PCB تک، دو و چند لایه: انواع و نحوه انتخاب

PCBهای یک طرفه انتخاب مناسبی برای کاربردهای ساده و کم هزینه هستند. PCB های دو طرفه با پیچیدگی متوسط ​​با محدودیت های بودجه مطابقت دارند. و PCB های چند لایه برای طراحی های با چگالی بالا، سرعت بالا یا حساس به نویز ضروری هستند. این سه نوع PCB پیشرفتی را در پیچیدگی، قابلیت و هزینه تولید نشان می‌دهند - هر کدام با مجموعه‌ای از برنامه‌های کاربردی مشخص و مشخص که در آن بهترین نتیجه را ارائه می‌دهد. یک تخته یک طرفه که هزینه دارد 0.50 دلار برای تولید تصمیم مهندسی و تجاری صحیح برای یک کنترل کننده LED اساسی است. همان برد یک نقطه شروع غیرعملی برای یک مودم 5G خواهد بود. درک تفاوت های ساختاری، الکتریکی و تولیدی بین این سه دسته، پایه و اساس تصمیم گیری صحیح PCB از اولین مرحله طراحی است.

چگونه تعداد لایه PCB قابلیت را تعریف می کند

برد مدار چاپی یک ساختار چند لایه از لایه‌های مس رسانا است که با مواد زیرلایه عایق جدا شده‌اند که معمولاً لمینت شیشه‌ای-اپوکسی FR4 است. تعداد لایه‌های مس تعیین می‌کند که چند کانال مسیریابی مستقل در برد وجود دارد، که به نوبه خود بر چگالی مسیریابی، یکپارچگی سیگنال، کیفیت توزیع توان و عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) حاکم است.

سه پیکربندی لایه اساسی هر کدام نشان دهنده یک ردیف قابلیت مهندسی مجزا هستند:

• PCB یک طرفه (1 لایه مس): تمام آثار رسانا در یک طرف بستر قرار دارند. نصب کامپوننت و مسیریابی ردیابی یک صفحه را اشغال می کنند و تراکم مسیریابی را به چیزی که می توان بدون متقاطع به دست آورد محدود می کند.
• PCB دو طرفه (2 لایه مس): آثار مس در هر دو سطح زیرلایه وجود دارد که از طریق سوراخ‌های روکش شده (PTH) به هم متصل شده‌اند. قطعات را می توان در یک یا هر دو طرف نصب کرد که تقریباً ظرفیت مسیریابی را نسبت به تخته های یک طرفه دو برابر می کند.
• PCB چند لایه (4 لایه مس): لایه‌های مسی متعدد در یک ساختار تخته‌ای با لایه‌های مسیریابی داخلی، هواپیماهای قدرت اختصاصی و صفحات زمینی لمینت می‌شوند. تعداد لایه ها در برنامه های پیشرفته از 4 تا 50 متغیر است 4، 6، 8 و 10 لایه رایج ترین پیکربندی تجاری است.

نقش مواد بستر

هر سه نوع PCB از گزینه‌های زیرلایه پایه یکسانی استفاده می‌کنند، اگرچه انتخاب مواد با افزایش تعداد لایه‌ها حیاتی‌تر می‌شود. FR4 (اپوکسی تقویت شده با شیشه، Tg 130-170 درجه سانتی گراد) استاندارد برای اکثر کاربردهای تجاری و صنعتی است. طرح های فرکانس بالا در بالا 1 گیگاهرتز به طور فزاینده ای به لایه های کم تلفات مانند Rogers 4003C (ثابت دی الکتریک εr = 3.55، مماس اتلاف 0.0027) یا Isola IS680 برای حفظ یکپارچگی سیگنال در چندین لایه نیاز دارند - نکته ای که در بیشتر کاربردهای یک طرفه مطرح نمی شود.

