Tloušťka desek plošných spojů pro 1-6vrstvé desky: normy, oz až mm, tabulka a průvodce výběrem

Zjistěte více o tloušťce desek plošných spojů

Tloušťka desky plošných spojů (PCB) se vztahuje k celkové výšce desky od jejího horního povrchu k spodnímu povrchu. Určuje se pomocí výšky substrátu a dalších vrstev, jako je měď, a také dalších povlaků, jako je pájecí maska ​​a sítotisk. Tloušťka PCB se obvykle měří v milimetrech nebo tisícinách palce (millimetrech).

Nejběžnější tloušťka desky plošných spojů (PCB) je 1.57 mm nebo 62 mil. Její typická tolerance je přibližně ±10 % nebo ±0.1 mm v závislosti na materiálu a vrstvě. Tloušťka 1.57 mm se stala průmyslovým standardem z historických důvodů, kdy se desky plošných spojů vyráběly ručně bez počítačově podporovaných programů. Když elektronika přešla na tranzistorovou technologii a integrované obvody, desky se navrhovaly technikou nepájivých desek na dřevěných stolech a dřevo na horní straně se odstraňovalo a nahrádzalo bakelitovým plastem.

Ačkoli se tloušťka 1.57 mm stala nejčastěji používaným standardem, rozhodně to není jediná alternativa nabízená výrobci, protože existuje široká škála standardních možností tloušťky. Další standardní přírůstky tloušťky se obvykle objevují jako násobky 1 mm nebo 1.5 mm, které jsou také k dispozici ve formě stackup od výrobních společností, včetně výrobců desek plošných spojů. Strojní konstruktéři, kteří používají metrické systémy, zjistí, že kulaté jednotky s násobky 1 mm jsou dobrou volbou pro konstrukční projekty, protože s nimi jsou také spojeny známé tolerance.

Některé typy produktů a návrhů desek plošných spojů nedodržují standardní tloušťky vrstev. Mezi příklady patří flexibilní desky plošných spojů a pevné-flexibilní desky plošných spojů, desky plošných spojů s keramickým jádrem, desky plošných spojů s kovovým jádrem nebo kovovým podkladem, desky plošných spojů s tlustými dielektrickými vrstvami na základních deskách, desky plošných spojů s řadou dielektrik laminovaných dohromady postupně, tištěná elektronika a aditivně vyráběné desky plošných spojů; tyto typy produktů by teoreticky mohly mít jakoukoli tloušťku za předpokladu, že materiál pro jejich výrobu je komerčně dostupný. Na tenčím konci stupnice jsou tištěná elektronika a flexibilní desky plošných spojů, které obvykle používají jako základní materiál tenké substráty. Na opačném konci stupnice jsou základní desky, které mají často velmi velké tloušťky, zejména při použití konektorů dceřiných desek s vysokou hustotou.

Převodní tabulka tloušťky mědi (oz-mm)

Hmotnost mědi při výrobě desek plošných spojů se obvykle udává v uncích. Tloušťka, která se získá nanesením 1 unce (neboli 28.35 gramu) mědi na plochu 1 čtvereční stopy, je 1.37 mil neboli 0.0348 mm. Tato konvence vznikla ze způsobu, jakým dodavatelé měděných fólií označovali své produkty.

Převod mezi hmotností mědi a skutečnou tloušťkou se řídí konzistentním matematickým vztahem napříč všemi hodnotami. Zde je převodní tabulka znázorňující tloušťku mědi v různých měrných jednotkách:

Převod mezi těmito jednotkami vyžaduje jednoduché vzorce. Pro převod tloušťky v mil na hmotnost mědi: Hmotnost mědi (oz) = Tloušťka (mil) / 1.37. Naopak, převod hmotnosti mědi na tloušťku v mil: Tloušťka (mil) = Hmotnost mědi (oz) × 1.37.

