PCB دو طرفه در مقابل تک و چند لایه: مزایا و راهنمای انتخاب لایه

تصمیم لایه PCB: هزینه، چگالی و عملکرد

هر طراحی برد مدار با یک انتخاب اساسی شروع می شود: چند لایه رسانا مورد نیاز است. را PCB یک طرفه در مقابل PCB دو طرفه سوال اولین دوشاخه در جاده است و مرحله از دو طرفه به چند لایه دوم است. هر پرش هزینه، پیچیدگی و قابلیت را اضافه می کند. یک تخته یک طرفه تمام مس را روی یک وجه قرار می دهد، و هر رد سیگنال را مجبور می کند که بدون عبور از سرنخ های اجزا حرکت کند. الف PCB دو طرفه یک لایه مس دوم را اضافه می کند و این دو را با سوراخ های روکش شده به هم متصل می کند و تقریباً منطقه مسیریابی موجود را دو برابر می کند. یک برد چندلایه چهار، شش یا بیشتر لایه را با صفحات برق و زمین اختصاصی روی هم قرار می دهد و یکپارچگی سیگنال و سازگاری الکترومغناطیسی را با قیمت قابل توجهی تغییر می دهد.

این راهنما از طریق PCB دو طرفه vs multilayer PCB و PCB یک طرفه در مقابل PCB دو طرفه مقایسه در شرایط عملی: هزینه در هر سانتی متر مربع، از طریق چگالی، حداکثر تعداد پین اجزا و کنترل EMI. در پایان، شما یک روشن خواهید داشت راهنمای انتخاب لایه PCB که پیچیدگی برد را با نیازهای الکتریکی و مکانیکی محصول مطابقت می دهد، بدون مهندسی بیش از حد پشته.

PCB یک طرفه در مقابل دو طرفه: اولین قدم بزرگ

PCB یک طرفه یک بستر - تقریباً همیشه FR-4 یا کاغذ فنولیک - با فویل مسی فقط در یک طرف است. قطعات در سمت غیر مسی قرار می گیرند و سرنخ ها به لنت های لحیم کاری می خورند. تمام مسیریابی ها در آن لایه مسی منفرد اتفاق می افتد، که هر اثری را که از دیگری عبور می کند مجبور به انحراف یا استفاده از سیم جامپر صفر اهم می کند. این برای مدارهای کم پیچیدگی کار می کند: یک منبع تغذیه با تعداد انگشت شماری از اجزای مجزا، یک برد LED یا یک رابط حسگر ساده. لحظه ای که یک میکروکنترلر، یک بخش RF یا یک کانکتور متراکم وارد مسیریابی شماتیک و یک طرفه می شود غیرعملی یا غیرممکن می شود.

را PCB دو طرفه advantages بیش از یک طرفه با via شروع کنید. با افزودن لایه دوم مس و آبکاری سوراخ ها، سیگنال ها می توانند در هر نقطه از لایه بالا به پایین حرکت کنند. یک طراح می تواند یک بسته BGA یا QFP با چگالی بالا را بدون لانه های موش غیرممکن مسیریابی کند. تخته‌های دو طرفه همچنین امکان پر شدن زمین را در یک لایه فراهم می‌کنند که مسیرهای برگشت سیگنال را بهبود می‌بخشد و نویز تابشی را کاهش می‌دهد - قابلیتی که در طرح‌های یک طرفه وجود ندارد. جریمه اضافه کردن لایه دوم و سوراخ های آبکاری شده است معمولا 30 تا 60 درصد بیش از یک تخته یک طرفه معادل، حق بیمه ای که سیم های جامپر را خریداری می کند، زمان مونتاژ دستی و خطرات قابلیت اطمینان.

PCB دو طرفه در مقابل PCB چند لایه: زمانی که دو لایه دیگر کافی نیست

را PCB دو طرفه vs multilayer PCB زمانی که یکپارچگی سیگنال، توزیع توان یا چگالی اجزا بر دو صفحه مسی غلبه کند، آستانه عبور می کند. یک تخته دو طرفه قدرت و زمین را مجبور می کند تا فضای مسیریابی را با سیگنال ها به اشتراک بگذارد، اغلب به عنوان ردهای چربی در اطراف اجزاء بافته می شود. این باعث ایجاد اندوکتانس حلقه بالا، افت ولتاژ و تداخل می شود. یک تخته چهار لایه - ساده ترین چند لایه - معمولاً لایه های داخلی را به یک صفحه زمین جامد و یک صفحه قدرت اختصاص می دهد. این مسیر بازگشت هر سیگنال را مستقیماً در مجاورت ردیابی قرار می دهد، ناحیه حلقه بریده شده و انتشار تابش شده توسط 10 دسی بل یا بیشتر در مقایسه با یک طرح دو لایه با پرهای زمین تکه تکه شده است.

