Толщина печатных плат для 1-6-слойных плат: стандарты, таблица перевода из унций в миллиметры и руководство по выбору.

Узнайте о толщине печатной платы.

Толщина печатной платы — это общая высота платы от верхней до нижней поверхности. Она определяется с учетом высоты подложки и других слоев, таких как медь, а также других покрытий, таких как паяльная маска и шелкография. Толщина печатной платы обычно измеряется в миллиметрах или милах (тысячных долях дюйма).

Наиболее распространенная толщина печатной платы составляет 1.57 мм или 62 мил. Типичный допуск составляет около ±10% или ±0.1 мм, в зависимости от материала и структуры слоев. Толщина 1.57 мм стала отраслевым стандартом по историческим причинам, когда печатные платы изготавливались вручную без использования программ автоматизированного проектирования. Когда в электронике перешли к использованию транзисторных технологий и интегральных схем, платы стали проектироваться на макетных платах на деревянных столах, при этом верхняя деревянная поверхность была удалена и заменена бакелитовым пластиком.

Хотя толщина 1.57 мм стала наиболее распространенным стандартом, это, безусловно, не единственный вариант, предлагаемый производителями, поскольку существует широкий спектр стандартных вариантов толщины. Другие стандартные шаги изменения толщины обычно обозначаются кратными 1 мм или 1.5 мм, которые также доступны в виде многослойных структур у компаний-производителей, включая производителей печатных плат. Инженеры-конструкторы, использующие метрическую систему, обнаружат, что круглые единицы с шагом 1 мм являются хорошим выбором для проектов, поскольку они также имеют привычные допуски.

Некоторые типы изделий и конструкции печатных плат не соответствуют стандартным толщинам слоев. Примерами являются гибкие и жестко-гибкие печатные платы, печатные платы с керамическим сердечником, печатные платы с металлическим сердечником или металлической подложкой, печатные платы с толстыми диэлектрическими слоями на подложках, печатные платы с многочисленными диэлектриками, ламинированными последовательно, электроника, изготовленная с помощью печатных чернил, и печатные платы, изготовленные методом аддитивного производства; теоретически эти типы изделий могут иметь любую толщину, при условии, что материал для их изготовления доступен на рынке. На более тонком конце шкалы находятся электроника, изготовленная с помощью печатных чернил, и гибкие печатные платы, которые обычно используют тонкие подложки в качестве основного материала. На противоположном конце шкалы находятся подложки, которые часто имеют очень большую толщину, особенно при использовании разъемов на дочерних платах высокой плотности.

Таблица пересчета толщины медного покрытия (унции-мм)

Вес меди при производстве печатных плат обычно указывается в унциях. Толщина, которая получается при распределении 1 унции (или 28.35 грамма) меди на площади 1 квадратный фут, составляет 1.37 мил или 0.0348 мм. Это обозначение возникло из-за того, как поставщики медной фольги называли свою продукцию.

Преобразование веса меди в фактическую толщину подчиняется единой математической зависимости для всех значений. Ниже приведена таблица перевода, показывающая толщину меди в различных единицах измерения:

Для преобразования этих измерений в толщину в милах используются простые формулы. Чтобы перевести толщину в милах в вес меди: Вес меди (унции) = Толщина (мили) / 1.37. И наоборот, чтобы перевести вес меди в толщину в милах: Толщина (мили) = Вес меди (унции) × 1.37.

В большинстве печатных плат стандартной спецификацией является толщина меди в 1 унцию. Например, если вам нужно определить толщину в 4 унции, умножьте базовое значение в 1 унцию на четыре: 1.37 мил × 4 = 5.48 мил. Этот метод расчета применим к любому значению толщины меди, которое вы встретите в своих проектах.

Стандартная толщина печатной платы

В отраслевых стандартах диапазоны толщины определяются в зависимости от количества слоев печатной платы. Хотя толщина 1.57 мм по-прежнему широко используется независимо от количества слоев, для разных плат существуют свои диапазоны толщины.

Толщина однослойной печатной платы

Однослойная печатная плата имеет ограниченное количество вариантов основного материала, что ограничивает выбор толщины платы. Печатная плата очень малой толщины будет иметь только один основной слой; следовательно, она может содержать максимум два слоя меди. Для большинства печатных плат минимальная достижимая толщина составляет 0.2 мм. Однако в сверхтонких приложениях можно создавать еще более тонкие платы.

