При проектировании печатной платы ее толщина обычно принимается как одно из типовых значений, таких как 0,2 мм, 0,8 мм, 1,55 мм, 2,4 мм и так далее. Но реальность такова, что практически никогда не получим печатную плату именно с таким размером. Давайте рассмотрим причины такого, сколько факторов влияет на конечную толщину платы, какие допуски можно ожидать, где проводятся измерения и как правильно спланировать проект.
Мы привыкли говорить о слоях печатной платы с точки зрения маршрутизации: верхний, нижний, внутренний и так далее. Но между ними, сверху и снизу, есть множество других «слоев»: сердцевины, медная фольга и ее отделка, паяльная маска, слой описания трафаретной печати и другие, которые тоже влияют на конечную толщину. Двухслойная плата проста тем, что имеет основу (обычно FR-4) с двумя медными слоями фольги сверху и снизу. Такую плату получают в виде готового материала, и ее толщина широко известна. Но по мере добавления внутренних слоев меди ситуация усложняется.
Чтобы облегчить дальнейшее обсуждение, давайте сначала определим три различных толщины:
- Номинальная: это дискретное значение, начинающееся, например, с 1,0 мм, 1,55 мм, 3,2 мм и так по порядку. В результате получается продукт с параметрами в пределах некоего значения.
- Расчетная: это толщина платы, рассчитанная путем сложения ожидаемых толщин всех отдельных слоев, составляющих основу. В расчетах можно принять во внимание, как материалы расширяются или сжимаются в процессе производства. Данная цифра включает верхний и нижний текстолит, а также верхний и нижний слои меди, но не включает металлическое покрытие, гальваническое покрытие, отделку, паяльную маску и трафаретную печать.
- Измеренная: это измеренная толщина изготовленной платы от верхнего до нижнего предела текстолита плюс толщина верхней и нижней медной фольги. Сюда не входят покрытие, отделка, паяльная маска и трафаретная печать описания.
Наивно полагать, что знание толщины элементов позволяет легко спрогнозировать толщину готовой платы, а еще лучше контролировать ее конечную толщину, чтобы она была ближе к номинальному значению. Это довольно сложно. Во-первых, допуски по толщине материалов, которые производитель печатных плат закупает у поставщиков, составляют примерно 10% (поэтому плата толщиной 1,55 мм может иметь толщину от 1,4 до 1,7 мм). Во-вторых, фактическая толщина печатной платы зависит от конструкции.
Кроме того, даже если толщина медной фольги известна, ее нанесение на текстолит и дальнейшие операции, такие как металлизация и гальваника, изменят ее значение. Именно по этой причине при измерении выдаются два значения (текстолит и медь), а не один комбинированный параметр.
Расчет толщины печатной платы
Расчетная толщина зависит от конструкции. Возьмем, к примеру, 6-слойную плату толщиной 1,55 мм. В «Редакторе сборки» видим, что доступно более 20 возможных версий толщиной от 1,47 мм до 1,82 мм! В этом есть смысл: если выберем более толстую медную фольгу, общая толщина платы увеличится. Таким образом, версия 1,82 мм примерно на 17% толще версии 1,55 мм. Это очень много, и с учетом допусков материалов и производственного процесса, то есть упомянутых 10%, которые являются стандартом для всей отрасли, дает реальный диапазон толщины от 1,64 мм до 2 мм.
Но и это еще не все. Обратите внимание, что приведенные выше окончательные значения не учитывают покрытие (металлизацию), паяльную маску и трафаретную печать описания элементов. Вместе эти операции могут увеличить толщину платы до 0,125 мм с каждой стороны, поэтому придется добавить к размеру платы 0,25 мм. Это означает, что в зависимости от отделки и поверхности, на которой мы проводим измерения, толщина печатной платы может превышать 2,2 мм!
Приведенный пример иллюстрирует три основные проблемы. Во-первых, номинальная толщина платы — это всего лишь обозначение и приближение набора возможных толщин. Во-вторых, мы можем получить от производителя плату, которая по толщине будет существенно отличаться от номинальной. И наконец, толщина зависит от того, какие особенности присутствуют в месте измерения.
Контроль толщины
Возникает резонный вопрос: почему бы не использовать материалы которые максимально приблизит расчетную толщину к желаемому номинальному значению? Есть две основные причины, почему это непрактично.
- Во-первых, более тонкие основы являются хрупкими и их гораздо труднее обрабатывать. Использование тонкого может привести к более частому расслоению. Вот почему почти всегда используют два слоя.
- Во-вторых, они имеют ограниченный срок хранения – порядка нескольких месяцев – поэтому хранение материалов разной толщины может быть дорогостоящим и привести к потерям.
Поддержание запасов небольшого количества «стандартных» наиболее популярных толщин, которые могут составлять большинство желаемых слоев, является экономически эффективным и обеспечивает хорошую доступность, поскольку их можно приобрести у многих поставщиков.
Подведем итоги
Номинальная толщина платы часто представляет собой просто число на этикетке продукта. Расчетная толщина представляет собой сумму номинальных толщин каждого слоя, образующего структуру подложки (текстолита и меди). Измеренная толщина представляет собой фактическую толщину текстолита плюс внешнюю толщину медной фольги. Толщина платы не включает металлизированное покрытие, отделку, паяльную маску и описание. Большинство производителей печатных плат закладывают допуск в 10% от расчетной толщины.
