Vrstvení desky plošných spojů označuje uspořádání měděných a dielektrických vrstev v PCB.

Při vytváření vrstev je důležité specifikovat:​

• Počet vrstev: Určuje celkovou strukturu desky.​
• Tloušťku jednotlivých vrstev: Zajišťuje požadovanou mechanickou pevnost a elektrické vlastnosti.​
• Množství mědi: Ovlivňuje odolnost proti proudu a tepelné vlastnosti.​
• Typ použitých prepregů: Předimpregnované materiály určují dielektrické vlastnosti a adhezi mezi vrstvami.​
• Celkovou tloušťku desky: Důležitá pro mechanickou integraci do zařízení.​

Dobře navržené vrstvení přispívá k nižší elektromagnetické interferenci (EMI), lepší integritě signálu a nákladové efektivitě.

Jaké jsou různé vrstvy PCB?

Měděná fólie

Měděné vrstvy se používají k vytvoření návrhu obvodů, jako jsou stopy, podložky a měď. Tento kov nabízí vynikající elektrickou vodivost a usnadňuje proces leptání. Tloušťka měděné fólie se může lišit v závislosti na specifických požadavcích návrhu a obvykle se měří v uncích.
Například pokud zploštíme 1 unci (28,35 gramů) mědi, aby pokryla plochu o velikosti 1 čtverečního metru (0,093 čtverečního metru), výsledná tloušťka bude 1,4 mils. Proto je hmotnost mědi vyjádřena v uncích na čtvereční stopu (oz/ft²).

Tabulka níže ukazuje vztah mezi hmotností mědi a tloušťkou mědi a příměr k jednotce délky v milsech.

• Ounce (oz) je jednotka hmotnosti, která se používá v anglosaském systému měření, zejména v USA a některých dalších zemích. 1 ounce je rovna přibližně 28,35 gramům. Tato jednotka se používá k měření hmotnosti nebo hmotnostního objemu, a to jak pro pevné látky, tak pro kapaliny. V kontextu desek plošných spojů (PCB) je "ounce" často používaná jednotka pro vyjádření hmotnosti mědi na čtvereční stopu (oz/ft²), což udává množství mědi, které je použito na určité ploše PCB. Například 1 ounce mědi na čtvereční stopu odpovídá tloušťce měděné vrstvy přibližně 1,4 mils (mil je 1/1000 palce).
  
  
• Inch (značka: in) je jednotka délky, která se používá především v anglosaském systému měření. 1 inch je rovný 2,54 (cm). Tento jednotkový systém je běžně používán v USA, Kanadě a některých dalších zemích, zatímco většina ostatních zemí používá metrický systém, kde je délka měřena v centimetrech nebo metrech.Jednotka inch je často rozdělena na menší jednotky, jako je "mil" (1 mil = 1/1000 palce) nebo "foot" (1 foot = 12 inch). Inch je běžně používán pro měření výšky, šířky, rozměrů objektů nebo vzdáleností, zejména v technických, stavebních a inženýrských aplikacích.
  
  
• Mils je jednotka délky používaná v anglosaském systému měření, zejména v elektronice a strojírenství. 1 mil = 0,001 palce (inch) = 0,0254 mm. V deskách plošných spojů (PCB) se mils používají k vyjádření tloušťky mědi nebo šířky vodivých cest. Například měď o tloušťce 1 oz/ft² má přibližně 1,4 mils (0,035 mm).

Vliv měděné fólie na funkčnost desky obvodu

1. Měděná vrstva vytváří vodivou vrstvu pro přenos signálů po desce. Díky své vysoké vodivosti je měď ideálním materiálem pro tento účel.
   
2. Také vytváří pevné propojení mezi vrstvami, což zajišťuje plynulý a efektivní přenos elektrických signálů.
   
3. Přítomnost mědi zvyšuje účinnost napájecích zdrojů, a vede ke spolehlivějšímu a stabilnějšímu provozu.
   
4. Účinně snižuje impedanci zemnícího vedení a pokles napětí vede ke snížení úrovně šumu
   
5. V obvodech generujících vysoké teplo měděné vrstvy (měděné body) účinně odvádějí teplo a zabraňují přehřívání součástek.

Různé typy měděné fólie

Elektrolyticky nanesená měď

je typ mědi, která je na desku plošného spoje nanesena pomocí elektrolytického procesu. Tento proces zahrnuje ponoření desky do elektrolytu, který obsahuje měď. Při aplikaci elektrického proudu se měď usazuje na povrch desky ve formě tenké vrstvy s vertikálně usazenou strukturou měděných zrn.

Tento typ mědi je často používán v PCB, protože nabízí několik výhod:

• Vysoká přesnost: Elektro-depozice umožňuje velmi kontrolovaný proces nanášení mědi, což je důležité pro vytváření jemných a přesných obvodů na desce.
  
• Flexibilita: Tento typ mědi je ideální pro použití v deskách, které mají různé požadavky na tloušťku mědi a její rozložení.
  
• Ekonomičnost: Proces elektrolytické depozice je relativně cenově dostupný, což z něj činí oblíbenou volbu pro masovou výrobu desek plošných spojů.

Elektro-depozice mědi se obvykle používá pro pokrytí vnitřních vrstev desek, které mají jemné a složité struktury, ale může se také použít pro vnější vrstvy PCB. Tento proces zajišťuje, že měď je rovnoměrně a pevně nanesena na požadovanou plochu desky.

Žíhaná měď

je měď, která byla podrobena procesu zvanému žíhání, což je tepelný proces, při kterém se měď zahřeje na vysokou teplotu, dále je měď ztenčena umístěním mezi těžké válce, ztenčena a pomalu ochlazena. Tato měď má horizontální strukturu zrn a hladší povrch, což ji činí ideální pro flexibilní obvodové desky.

