mm đến 6,35 mm , với đường kính thông thường nhất nằm trong khoảng từ 0,3 mm đến 0,5 mm. Chất lượng thành lỗ sau khi khoan là rất quan trọng; vết bẩn từ mũi khoan có thể phủ lên các cạnh đồng bên trong và cản trở độ bám dính của lớp mạ. Quá trình khử vết bẩn sử dụng hóa chất huyết tương hoặc thuốc tím sẽ loại bỏ cặn này.

Tiếp theo là lắng đọng đồng điện phân làm cho thành lỗ dẫn điện, tiếp theo là mạ panel để tạo thành thùng đồng và tăng độ dày bề mặt đồng một cách đồng đều. Quá trình tạo ảnh áp dụng một chất quang dẫn màng khô cho cả hai mặt, căn chỉnh tác phẩm nghệ thuật trên và dưới bằng cách sử dụng các chốt đăng ký và phơi sáng lớp cản bằng tia UV. Sau khi phát triển và khắc lớp đồng không mong muốn, dấu vết, miếng đệm và lớp bên trong vẫn còn. Sau đó, bo mạch sẽ nhận được một mặt nạ hàn dạng lỏng có thể tạo ảnh - thường có màu xanh lá cây, nhưng bất kỳ màu nào - chỉ để lại các miếng đệm và lỗ thông hơi lộ ra ngoài. Giai đoạn cuối cùng áp dụng lớp hoàn thiện bề mặt: HASL (làm phẳng chất hàn không khí nóng), ENIG (vàng ngâm niken điện phân) hoặc OSP (chất bảo quản hàn hữu cơ), tùy thuộc vào thời hạn sử dụng và quy trình hàn cần thiết. Toàn bộ PCB hai mặt manufacturing process từ tấm gỗ trần đến tấm hoàn thiện có thể được hoàn thành trong 24 đến 72 giờ trong một cơ sở hiện đại, với năng suất trên 98% đối với các thiết kế phức tạp tiêu chuẩn.

Thiết kế PCB hai mặt: Vias, Định tuyến theo dõi và Lựa chọn độ dày đồng

Hiệu quả PCB hai mặt design bắt đầu bằng việc gán lớp. Một chiến lược chung dành lớp trên cùng chủ yếu cho các thành phần và các kết nối ngắn, trong khi lớp dưới cùng đóng vai trò là mặt phẳng mặt đất và kênh định tuyến cho các tín hiệu dài hơn. các PCB hai mặt via connection trở thành công cụ của người thiết kế để di chuyển tín hiệu giữa các mặt phẳng này. Vias nên được đặt gần miếng đệm mà chúng phục vụ, giảm thiểu chiều dài cuống và độ tự cảm, nhưng không quá gần khiến chất hàn bị bấc xuống trong quá trình lắp ráp. Một nguyên tắc chung là đặt cạnh thông qua ít nhất 0,25 mm từ mép đệm cho các thiết kế mật độ tiêu chuẩn.

Lựa chọn thích hợp PCB hai mặt copper thickness là một quyết định về nhiệt và điện, không phải là một sự lựa chọn tùy tiện. Bảng dưới đây tóm tắt công suất dòng điện thực tế đối với các quả nặng bằng đồng thông thường khi nhiệt độ tăng 10°C, dựa trên hướng dẫn IPC-2221 cho các lớp bên ngoài.

Khi chỉ định PCB hai mặt design các thông số, tỷ lệ khung hình của lỗ xuyên qua lớp mạ - độ dày tấm chia cho đường kính lỗ khoan - không được vượt quá 8:1 cho sản xuất tiêu chuẩn . Một tấm ván dày 1,6 mm với vias 0,3 mm mang lại tỷ lệ 5,3:1, thoải mái trong cửa sổ mạ đáng tin cậy. Việc đẩy vượt quá 10:1 sẽ làm tăng nguy cơ tạo ra các lỗ rỗng trong thùng mạ và tăng chi phí vì cần có bể mạ đặc biệt và thời gian xử lý lâu hơn.

Ứng dụng PCB hai mặt trên các thiết bị điện tử tiêu dùng, công nghiệp và ô tô

Ứng dụng PCB hai mặt trải rộng trên hầu hết mọi sản phẩm điện tử có mật độ thành phần vượt quá mức mà một lớp có thể xử lý nhưng ngân sách hoặc không gian vẫn chưa phù hợp với bảng mạch nhiều lớp. Trong thiết bị điện tử tiêu dùng, bo mạch hai mặt là nền tảng của bộ đổi nguồn, bộ nguồn TV, mô-đun điều khiển máy giặt và bộ điều khiển lò vi sóng. Bộ điều khiển thiết bị gia dụng điển hình sử dụng bảng hai mặt với 1,6 mm FR-4, 1 oz copper, and ENIG finish , chứa các bộ vi điều khiển, rơle và đầu nối ở mặt trên trong khi định tuyến các đường điện áp cao ở mặt dưới bằng các khe cách ly.

Trong lĩnh vực ô tô, PCB hai mặt được tìm thấy trong mô-đun điều khiển cửa, bộ điều khiển đèn LED và giao diện cảm biến. Các bo mạch này phải vượt qua các bài kiểm tra sốc nhiệt từ -40°C đến 125°C và PCB hai mặt with plated through holes phải duy trì tính toàn vẹn của thùng qua hàng nghìn chu kỳ nhiệt. Thiết kế ô tô thường chỉ định 2 oz đồng trên các dấu vết điện và yêu cầu lớp phủ phù hợp trên bảng đã lắp ráp. Tương tự, các bộ truyền động động cơ công nghiệp, PLC và các mô-đun thiết bị đo đạc cũng dựa vào các bo mạch hai mặt có đập mặt nạ hàn nặng và đồng dày để xử lý khoảng cách đường rò điện áp cao. Sự đơn giản và độ tin cậy đã được chứng minh của PCB hai mặt structure giữ cho nó phù hợp ngay cả khi HDI và công nghệ đa lớp tiến bộ — nó vẫn là lựa chọn tối ưu hóa chi phí cho bất kỳ mạch nào cần hai lớp tín hiệu và không cần gì hơn.