Většina desek plošných spojů používá jako standardní specifikaci tloušťku mědi 1 unce. Pokud například potřebujete určit tloušťku 4 unce, vynásobte základní hodnotu 1 unce čtyřmi: 1.37 mil × 4 = 5.48 mil. Tato metoda výpočtu platí pro jakoukoli hodnotu hmotnosti mědi, se kterou se setkáte ve svých návrzích.

Běžná standardní tloušťka desek plošných spojů

Průmyslové specifikace definují rozsahy tloušťky na základě počtu vrstev desek plošných spojů. Ačkoli se tloušťka 1.57 mm i nadále široce používá bez ohledu na počet vrstev, různé desky mají své vlastní rozsahy tloušťky.

Tloušťka jednovrstvé desky plošných spojů

Jednovrstvá deska plošných spojů má omezený počet možností materiálu jádra, což vytváří omezené možnosti, pokud jde o tloušťku desky. Deska plošných spojů s velmi nízkou tloušťkou bude mít pouze jednu vrstvu jádra, proto bude moci mít maximálně dvě měděné vrstvy. U většiny desek plošných spojů bude minimální dosažitelná tloušťka plošných spojů 0.2 mm. Ultratenké aplikace však mohou rozšířit možnosti výroby ještě tenčích desek.

Tloušťka 2vrstvé desky plošných spojů

Nejběžnější tloušťky dvouvrstvých desek plošných spojů (PCB) jsou mezi 0.6 a 1.6 mm, ačkoli lze je vyrobit i v silnějších variantách, jako je 2.0 mm a 2.4 mm. Většina substrátů PCB bude mít konečnou tloušťku 1.6 mm (0.063 palce) pro dvou-, čtyř- a šestivrstvé desky. Typická dvouvrstvá deska s konečnou tloušťkou 0.062" až 0.063" má jádro o tloušťce 0.057" a měděnou fólii na vnějších vrstvách, z nichž každá má tloušťku 0.0014".

Tloušťka 4vrstvé desky plošných spojů

Čtyřvrstvé vrstvy se obvykle pohybují mezi 0.8 mm a 2.4 mm. Standardní tloušťka je stále 1.6 mm, ačkoli se široce používá 1.2 mm. V typické čtyřvrstvé vrstvě o tloušťce 1.6 mm může mít jádrová vrstva tloušťku přibližně 0.8 mm až 1.0 mm, přičemž zbývající tloušťku tvoří dvě vrstvy prepregu (např. 0.4 mm + 0.4 mm nebo 0.3 mm + 0.3 mm). Například u vrstvy o tloušťce 0.062" může být použito buď jádro o tloušťce 0.037" se dvěma vrstvami prepregu o tloušťce 0.0091", nebo jádro o tloušťce 0.047" se dvěma vrstvami prepregu o tloušťce 0.0075". Skutečné tloušťky se liší v závislosti na hmotnosti mědi, impedanci a možnostech výrobce.

Tloušťka 6vrstvé desky plošných spojů

Tloušťka šestivrstvé desky plošných spojů (PCB) se obvykle pohybuje od 0.8 mm do 3.2 mm, přičemž nejčastěji používaným standardem je 1.6 mm. Různé tloušťky vyhovují různým aplikacím: 0.8 mm až 1.0 mm pro tenká a lehká zařízení, jako jsou notebooky a tablety; 1.2 mm pro kompaktní pouzdra a moduly; 1.6 mm pro univerzální desky; 2.0 mm pro vyšší mechanickou pevnost nebo těžší součástky; a 2.4 mm pro aplikace vyžadující extra tuhost nebo izolaci vysokého napětí. Tolerance tloušťky desek plošných spojů se obecně řídí průmyslovými standardy: ±10 % pro desky o tloušťce 1.0 mm a silnější a ±0.1 mm pro desky tenčí než 1.0 mm. I když tenčí desky spotřebují méně materiálu, ne vždy stojí méně. Extrémně tenké desky (např. pod 0.8 mm) vyžadují přísnější kontrolu procesu a mají vyšší míru zmetkovitosti, což může zvýšit náklady. Běžné tloušťky, jako je 1.0 mm a 1.2 mm, jsou však obvykle cenově dostupné jako standardní tloušťka 1.6 mm.