Толщина 2-слойной печатной платы

Наиболее распространенная толщина двухслойных печатных плат составляет от 0.6 до 1.6 мм, хотя они также могут быть изготовлены и более толстыми, например, 2.0 мм и 2.4 мм. Большинство подложек печатных плат имеют конечную толщину 1.6 мм (0.063 дюйма) для двух-, четырех- и шестислойных плат. Типичная двухслойная плата с конечной толщиной от 0.062 до 0.063 дюйма имеет сердцевину толщиной 0.057 дюйма и медную фольгу на внешних слоях толщиной 0.0014 дюйма каждый.

Толщина 4-слойной печатной платы

Толщина четырехслойных структур обычно составляет от 0.8 до 2.4 мм. Стандартная толщина по-прежнему составляет 1.6 мм, хотя широко используется и 1.2 мм. В типичной четырехслойной структуре толщиной 1.6 мм основной слой может иметь толщину от 0.8 до 1.0 мм, а оставшаяся толщина состоит из двух слоев препрега (например, 0.4 мм + 0.4 мм или 0.3 мм + 0.3 мм). Например, в структуре толщиной 0.062 дюйма может использоваться либо основной слой толщиной 0.037 дюйма с двумя слоями препрега толщиной 0.0091 дюйма, либо основной слой толщиной 0.047 дюйма с двумя слоями препрега толщиной 0.0075 дюйма. Фактическая толщина варьируется в зависимости от плотности меди, импеданса и возможностей производства.

Толщина 6-слойной печатной платы

Толщина 6-слойной печатной платы обычно составляет от 0.8 мм до 3.2 мм, при этом наиболее распространенным стандартом является 1.6 мм. Различная толщина подходит для разных применений: от 0.8 мм до 1.0 мм для тонких и легких устройств, таких как ноутбуки и планшеты; 1.2 мм для компактных корпусов и модулей; 1.6 мм для плат общего назначения; 2.0 мм для более высокой механической прочности или более тяжелых компонентов; и 2.4 мм для применений, требующих дополнительной жесткости или высоковольтной изоляции. Допуски по толщине печатных плат обычно соответствуют отраслевым стандартам: ±10% для плат толщиной 1.0 мм и более и ±0.1 мм для плат тоньше 1.0 мм. Хотя более тонкие платы используют меньше материала, они не всегда стоят дешевле. Чрезвычайно тонкие платы (например, менее 0.8 мм) требуют более жесткого контроля процесса и имеют более высокий процент брака, что может увеличить стоимость. Однако, цены на материалы распространенной толщины, такие как 1.0 мм и 1.2 мм, обычно такие же, как и на стандартные 1.6 мм.

Важность толщины печатной платы

Выбор подходящей толщины влияет на множество параметров конструкции, выходящих за рамки основных механических соображений. Выбранная вами толщина, в свою очередь, влияет на электрические, тепловые и производственные параметры.

Характеристики устройств

При работе на высоких скоростях целостность сигнала также становится все более чувствительной к толщине. Толстые платы обеспечивают большее расстояние между слоями и влияют на управление импедансом. Необходимость равномерного импеданса, обычно составляющего 50 Ом, при работе на высоких скоростях важна для предотвращения отраженных волн и искажения данных. Несоответствие импедансов возникает из-за изменений толщины диэлектрика, что приводит к искажению сигнала.

Свойства, связанные с механической стабильностью, сильно различаются в зависимости от толщины. Увеличение толщины печатных плат повышает их структурную прочность, что делает такие платы идеальными для производства плат больших размеров, соединений, требующих постоянной установки, и экстремальных условий эксплуатации, характерных для автомобильной, промышленной и аэрокосмической отраслей. Тонкие печатные платы обладают большей гибкостью и малым весом, поэтому используются при производстве небольших устройств и гибких/жестких плат. Хотя толщина 1.6 мм обеспечивает устойчивость к изгибу, тонкие платы без защиты могут легко треснуть.