بردهای چندلایه همچنین BGA با تعداد پین بالا و رابط‌های حافظه متراکم را که به کنترل امپدانس میکرواستریپ یا نواری نیاز دارند، کنترل می‌کنند. مسیریابی یک گذرگاه حافظه DDR3 یا DDR4 روی یک برد دو لایه با حفظ زمان بندی تقریباً غیرممکن است. چهار یا شش لایه با صفحات مرجع مدفون خط پایه هستند. قیمت این قابلیت بالا است: یک تخته چهار لایه هزینه دارد 2 تا 3 بار به اندازه یک معادل دو لایه، و زمان سررسید طولانی می شود زیرا چرخه های لمینیت چند برابر می شوند. تصمیم برای حرکت از دو طرفه به چند لایه باید بر اساس یک الزام فنی روشن باشد - نه با این فرض که لایه های بیشتر همیشه بهتر هستند.

مزایای PCB دو طرفه: چرا دو لایه در صنعت باقی می ماند؟

را PCB دو طرفه advantages فراتر از امداد مسیریابی است. هزینه واضح ترین است. یک تخته دو لایه از یک چرخه لمینیت منفرد، ورقه ورقه استاندارد دو طرفه با روکش مس و یک فرآیند ساده مته-صفحه اچ استفاده می کند. عدم وجود مراحل ثبت لایه داخلی و لمینیت، بازده را بالا و قیمت ها را پایین نگه می دارد. برای یک تخته 100 × 100 میلی متر در FR-4 با 1 اونس مس یک دسته نمونه اولیه دو طرفه از ده قطعه ممکن است کمتر از 50 دلار قیمت داشته باشد، در حالی که معادل چهار لایه اغلب بیش از 150 دلار است.

کار مجدد و اشکال زدایی در دو لایه ساده تر است. هر اثری روی یکی از دو سطح بیرونی قابل مشاهده است. هیچ سیگنال مدفونی وجود ندارد که برای بررسی نیاز به اشعه ایکس داشته باشد. اگر باید ردی بریده شود یا سیم بوج اضافه شود، دسترسی بی اهمیت است. در مقابل، اصلاح رد لایه داخلی در یک تخته چهار لایه عملاً غیرممکن است. این قابلیت مشاهده باعث تسریع بازیابی و عیب یابی می شود، به همین دلیل است که بسیاری از تابلوهای توسعه و نمونه های اولیه اثبات مفهوم دو لایه باقی می مانند حتی زمانی که محصول نهایی ممکن است به تعداد لایه های بالاتر منتقل شود. را PCB دو طرفه applications کسانی که بیشترین سود را از این می‌برند، آنهایی هستند که پیچیدگی متوسط، حساسیت به هزینه بالا، و نیاز به تکرار سریع دارند - کنترل‌های لوازم مصرفی، درایورهای LED و رابط‌های حسگر صنعتی.

معایب PCB دو طرفه: محدودیت هایی که به آنها خواهید رسید

اذعان به PCB دو طرفه disadvantages به اندازه فهرست کردن نقاط قوت مهم است. اولین محدودیت توزیع برق است. بدون صفحه اختصاصی، جریان تغذیه در امتداد ردپایی جریان می‌یابد که لایه را با سیگنال‌ها به اشتراک می‌گذارد. این باعث ایجاد موج ولتاژ در بار می شود و نویز سوئیچینگ را به شبکه های مجاور متصل می کند. میکروکنترلری که نیاز به یک ریل 3.3 ولتی تمیز دارد، در صورتی که یک درایور موتور با جریان بالا از همان لایه مسی بدون اتصال به زمین ستاره استفاده کند، ممکن است دچار بازنشانی دوره‌ای شود. در یک برد چهار لایه، یک صفحه قدرت جامد امپدانس زیر 10 mΩ را به هر نقطه ارائه می کند. در یک تخته دو لایه، همان اتصال از طریق یک ردپای عرض 0.5 میلی متری می تواند نشان داده شود صدها میلیون اهم و corresponding voltage droop.

مهار تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در دو لایه سخت تر است. یک صفحه زمین پیوسته روی یک لایه کمک می کند، اما اگر باید از طرف مقابل برای مسیریابی استفاده شود، هر شکاف یا شکاف در آن صفحه یک آنتن شکاف ایجاد می کند. عبور یک سیگنال پرسرعت از روی یک شکاف در مسیر برگشت زمین می تواند باعث خرابی تست EMC در فرکانس های پایین شود. 30 مگاهرتز . تنها راه حل این است که صفحات زمین را با vias دوخته و سیگنال‌های حیاتی را از ناپیوستگی دور نگه داریم - محدودیتی که با افزایش چگالی اجزا غیرممکن می‌شود. هنگامی که یک برد در تست انتشار تشعشعات شکست می خورد و نمی توان آن را با فریت ها یا محافظ ها رفع اشکال کرد، علت اصلی اغلب ساختار زمین ناکافی است که فقط یک استک آپ چند لایه می تواند آن را برطرف کند.