Tento proces má několik účinků na vlastnosti mědi:

• Zvýšení flexibility: Žíhání mědi zjemňuje její strukturu, což činí měď flexibilnější a snáze tvarovatelnou. To je užitečné zejména při výrobě flexibilních PCB (desek plošných spojů), kde je potřeba, aby měď snadno následovala ohýbání a tvarování desky.
  
• Snížení pevnosti: Proces žíhání snižuje tvrdost mědi, což zlepšuje její schopnost být ohýbána nebo tvarována bez rizika prasknutí.
  
• Zlepšení vodivosti: Po žíhání může měď vykazovat lepší elektrickou vodivost, protože proces pomáhá odstranit vnitřní napětí a defekty v materiálu.

Žíhaná měď se obvykle používá pro aplikace, kde je důležitá vysoká mechanická flexibilita a dlouhá životnost v dynamických podmínkách.

Výběr vhodné mědi v desce plošných spojů

Výběr měděné fólie závisí především na požadované tloušťce mědi, čistotě mědi a profilu rozhraní mezi mědí a dielektrikem.

1. Tloušťka mědi: Typická tloušťka se pohybuje od 0,25 oz (0,3 mils) do 5 oz (7 mils). Konkrétní tloušťka mědi se liší podle aplikace. Například, pokud vaše deska vyžaduje vysoký výkon, budete potřebovat větší měděnou plochu na podporu požadovaného proudu.
2. Čistota mědi: Hodnota se vztahuje k procentu mědi obsažené v měděné fólii. Obvykle měděná fólie pro elektroniku má čistotu kolem 99,7 %.
3. Profil mědi: Měď s nízkým profilem (hladkým povrchem) vykazuje nižší ztráty signálu při vysokých frekvencích díky sníženému jevu "skin effect".

Obvody s drsným povrchem mědi (Cu)

Vede-li signál vrstvou drsné mědi, bude ztráta signálu narůstat s rostoucí frekvencí.  Čím vyšší frekvence signálu prochází hlubokou drsnou mědí, tím větší je trasa signálu a tím vyšší bude také jeho ztráta. Proto se doporučuje zvolit měď s nízkým profilem pro aplikace na vysoké frekvence, protože to zlepšuje přenos signálu a snižuje ztráty.

Obvody s hladkým povrchem mědi (Cu)

Tento rozdíl ukazuje, že drsnější povrch mědi způsobuje vyšší ztráty signálu, zejména při vysokých frekvencích, protože skin effect (povrchový efekt) zvyšuje odpor pro šíření signálu. Hladší měď, naopak, umožňuje efektivnější přenos signálu, což je důležité pro aplikace s vysokými frekvencemi.

Vyvážení mědi na desce plošných spojů

Správné rozložení mědi na PCB je zásadní pro zajištění mechanické stability a kvality výroby. Nesymetrické rozložení mědi může vést k deformacím, delaminaci nebo problémům s galvanickým pokovením, což negativně ovlivňuje funkčnost i spolehlivost desky.

• Zkroucení DPS
  Nesymetrické měděné plochy mohou způsobit zkroucení desky vlivem tepelného zatížení při procesech, jako je laminace, žárové cínování nebo osazování součástek. Rovnoměrné rozložení mědi pomáhá tyto deformace minimalizovat a zajistit mechanickou stabilitu PCB.
  
• Delaminace DPSTento problém se vyskytuje zejména u desek s tlustší mědí (50 µm a více) a nevyváženým rozložením měděných ploch. Pokud jsou na jádru oblasti s minimálním pokrytím mědí, může dojít k nadměrnému pronikání prepregů mezi vrstvy, což vede k delaminaci nebo mezivrstvovým zkratům. Řešením je doplnění „falešných“ měděných ploch, které zajistí rovnoměrné rozložení materiálu a stabilní propojení vrstev.
  
  

V rámci výroby PCB obecně platí

• Pokud je měď vyplněna z 85 % vnitřní vrstvy, prepregy ji dostatečně propojí a riziko delaminace je minimální.
• Je li měď vyplněna pouze z 45 %, propojení mezi vrstvami je nedostatečné a delaminace je pravděpodobná.

Špatné galvanické pokovení vodivého obrazce

Pro správné provedení galvanického pokovení je nezbytné, aby byly vodivé vrstvy rovnoměrně pokryty mědí. Nerovnoměrné rozložení vede k přepalování a přepokovení tenkých vodičů, což může způsobit jejich poškození nebo podleptání. Tento problém je zvláště kritický u diferenciálních párů, kde je nutné přesně dodržet impedanční hodnoty. Vyvážení mědi pomocí doplňkových ploch pomáhá stabilizovat galvanický proces a zajistit optimální pokovení.

Měď hraje důležitou roli v konstrukci desek plošných spojů díky své vynikající elektrické vodivosti, tepelným vlastnostem a mechanické stabilitě. Správná volba měděné fólie – ať už jde o její tloušťku, čistotu nebo povrchový profil – přímo ovlivňuje výkon a spolehlivost elektronických zařízení.

Při návrhu PCB je důležité zohlednit požadavky na proudovou kapacitu, minimalizaci ztrát signálu a účinné odvádění tepla. Hladší měděné povrchy jsou preferované pro vysokofrekvenční aplikace, zatímco silnější vrstvy mědi jsou ideální pro výkonové obvody.

Díky svým vlastnostem měď nejen zajišťuje stabilní přenos signálu a efektivní napájení, ale také přispívá k teplotnímu řízení a dlouhodobé životnosti elektronických součástek. Proto je správný výběr a použití mědi v PCB zásadním faktorem pro optimalizaci výkonu moderních elektronických systémů.

A přístě se zaměříme na výběr vhodných prepregů!