PCB یک طرفه : ساختار، نقاط قوت و کاربردهای ایده آل

یک PCB یک طرفه دارای یک لایه فویل مسی است که به یک سطح از زیرلایه عایق چسبانده شده است. قطعات معمولاً در سمت مسی نصب می‌شوند (برای اجزای سوراخ‌دار، سیم‌های سربی از تخته عبور می‌کنند و در سمت مسی لحیم می‌شوند) یا در سمت لایه برهنه با اجزای SMD که به لنت‌های مسی در طرف مقابل لحیم می‌شوند.

فرآیند تولید و مزیت هزینه

تخته‌های یک طرفه با یک فرآیند کاهشی ساده تولید می‌شوند: زیرلایه‌ای با روکش مس با مقاومت نوری پوشانده می‌شود، از طریق یک فیلم الگوی مدار قرار می‌گیرد، توسعه می‌یابد و برای حذف مس ناخواسته حک می‌شود. عدم وجود آبکاری از طریق سوراخ، لایه لایه داخلی و عملیات تراز چندگانه، PCBهای یک طرفه را به ساده ترین و ارزان ترین نوع PCB برای تولید تبدیل می کند.

در تولید با حجم بالا (100000 دستگاه)، یک برد استاندارد یک طرفه FR4 با ابعاد 100 × 80 میلی متر می تواند برای 0.10-0.50 دلار در هر واحد . این مزیت هزینه برای لوازم الکترونیکی مصرفی با اهداف قبض مواد بسیار مهم است.

محدودیت های طراحی تخته های یک طرفه

محدودیت اساسی طراحی یک طرفه این است که ردیابی ها بدون سیم جامپر یا مقاومت صفر اهم نمی توانند از یکدیگر عبور کنند - لایه دومی برای مسیریابی روی ردی موجود وجود ندارد. این پیچیدگی مدار را به طرح هایی محدود می کند که در آن همه اتصالات می توانند در یک پیکربندی مسطح غیر متقاطع هدایت شوند. محدودیت های بالایی عملی برای طرح های یک طرفه معمولاً عبارتند از:

• تعداد اجزا کمتر از 30 تا 50 جزء سوراخ دار یا SMD
• تعداد خالص کمتر از 50 تا 80 اتصال است
• هیچ مسیر سیگنال فرکانس بالا که نیاز به امپدانس یا محافظ کنترل شده داشته باشد
• بدون نیاز به توان اختصاصی یا هواپیماهای زمینی

جایی که PCB های یک طرفه اکسل

بردهای یک طرفه در تولید با حجم بالا در طیف وسیعی از کاربردهای شناخته شده باقی می مانند:

• درایورها و کنترلرهای روشنایی LED: مدارهای سوئیچینگ برق ساده با چگالی قطعات کم و بدون نیاز به فرکانس بالا
• بردهای اصلی منبع تغذیه: مدارهای ترانسفورماتور، یکسو کننده و فیلتر که به مس قوی برای ردیابی انرژی نیاز دارند، اما پیچیدگی مسیریابی سیگنال به حداقل می رسد.
• کنترل از راه دور و لوازم الکترونیکی مصرفی ساده: ماشین‌حساب‌ها، اسباب‌بازی‌های اولیه و کنترل‌کننده‌های کنترل از راه دور IR که مدار به خوبی تثبیت شده است و به حداقل رساندن هزینه باعث طراحی درایو می‌شود.
• بردهای رابط سنسور: مدارهای تهویه آنالوگ ساده برای سنسورهای دما، فشار یا مجاورت در لوازم خانگی
• تابلوهای رله و فیوز خودرو: مدارهای سوئیچینگ جریان بالا که در آنها عرض ردیابی و مدیریت حرارتی بیش از چگالی مسیریابی اهمیت دارد

PCB دو طرفه: افزایش چگالی و دامنه کاربرد گسترده تر

یک PCB دو طرفه یک لایه مس دوم را در وجه مخالف زیرلایه اضافه می کند و دو لایه را از طریق سوراخ های روکش شده (PTH) به هم متصل می کند - سوراخ های مته با روکش مسی که اتصالات الکتریکی بین لایه های مسی بالا و پایین ایجاد می کند. این اضافه واحد اساساً فضای طراحی در دسترس مهندس را تغییر می دهد.