Důležitost tloušťky desky plošných spojů

Výběr vhodné tloušťky ovlivňuje řadu konstrukčních rozměrů nad rámec základních mechanických aspektů. Volba tloušťky se kaskádovitě promítá do elektrických, tepelných a výrobních proměnných.

Výkon zařízení

Integrita signálu se také stává stále citlivější na tloušťku při práci s vysokými rychlostmi. Silné desky zajišťují větší rozteč mezi vrstvami a řízení impedance. Nutnost rovnoměrné impedance, obvykle 50 ohmů, při práci s vysokými rychlostmi je důležitá pro zamezení odražených vln a poškození dat. Nesoulad impedance vyplývá ze změn dielektrické tloušťky, což vede ke zkreslení signálu.

Vlastnosti související s mechanickou stabilitou se drasticky liší v závislosti na tloušťce. Zvětšená tloušťka desek plošných spojů zvyšuje jejich strukturální pevnost, což z nich činí ideální volbu pro výrobu desek s většími rozměry, pro spoje vyžadující neustálé vkládání a pro extrémní provozní podmínky běžné v automobilovém, průmyslovém a leteckém průmyslu. Tenké desky plošných spojů nabízejí větší flexibilitu a nízkou hmotnost, a proto se používají při výrobě malých zařízení a flexibilních/tuhých desek. Zatímco tloušťka 1.6 mm nabízí stabilitu proti ohybu, tenké desky mohou bez ochrany snadno prasknout.

Výrobní proces

Standardní desky plošných spojů (PCB) o tloušťce 1.6 mm jsou stále nejlevnější a nejrychlejší na výrobu; desky plošných spojů o zakázkové tloušťce zvyšují náklady a dobu obratu výroby. Silnější desky plošných spojů vyžadují přesnější nástroje pro vrtání otvorů pro prostupy a průchozí otvory. Nejednotné tloušťky panelů nebo hodnoty mimo očekávané tolerance vytvoří nerovnoměrný tlak na desky během laminace, což povede buď k oddělení laminací, nebo ke špatnému mezivrstvému ​​lepení. Profily pájení reflow musí být upraveny s ohledem na rozdíly v tloušťce mezi deskami plošných spojů; například podmínky reflow pro desku plošných spojů o tloušťce 2.0 mm budou vyžadovat delší dobu předehřívání než pro desku plošných spojů o tloušťce 1.0 mm.

Rozptyl tepla

Silnější desky odvádějí více tepla, což prospívá aplikacím ve výkonové elektronice. Deska o tloušťce 2.0 mm může snížit teplotu součástek ve srovnání s tenčími alternativami, za předpokladu, že ostatní faktory zůstanou konstantní. Tloušťka mědi přímo koreluje s tepelným výkonem. Zvýšení tloušťky vnitřní vrstvy mědi z 1 g na 2 g může snížit nárůst teploty z 50 °C na 30–35 °C nad okolní teplotu u součástek rozptylujících energii.

Charakteristiky a aplikace různých tloušťek desek plošných spojů

Různé kategorie tloušťky slouží různým požadavkům na aplikaci na základě prostorových omezení, energetických nároků a podmínek prostředí.

Ultratenká deska plošných spojů

Ultratenké desky se vyrábějí o tloušťce 0.2–0.4 mm s použitím flexibilních materiálů, jako jsou polyimidy. Díky tomu zajišťují nejvyšší možnou úroveň flexibility. Ultratenké desky jsou ideální pro použití v nositelné elektronice, zdravotnických prostředcích a mikroelektronice, protože zabírají malou plochu. Některé desky mají tloušťku pouze 0.1 mm. Chytré telefony, tablety a nositelná elektronika shledají ultratenké desky výhodnými pro úsporu místa a nízkou hmotnost. Například v chytrých hodinkách jsou jejich desky vyrobeny z tloušťky 0.4 mm. Podobně se tenké desky používají i v zdravotnických prostředcích a diagnostických zařízeních při montáži do katétrů, kardiostimulátorů a endoskopů. Tenké desky však mohou být náchylné k ohybovému tlaku.