زمان استفاده از PCB دو طرفه: جدول تصمیم گیری عملی

را question of زمان استفاده از PCB دو طرفه را می توان با چند آستانه قابل اندازه گیری پاسخ داد. اگر طرح تمام معیارهای زیر را برآورده کند، تخته دو لایه احتمالاً انتخاب مناسبی است. اگر بیش از یک معیار ناموفق باشد، وقت آن است که چند لایه را در نظر بگیرید. جدول پارامترهای معمولی پروژه را با حداقل تعداد لایه های قابل اجرا ترسیم می کند.

این جدول همچنین قاب می کند PCB دو طرفه vs multilayer PCB مرز یک برد با یک میکروکنترلر 48 پین QFP، چند آپمپ و برخی کانکتورها معمولاً به طور تمیز روی دو لایه قرار می گیرند. آن QFP را با یک BGA FPGA 256 توپی عوض کنید و گزینه دو لایه ناپدید می شود - ردیف های داخلی توپ ها به سادگی نمی توانند فرار کنند. را نحوه انتخاب لایه های PCB فرآیند با این ارزیابی صادقانه امکان‌سنجی شکست و یکپارچگی سیگنال آغاز می‌شود، نه با ترجیح پیش‌فرض برای «لایه‌های بیشتر حرفه‌ای‌تر هستند».

نحوه انتخاب لایه های PCB: راهنمای انتخاب پنج مرحله ای

ساختارمند راهنمای انتخاب لایه PCB هم از هزینه های هدر رفت یک استک آپ پیچیده غیرضروری و هم از چرخش مجدد دردناک تخته ای که باید از ابتدا چهار لایه باشد جلوگیری می کند. این مراحل را به ترتیب دنبال کنید:

1. حداکثر تعداد سیگنال هایی را که باید از لبه برد بین اجزا عبور کنند، بشمارید. اگر منطقه با بیشترین تراکم نیاز به بیش از دو اثر بین لنت های مجاور روی یک لایه داشته باشد، لایه دوم اجباری است. اگر تعداد از دو لایه بیشتر شد، به چهار بروید.
2. سریعترین نرخ لبه سیگنال را شناسایی کنید، نه فقط فرکانس ساعت. یک سیگنال 1 مگاهرتز با زمان افزایش 1 ns دارای محتوای هارمونیک مشابه یک ساعت 50 مگاهرتز است. اگر نرخ های لبه کمتر باشد 2 ns ردپای امپدانس کنترل شده و یک صفحه مرجع پیوسته برای یکپارچگی سیگنال حیاتی هستند. که طرح را به سمت چهار لایه سوق می دهد.
3. شبکه تحویل برق را ارزیابی کنید. اگر برد دارای بیش از دو ریل ولتاژ با حداکثر جریان بالا باشد هر کدام 1A و اگر ریپل ولتاژ باید زیر 50 میلی ولت باقی بماند، یک صفحه قدرت اختصاصی روی برد چند لایه تمیزترین راه حل است. دو لایه می توانند با اندازه و جداسازی دقیق ردیابی کار کنند، اما تلاش طرح بندی و خطر دوباره کاری بیشتر است.
4. بودجه و حجم تولید را بررسی کنید. برای نمونه های اولیه و ساخت های کم حجم، جریمه هزینه چهار لایه ممکن است ناچیز باشد. برای محصولات مصرفی با حجم بالا، تفاوت بین 0.80 و 2.40 دلار در هر تخته به سرعت به میلیون ها می رسد. تابلوهای دو طرفه زمانی برنده می شوند که عملکرد فنی کافی باشد و هزینه واحد محرک اصلی باشد.
5. طرح بندی را در CAD تست کنید. یک قرار دادن دو لایه را شروع کنید و سعی کنید محدودترین منطقه را مسیریابی کنید. اگر نمی توانید مسیریابی را بدون نقض قوانین طراحی یا ایجاد صفحات زمینی تکه تکه انجام دهید، برد به شما می گوید که به لایه های بیشتری نیاز دارد. اجازه دهید تلاش برای چیدمان فیزیکی، نه یک پیش فرض، داور نهایی باشد.

این نحوه انتخاب لایه های PCB روش شناسی الزامات الکتریکی را در مقابل هزینه متعادل می کند. را PCB دو طرفه applications که هر پنج مرحله را پشت سر می گذارند گسترده هستند: کنترل کننده های موتور، آرایه های LED، هاب های حسگر، دروازه های اتوماسیون خانگی، و کنترل های ابزار برقی همه به طور قابل اعتماد در دو لایه کار می کنند. بردهایی که در مرحله دوم شکست می خورند - رابط های دیجیتالی سریع، قسمت های جلویی RF، اتوبوس های حافظه پرسرعت - آنهایی هستند که به چهار، شش یا بیشتر لایه نیاز دارند. درک کردن PCB دو طرفه disadvantages در یکپارچگی سیگنال و ارائه توان، تماس را واضح می کند: تا زمانی که مسیریابی کامل شد و سیگنال ها دست نخورده باقی می ماند، در دو لایه بمانید، سپس زمانی که فیزیک نرخ لبه و امپدانس صفحه ایجاب می کند، آن را افزایش دهید.