سوراخ‌های آبکاری شده: فناوری فعال‌کننده کلیدی

ویاهای PTH از طریق ضخامت تخته کامل سوراخ می شوند و سپس با مس به ضخامت دیواره آبکاری می شوند. حداقل 25 میکرومتر طبق IPC-6012 کلاس 2 (تجاری استاندارد) یا حداقل 20 میکرومتر در هر کلاس 1. آبکاری یک اتصال الکتریکی و مکانیکی قابل اعتماد بین لایه ها ایجاد می کند. از طریق قطر مته در محدوده استاندارد دو طرفه ساخت از 0.2 میلی متر تا 6.3 میلی متر ، با اندازه سوراخ تمام شده 0.1-0.15 میلی متر کوچکتر از قطر مته پس از آبکاری.

افزودن تولید PTH رسوب شیمیایی مس، آبکاری الکتریکی و مراحل بازرسی اضافی را به فرآیند ساخت اضافه می کند - هزینه واحد را تقریباً افزایش می دهد. 30-60٪ بیش از یک طرفه در اندازه و حجم تخته معادل، اما ظرفیت مسیریابی را تقریباً دو برابر می کند.

قابلیت های طراحی تابلوهای دو طرفه

• ردیابی وضوح متقاطع: هرگونه تضاد ردیابی در لایه بالایی را می توان با انداختن به لایه پایین از طریق via، مسیریابی در زیر ردیابی متضاد و بازگشت حل کرد. این محدودیت سیم جامپر طرح های یک طرفه را از بین می برد.
• افزایش تراکم اجزا: اجزای SMD را می توان در هر دو وجه برد قرار داد، که به طور بالقوه چگالی اجزا را در همان ردپای برد دو برابر می کند - برای کاربردهای صنعتی و مصرف کننده با محدودیت فضا بسیار مهم است.
• توان جزئی و ارجاع به زمین: یک لایه را می توان عمدتاً برای توزیع نیرو و زمین استفاده کرد در حالی که لایه دیگر مسیریابی سیگنال را کنترل می کند - بهبودی نسبت به یک طرفه اما بدون مزایای کامل هواپیماهای داخلی اختصاصی.
• مسیریابی سیگنال با فرکانس متوسط: بردهای دو طرفه از علائم امپدانس کنترل شده برای سیگنال‌ها تا حدودی پشتیبانی می‌کنند 100-200 مگاهرتز با طراحی دقیق، اگرچه بدون مرجع صفحه زمین، کنترل امپدانس نسبت به طرح‌های چند لایه دقت کمتری دارد.

کاربردهای معمولی برای PCBهای دو طرفه

• تابلوهای کنترل صنعتی: PLC ها، کنترل کننده های موتور، منطق رله و پانل های کنترل تهویه مطبوع که در آن تراکم اجزای متوسط و مسیریابی سیگنال/قدرت مختلط مورد نیاز است.
• ابزار پزشکی: تجهیزات تشخیصی، دستگاه‌های مانیتورینگ بیمار، و پمپ‌های انفوزیون که قابلیت اطمینان بسیار مهم است اما فرکانس‌های سیگنال متوسط هستند
• الکترونیک بدنه خودرو: ماژول‌های داشبورد، واحدهای کنترل بدنه و خوشه‌های حسگر که پیچیدگی مدار از قابلیت یک طرفه فراتر می‌رود اما هزینه چند لایه را توجیه نمی‌کند.
• الکترونیک قدرت: اینورترها، مبدل‌های DC-DC، و بردهای UPS که در آن ردپای برق و سیگنال با هم وجود دارند و جداسازی بالا و پایین مزایای طرح‌بندی را فراهم می‌کند.
• لوازم الکترونیکی مصرفی میان رده: تقویت کننده های صوتی، سوئیچ های شبکه و کنترل کننده های اتوماسیون خانگی

PCB چند لایه : چگالی بالا، عملکرد بالا و یکپارچگی سیگنال

PCB های چندلایه به قابلیت هایی دست می یابند که اساساً برای طرح های یک یا دو طرفه غیرقابل دسترسی هستند - نه فقط از طریق ظرفیت مسیریابی اضافی، بلکه از طریق عملکرد الکتریکی کیفی متفاوتی که توسط صفحات داخلی زمین، صفحات قدرت و مسیریابی جفت دیفرانسیل کنترل شده در یک محیط محافظ فعال می شود.