Производственный процесс

Стандартные печатные платы толщиной 1.6 мм по-прежнему являются самыми недорогими и быстрыми в изготовлении; изготовление плат нестандартной толщины увеличивает стоимость и время выполнения заказа. Для более толстых печатных плат требуется более точный инструмент для сверления отверстий под переходные и сквозные отверстия. Неравномерная толщина панелей или значения, выходящие за пределы ожидаемых допусков, создадут неравномерное давление на платы во время ламинирования, что приведет либо к расслоению ламината, либо к плохому межслойному клеевому соединению. Профили пайки оплавлением должны быть скорректированы с учетом разницы в толщине печатных плат; например, условия оплавления для печатной платы толщиной 2.0 мм потребуют более длительного периода предварительного нагрева, чем для печатной платы толщиной 1.0 мм.

рассеивание тепла

Более толстые платы рассеивают больше тепла, что полезно для силовой электроники. Плата толщиной 2.0 мм может снизить температуру компонентов по сравнению с более тонкими аналогами, при условии, что другие факторы остаются неизменными. Толщина меди напрямую коррелирует с тепловыми характеристиками. Увеличение толщины внутреннего слоя меди с 1 унции до 2 унций может снизить повышение температуры с 50°C до 30-35°C выше температуры окружающей среды в компонентах, рассеивающих мощность.

Характеристики и области применения печатных плат различной толщины

Различные категории толщины удовлетворяют различным требованиям применения, зависящим от ограничений по площади, потребностей в электроэнергии и условий окружающей среды.

Сверхтонкая печатная плата

Сверхтонкие платы изготавливаются толщиной 0.2–0.4 мм из гибких материалов, таких как полиимиды. В результате обеспечивается максимально возможная гибкость. Сверхтонкие платы идеально подходят для использования в носимых устройствах, медицинских приборах и микроэлектронике, поскольку занимают очень мало места. Толщина некоторых плат составляет всего 0.1 мм. В смартфонах, планшетах и ​​носимых устройствах сверхтонкие платы полезны для экономии места и снижения веса. Например, в умных часах используются платы толщиной 0.4 мм. Аналогично, в медицинских приборах и диагностическом оборудовании тонкие платы используются при установке катетеров, кардиостимуляторов и эндоскопов. Однако тонкие платы могут быть уязвимы к изгибающему давлению.

Тонкие печатные платы среднего ценового сегмента

Платы средней толщины от 1.0 до 1.2 мм подходят для применений, требующих умеренной прочности и количества слоев от 4 до 6. Такие платы часто используются в системах промышленного управления и коммуникационных устройствах. Они обеспечивают улучшенную механическую стабильность по сравнению с более тонкими вариантами, сохраняя при этом разумную компактность.

Более толстые печатные платы

Толстые медные печатные платы имеют толщину медного слоя от 100 до 500 мкм и более, что определяется как платы с толщиной медного слоя 70 мкм (2 унции) и более. Эти платы отлично подходят для автомобильных систем управления батареями, преобразователей питания, инверторов, аэрокосмической авионики, солнечных инверторов и промышленной автоматизации. Высокая токовая нагрузка и эффективное рассеивание тепла делают их подходящими для систем возобновляемой энергии и высокопроизводительных вычислений в центрах обработки данных.  

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCBasic  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Ключевые факторы, влияющие на толщину печатной платы.

В совокупности множество инженерных переменных определяют окончательные размеры платы. Понимание вклада каждого компонента помогает принимать обоснованные проектные решения.

Конфигурация многослойной структуры

Архитектура многослойной структуры определяет способ сборки сердечников, медных слоев и препрега. Разница в толщине и стабильности печатной платы между двумя конструкциями — асимметричной и симметричной 4-слойной — может быть весьма значительной.

Номер слоя

Дополнительные слои увеличивают общие габариты. Каждый добавленный слой требует дополнительного сердечника или препрегового материала, что напрямую увеличивает общую толщину. Переход от 2 к 4 слоям обычно добавляет от 0.4 до 0.8 мм.

Толщина подложки

Основной материал образует основу вашей платы. Подложки FR-4 выпускаются различной толщины, при этом каждый производитель предлагает свои варианты, которые ограничивают ваш выбор общей толщины.

Толщина препрега

При ламинировании слои препрега способствуют склеиванию сердечников. Препреги предлагаются различной толщины, что позволяет точно регулировать расстояние между медными слоями, тем самым контролируя импеданс.