Tenké desky plošných spojů střední třídy

Střední tloušťky od 1.0 mm do 1.2 mm jsou vhodné pro aplikace vyžadující střední odolnost a počet vrstev 4–6. Tyto desky se často používají v průmyslových řídicích a komunikačních zařízeních. Nabízejí lepší mechanickou stabilitu ve srovnání s tenčími variantami a zároveň si zachovávají rozumnou kompaktnost.

Silnější PCB

Silné měděné desky plošných spojů (PCB) mají tloušťku mědi od 100 do 500 μm nebo více, což je definováno jako desky s tloušťkou mědi 70 μm (2 oz) nebo více. Tyto desky vynikají v systémech správy automobilových baterií, měničích napájení, střídačích, letecké avionice, solárních střídačích a průmyslové automatizaci. Díky vysoké proudové kapacitě a efektivnímu odvodu tepla jsou vhodné pro systémy obnovitelných zdrojů energie a vysoce výkonné výpočty v datových centrech.  

O PCBasicu

Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.

Klíčové faktory ovlivňující tloušťku desek plošných spojů

Konečné rozměry desky se určují kombinací několika technických proměnných. Pochopení toho, jak každá součástka přispívá, vám pomůže činit informovaná rozhodnutí o návrhu.

Konfigurace vrstvení vrstev

Architektura vrstveného materiálu určuje, jak budou jádra, měděné vrstvy a prepregy sestaveny. Mezi těmito dvěma provedeními, čtyřvrstvým asymetrickým a symetrickým, může být rozdíl v tloušťce desky i stabilitě poměrně velký.

Číslo vrstvy

Další vrstvy zvětšují celkové rozměry. Každá přidaná vrstva vyžaduje další jádro nebo prepreg, což přímo zvětšuje celkovou tloušťku. Přechod ze 2 na 4 vrstvy obvykle přidává 0.4 mm až 0.8 mm.

Tloušťka substrátu

Jádrový materiál tvoří základ vaší desky. Substráty FR-4 se dodávají v různých tloušťkách, přičemž každý výrobce nabízí specifické možnosti, které omezují celkový výběr tloušťky.

Tloušťka prepregu

Po laminování pomáhají vrstvy prepregu slepit jádra k sobě. Prepregy se dodávají v mnoha různých tloušťkách, což umožňuje jemně doladit vzdálenost mezi měděnými vrstvami a tím řídit impedanci.

Tloušťka pájecí masky

Pájecí maska ​​obvykle vede k přidání 0.5-1.0 mil na každou stranu. I když je toto množství velmi malé, jedná se o povlak, který přispívá k konečným rozměrům, takže je třeba jej zahrnout do výpočtu tolerancí.

Tloušťka mědi PCB

Hmotnost mědi ovlivňuje celkové rozměry. Standardní měď o hmotnosti 1 g přidává 1.37 mil na vrstvu, zatímco měď o hmotnosti 2 g tento příspěvek zdvojnásobuje, což má odpovídající vliv na celkovou tloušťku.

Požadavky na signál a impedanci

Provoz vysokorychlostního signálu bude vyžadovat specifické rozestupy mezi dielektrickými vrstvami, aby se udržela minimální hodnota impedance specifikovaná každou signální vrstvou. Minimální potřebný rozestup mezi signální plochou a referenčními rovinami bude často diktován těmito požadavky.

Provozní prostředí

Robustní mechanické vlastnosti jsou často spojovány se zvýšenou tloušťkou materiálu kvůli nutnosti odolávat drsnému prostředí, zatímco přenosná elektronika vyžaduje tenčí materiály pro snížení hmotnosti a optimalizaci prostoru.