نحوه تولید تخته های چند لایه

ساخت چند لایه با هسته‌های لایه داخلی دو طرفه منفرد آغاز می‌شود که هر یک مانند یک تخته دو طرفه مستقل پردازش می‌شوند (تصویر، اچ، بازرسی). سپس لایه‌های داخلی با استفاده از پین‌های ثبت دقیق تراز شده و با لایه‌های پیوندی پیش‌آغشته (اپوکسی فیبر شیشه‌ای از قبل آغشته‌شده) در یک پرس هیدرولیک گرم شده روی هم قرار می‌گیرند. 170-200 درجه سانتی گراد و 250-400 psi . پس از لمینیت، لایه‌های بیرونی پردازش می‌شوند، حفاری و آبکاری PTH همه لایه‌ها را به هم متصل می‌کنند و تخته تمام می‌شود.

دقت ثبت لایه به لایه در ساخت چند لایه با کیفیت بالا معمولاً وجود دارد 100-75 میکرومتر ، اطمینان حاصل شود که از طریق مته مکان ها با لنت های مسی در تمام لایه های داخلی تراز می شوند. ساخت پیشرفته با میکروویاهای حفاری لیزری ثبت نام را در داخل انجام می دهد ± 25 میکرومتر برای بردهای HDI (High Density Interconnect)

هواپیماهای قدرت و زمین: مزیت چند لایه هسته

اختصاص دادن لایه‌های داخلی به نیروگاه‌های مس جامد و سطوح زمینی سه مزیت حیاتی دارد که نمی‌توان آن‌ها را در طرح‌های دو لایه تکرار کرد:

• مسیریابی امپدانس کنترل شده: ردیابی سیگنال در لایه های بیرونی با سطح زمین به طور مستقیم در مجاورت (معمولا جداسازی 0.1-0.2 میلی متر ) یک خط انتقال کاملاً تعریف شده با امپدانس مشخصه قابل محاسبه را تشکیل می دهد. یک میکرو نوار 50Ω بر روی یک برد 4 لایه استاندارد به عرض ردیابی تقریباً نیاز دارد 0.2-0.3 میلی متر بسته به ضخامت دی الکتریک - قابل دستیابی و محاسبه با دقت در طرح های دو لایه در دسترس نیست.
• عملکرد شبکه توزیع برق (PDN): یک صفحه قدرت مسی جامد، انتقال توان با امپدانس کم را به تمام اجزای برد به طور همزمان ارائه می دهد، صدای منبع تغذیه (Vdd ripple) و اندوکتانس مسیرهای تحویل نیرو را کاهش می دهد. این برای آی سی های دیجیتال پرسرعت که جریان های گذرای زیادی را در طول رویدادهای سوئیچینگ می کشند، بسیار مهم است.
• محافظ EMI: صفحات داخلی زمین به عنوان سپرهای الکترومغناطیسی بین لایه‌های سیگنال عمل می‌کنند، تداخل بین لایه‌های مسیریابی مجاور را کاهش می‌دهند و انتشار تشعشعات را محدود می‌کنند. یک برد 4 لایه معمولاً 10 تا 15 دسی بل EMI تابشی کمتری را به دست می آورد از یک طراحی معادل دو لایه در فرکانس های بالا - اغلب تفاوت بین گذراندن و عدم موفقیت گواهی FCC یا CE.

استراتژی انباشته لایه برای پیکربندی های رایج

ترتیب لایه‌های سیگنال، توان و زمین در یک استک آپ چند لایه عملکرد الکتریکی برد را تعیین می‌کند. طراحی ضعیف پشته‌آپ، مزایای لایه‌های اضافی را نفی می‌کند. طراحی خوب پشته‌آپ، یکپارچگی سیگنال و عملکرد PDN را در حداقل تعداد لایه‌ها به حداکثر می‌رساند.