Толщина паяльной маски

Нанесение защитной маски для пайки обычно приводит к увеличению толщины на 0.5-1.0 мил с каждой стороны. Хотя это очень небольшая величина, это покрытие, которое влияет на конечные размеры, поэтому его необходимо учитывать при расчете допусков.

Толщина меди печатной платы

Вес меди влияет на общие размеры. Стандартный слой из 1 унции меди добавляет 1.37 мил на слой, тогда как слой из 2 унций меди удваивает этот вклад, соответственно влияя на общую толщину.

Требования к сигналу и импедансу

Для высокоскоростной передачи сигналов требуется определенное расстояние между диэлектрическими слоями для поддержания минимального значения импеданса, заданного каждым сигнальным слоем. Зачастую минимальное расстояние между сигнальной областью и опорными плоскостями определяется этими требованиями.

Условия эксплуатации

Надежные механические характеристики часто связаны с увеличением толщины материала из-за необходимости выдерживать суровые условия окружающей среды, в то время как портативная электроника требует более тонких материалов для снижения веса и оптимизации пространства.

Ограничения, специфичные для конкретного проекта.

Однако существуют определенные конструкции печатных плат, которые накладывают свой собственный набор ограничений, влияющих на выбор толщины. Такие ограничения, как высота используемых компонентов, разъемы и тип используемых переходных отверстий (глухие, скрытые и т. д.), могут ограничивать диапазон возможных толщин. Кроме того, в некоторых конструкциях, где требуется более высокая плотность компонентов, могут потребоваться более тонкие печатные платы, в то время как в конструкциях с громоздкими компонентами потребуются более толстые.

Проблемы, связанные с толщиной печатной платы.

Изготовление печатных плат с отклонениями от допустимых отклонений создает проблемы, выходящие за рамки простых погрешностей размеров. Деформация и финансовые затраты являются основными препятствиями, с которыми сталкиваются проектировщики и производители.

Проблемы деформации

Деформация — это изгибание и скручивание печатных плат относительно их естественной прямой формы. Основной причиной термических напряжений, возникающих в ходе различных производственных процессов, таких как пайка и отверждение, является разница в коэффициентах расширения материалов. В случае пайки оплавлением при температуре 260 °C разница в материалах, используемых для подложек FR-4, создает внутренние напряжения из-за разной степени расширения. Дисбаланс меди также может привести к дальнейшей деформации, поскольку сторона с большей концентрацией меди имеет разную степень расширения.

Любая форма деформации существенно влияет на производственный процесс. Даже если деформация составляет всего 0.1 мм на плате шириной 100 мм, пайка будет затруднена, и компоненты не смогут быть правильно собраны. Что касается компонентов BGA, любая деформация, превышающая 0.75% от диагонали платы, приводит к дефектам сборки. Автоматизированные машины для установки компонентов требуют плоских поверхностей, поэтому любая форма деформации приводит к смещению компонентов.

Толерантность и скрытые издержки

Отклонение от требуемого допуска по толщине приводит к значительным финансовым затратам. Несоответствие качеству влечет за собой увеличение затрат на рабочую силу и материалы. Если производится 100 единиц продукции по цене 500 долларов, и половина из них отбраковывается из-за несоответствия, то стоимость производства каждой единицы фактически удваивается. Несоответствие может вызвать задержки на производственной линии в таких отраслях, как автомобилестроение или аэрокосмическая промышленность, что приводит к штрафам. Проекты, первоначальная стоимость которых может составлять 10 000 долларов, в итоге могут обойтись в 15 000 долларов.

Игнорирование допусков приведет к снижению выхода годной продукции. Выход годной продукции в обычном производственном процессе составляет около 95%, тогда как игнорирование допусков снизит его до 80%. Например, для проектов, предполагающих производство 1,000 единиц, снижение выхода годной продукции на 15% приведет к уменьшению количества выпускаемых изделий на 150 штук.

Как выбрать подходящую толщину печатной платы

Для того чтобы сбалансировать противоречивые требования к конструкции, необходим методичный процесс выбора. Структурированный подход гарантирует, что выбранная толщина будет соответствовать как целям по производительности, так и производственным реалиям.

Определите потребности приложения и его производительность.