Omezení specifická pro návrh

Existují však určité návrhy desek plošných spojů, které představují svá vlastní omezení ovlivňující volbu tloušťky. Omezení, jako je výška použitých součástek, konektory a typ použitého propojení (slepé, zapuštěné atd.), mohou omezit rozsah možných tlouštěk. Navíc některé návrhy, kde je vyžadována vyšší hustota součástek, mohou vyžadovat tenčí desky plošných spojů, zatímco ty s objemnějšími součástkami by vyžadovaly tlustší.

Problémy s tloušťkou desek plošných spojů

Výroba desek mimo tolerance specifikací vytváří problémy, které sahají nad rámec jednoduchých rozměrových chyb. Deformace a cenové dopady představují hlavní překážky, kterým čelí konstruktéři a výrobci.

Problémy s deformací

Deformace označuje ohýbání a kroucení desek z jejich přirozeného rovného tvaru. Hlavním důvodem tepelného namáhání vznikajícího během různých výrobních činností, jako je pájení a vytvrzování, jsou rozdílné rychlosti roztažnosti materiálu. V případě pájení reflow prováděného při 260 °C vytváří rozdíl v materiálech použitých pro substráty FR-4 vnitřní napětí v důsledku různých rychlostí roztažnosti. Nerovnováha v mědi může také vést k další deformaci, protože strana s větším obsahem mědi vytváří různé rychlosti roztažnosti.

Jakákoli forma deformace významně ovlivňuje výrobní proces. I když se na desce o šířce 100 mm vyskytne deformace pouze o velikosti 0.1 mm, bude obtížné vyrobit pájené spoje a nelze smontovat správné součástky. U součástek BGA jakékoli deformace přesahující 0.75 % úhlopříčky desky vede k montážním vadám. Automatizované stroje typu Pick-and-place potřebují rovné povrchy, a proto jakákoli forma deformace vede k nesprávnému zarovnání součástek.

Tolerance a skryté náklady

Odchylka od požadované tolerance tloušťky má za následek vysoké finanční náklady. Neshoda z hlediska kvality vede ke zvýšeným nákladům na práci a materiál. Pokud se vyrobí 100 kusů za 500 dolarů a polovina je kvůli toleranci odmítnuta, pak se náklady na výrobu každého kusu fakticky zdvojnásobí. Neshoda může způsobit zpoždění výrobní linky v odvětvích, jako je automobilový nebo letecký průmysl, což má za následek pokuty. Projekty, které mohou zpočátku stát 10 000 dolarů, mohou nakonec stát 15 000 dolarů.

Ignorování tolerancí povede ke snížení výtěžnosti. Výtěžnost pro běžný výrobní proces je obvykle kolem 95 %, zatímco ignorování tolerancí ji sníží až na 80 %. Například u projektů zahrnujících výrobu 1 000 kusů by snížení výtěžnosti o 15 % snížilo výtěžnost o 150 kusů.

Jak vybrat vhodnou tloušťku desky plošných spojů

Vyvažování konkurenčních konstrukčních požadavků vyžaduje metodický proces výběru. Dodržování strukturovaného přístupu zajišťuje, že zvolená tloušťka podporuje jak výkonnostní cíle, tak i výrobní realitu.

Definování požadavků na aplikaci a výkon

Nejprve určete specifikace výkonu, případ použití a zatížení požadované pro součástky vaší desky. Pro spotřební elektroniku by bylo lepší použít 1.6 mm, protože nabízí dobrou rovnováhu mezi výrobní efektivitou a odolností. Vysoce výkonné aplikace vyžadují silnější měď, například 2 unce nebo více, aby se zajistil efektivní odvod tepla. Na druhou stranu, vysokofrekvenční aplikace vyžadují tenké desky plošných spojů pro zvýšení rychlosti a snížení přenosových ztrát.

Vyhodnoťte specifikace součástí a sestav

Konektory na hraně desky vyžadují pro konkrétní modely konektorů určitou tloušťku. Konektor nebude mít významný vliv na rozvržení, ale úpravy musí zohlednit změny na samotné desce. Ověřte kompatibilitu s automatizovaným montážním zařízením, protože některé linky mají omezení ohledně tloušťky desky.