Прежде всего, определите технические характеристики, сценарий использования и требуемую нагрузку для компонентов вашей платы. Для потребительской электроники лучше использовать печатные платы толщиной 1.6 мм, поскольку это обеспечивает хороший баланс между эффективностью производства и долговечностью. Для мощных устройств требуется более толстый слой меди, например, 2 унции или больше, для обеспечения эффективного рассеивания тепла. С другой стороны, для высокочастотных устройств требуются тонкие печатные платы для повышения скорости и снижения потерь при передаче.

Оцените технические характеристики компонентов и сборок.

Для конкретных моделей разъемов, устанавливаемых на краю печатной платы, требуется определенная толщина. Сам разъем не окажет существенного влияния на компоновку, но необходимо учитывать изменения самой платы. Проверьте совместимость с автоматизированным сборочным оборудованием, поскольку на некоторых линиях существуют ограничения по толщине платы.

Оцените целостность сигнала и импеданс.

Толщина печатной платы может влиять на импеданс дорожек, что является важным фактором в высокоскоростных (или радиочастотных) схемах. Диэлектрический материал может помочь улучшить целостность сигнала, но более толстый диэлектрик потребует более широких дорожек для поддержания контролируемого импеданса.

Обзор технологичности производства и стандартов.

Типичные толщины, такие как 1.0 мм и 1.6 мм, обрабатываются большинством производственных предприятий без труда. Однако для сверхтонких листов толщиной менее 0.40 мм и листов сверхвысокой толщины более 2.0 мм может потребоваться специализированное оборудование. Таким образом, лист толщиной 1.60 мм является наиболее экономически выгодным вариантом, поскольку он широко доступен и может производиться на эффективной производственной линии.

Оптимизация затрат и сроков выполнения заказа.

Стандартная толщина материала требует меньших сроков поставки, поскольку он легко доступен. Нестандартная толщина приводит к увеличению стоимости материала и может даже повлечь за собой дополнительные расходы на подготовку производства. Рекомендуется использовать стандартную толщину, чтобы избежать ненужных затрат.

Заключение

Выбор толщины печатной платы повлияет на все аспекты процесса проектирования, включая характеристики сигнала, тепловые характеристики, себестоимость производства и эффективность сборки. Как мы видели выше, толщина 1.6 мм достаточна для большинства применений, а также обеспечивает гибкость при необходимости. Выбор толщины печатной платы всегда должен учитывать баланс между критериями производительности и критериями производства. Необходимо принимать во внимание такие факторы, как условия эксплуатации, типы компонентов и требования к импедансу. Для мощных приложений хорошо подходят более толстые медные слои, в то время как для устройств с ограниченным пространством предпочтительны более тонкие платы.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Какова стандартная толщина печатной платы?

Наиболее часто используемая толщина подложек FR-4 составляет 1.6 мм (около 62 мил). Использование этой спецификации довольно распространено в случае бытовой электроники, технологий «умного дома» и систем управления в промышленности.

В каких случаях следует выбирать сверхтонкие печатные платы толщиной менее 0.6 мм?

Сверхтонкие печатные платы можно использовать там, где ограничено пространство или вес, например, в смартфонах, планшетах, носимых устройствах, ноутбуках, беспилотных летательных аппаратах и ​​робототехнике. Однако их недостаток заключается в том, что они не обладают достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать вес тяжелых компонентов.

Влияет ли толщина печатной платы на стоимость?

Да, увеличение толщины печатной платы, как правило, повышает стоимость из-за большего расхода материалов и сложности производства.

Могу ли я свободно выбрать нестандартную толщину?

Нестандартная толщина требует нестандартной структуры слоев, что может снизить выход годных изделий и увеличить стоимость. Всегда рекомендуется уточнять возможность изготовления с производителем печатных плат, прежде чем указывать какую-либо толщину.

Каков типичный допуск на толщину печатной платы?

Допустимый допуск большинства производителей печатных плат для стандартной толщины составляет ±10%. Если толщина очень мала (<0.6 мм), то допустимый допуск составит примерно ±0.075 мм.

Какую толщину следует выбрать для краевых разъемов?

Как правило, рекомендуется толщина 1.57–1.6 мм, если иное не указано в техническом описании разъема, поскольку это обеспечивает надлежащий контакт и удобство установки.