Posouzení integrity a impedance signálu

Tloušťka desky plošných spojů může ovlivnit impedanci vodičů, což je důležitý faktor u vysokorychlostních (neboli RF) zařízení. Dielektrický materiál může pomoci zlepšit integritu signálu, ale silnější dielektrikum bude vyžadovat širší vodiče, aby se udržela kontrolovaná impedance.

Zkontrolujte vyrobitelnost a normy

Typické tloušťky, jako je 1.0 mm a 1.6 mm, zpracovává většina výrobních závodů bez problémů. Ultratenké desky menší než 0.40 mm a extra silné desky větší než 2.0 mm však mohou vyžadovat specializované stroje. Proto je tloušťka 1.60 mm nejhospodárnější variantou, protože je běžně dostupná a lze ji vyrábět na efektivní výrobní lince.

Optimalizujte náklady a dodací lhůty

Standardní tloušťky vyžadují kratší dodací lhůtu, protože materiál je snadno dostupný. Nestandardní tloušťky vedou k vyšším nákladům na materiál a mohou dokonce znamenat určité náklady na přípravu. Doporučuje se zachovat standardní tloušťky, aby se předešlo zbytečným výdajům.

Závěr

Volba tloušťky desky plošných spojů (PCB) ovlivní všechny aspekty procesu návrhu, včetně výkonu signálu, tepelného výkonu, výrobních nákladů a efektivity montáže. Jak jsme viděli výše, tloušťka 1.6 mm je pro většinu aplikací dostatečná a zároveň umožňuje flexibilitu, když to vyžadují jiné podmínky. Volba tloušťky desky plošných spojů musí vždy zahrnovat vyvážení výkonnostních kritérií s výrobními kritérii. Je třeba zvážit faktory, jako je prostředí aplikace, typy součástek a požadavky na impedanci. Pro aplikace s vysokým výkonem fungují dobře silnější měděné vrstvy, zatímco u zařízení s omezeným prostorem jsou preferovány tenčí desky.

Nejčastější dotazy

Jaká je standardní tloušťka PCB?

Nejčastěji používaná tloušťka substrátů FR-4 je 1.6 mm (kolem 62 mil). Použití této specifikace je poměrně běžné v případě spotřební elektroniky, technologií chytré domácnosti a řídicích systémů v průmyslu.

Kdy bych si měl/a zvolit ultratenkou desku plošných spojů pod 0.6 mm?

Ultratenké desky plošných spojů lze použít tam, kde je omezený prostor nebo hmotnostní omezení, například v chytrých telefonech, tabletech, nositelných zařízeních, noteboocích, bezpilotních letounech a robotice. Nevýhodou však je, že nenabízejí dostatečnou mechanickou pevnost, aby odolaly těžkým součástkám.

Ovlivňuje tloušťka desky plošných spojů cenu?

Ano, zvyšující se tloušťka desek plošných spojů obecně zvyšuje náklady kvůli vyšší spotřebě materiálu a složitosti výroby.

Mohu si libovolně zvolit nestandardní tloušťku?

Nestandardní tloušťky vyžadují vlastní vrstvení, což může snížit výtěžnost a zvýšit náklady. Před specifikací jakékoli tloušťky se vždy doporučuje ověřit vyrobitelnost u výrobce desek plošných spojů.

Jaká je typická tolerance tloušťky desky plošných spojů?

Tolerance povolená většinou výrobců desek plošných spojů pro standardní tloušťku je ±10 %. Pokud je tloušťka extrémně tenká (<0.6 mm), pak by povolená tolerance byla přibližně ±0.075 mm.

Jakou tloušťku bych měl/a zvolit pro konektory na okrajích karet?

Pokud není v datovém listu konektoru uvedeno jinak, obvykle se doporučuje tloušťka 1.57–1.6 mm, protože zajišťuje správný kontakt a výkon při zasouvání.