راه های کور و مدفون در طرح های چند لایه پیشرفته

ویزهای استاندارد از طریق سوراخ در تخته های چند لایه، فضای پد و ضد پد را در هر لایه ای که از آن عبور می کنند، حتی لایه هایی که به هم متصل نمی شوند، مصرف می کند. در طرح های با چگالی بالا با اجزای BGA با گام ریز ( گام 0.4-0.5 میلی متر ) گذرگاه های سوراخ، فضای مسیریابی زیادی را مصرف می کنند. ویاهای کور (فقط اتصال لایه‌های بیرونی به درونی) و ویاهای مدفون (اتصال لایه‌های داخلی بدون رسیدن به سطح بیرونی) امکان مسیریابی فن‌آوری را در زیر BGA‌ها فراهم می‌کنند که دریچه‌های سوراخ عبوری نمی‌توانند به آن دست یابند. این فناوری ها اضافه می کنند 30-80٪ به هزینه ساخت اما برای پردازشگرهای مدرن با چگالی بالا و مسیریابی حافظه ضروری هستند.

برنامه هایی که به PCB های چند لایه نیاز دارند

• گوشی های هوشمند و تبلت ها: بردهای 6 تا 10 لایه با ساختار HDI، BGAهای ریز گام، و جفت های دیفرانسیل امپدانس کنترل شده برای رابط های USB 3.x، MIPI و PCIe
• سرور و تجهیزات شبکه: بردهای 8 تا 16 لایه مسیریابی خطوط SerDes چند گیگابیتی، رابط های حافظه DDR5 و اتصالات PCIe Gen4/Gen5
• ADAS و ECU خودرو: تخته های 6-12 لایه در سیستم های ایمنی حیاتی که به انطباق EMC و مسیریابی رابط سنسور با سرعت بالا نیاز دارند
• ایستگاه پایه 5G و الکترونیک RF: تخته های چند لایه چند لایه مخلوط با لایه های RF کم تلفات و لایه های دیجیتال استاندارد FR4 در همان استک آپ
• الکترونیک هوافضا و دفاع: بردهای چند لایه با قابلیت اطمینان بالا مطابق با استانداردهای IPC کلاس 3 با لمینت های دامنه دمایی طولانی

مقایسه مستقیم: PCB یک طرفه در مقابل دو طرفه در مقابل چند لایه

نحوه انتخاب نوع PCB مناسب برای طراحی

چارچوب تصمیم گیری برای انتخاب نوع PCB باید از طریق یک سری محدودیت های طراحی به ترتیب اولویت کار کند. بهینه سازی هزینه تنها پس از تأیید برآورده شدن الزامات عملکردی معتبر است - انتخاب یک برد یک طرفه برای صرفه جویی در هزینه و سپس کشف غیرممکن بودن مسیریابی زمان و هزینه بیشتری نسبت به صرفه جویی اولیه هدر می دهد.

1. ارزیابی فرکانس سیگنال مورد نیاز: اگر هر سیگنالی روی برد بالا کار کند 100 مگاهرتز ، یا اگر هر رابطی به امپدانس کنترل شده نیاز دارد (USB 2.0/3.x، HDMI، PCIe، حافظه DDR، ردیابی RF)، یک برد چند لایه با مرجع صفحه زمین مورد نیاز است. این معیار واحد تخته های یک و دو طرفه را برای اکثر طرح های دیجیتال مدرن رد می کند.
2. ارزیابی تعداد اجزا و بسته بندی: اگر طراحی شامل هر جزء BGA، QFN یا CSP با گام زیر 0.8 میلی‌متر باشد، مسیریابی fan-out تقریباً همیشه حداقل به یک برد 4 لایه نیاز دارد. اجزای BGA با گام زیر 0.5 میلی‌متر معمولاً بدون در نظر گرفتن تعداد لایه‌ها به HDI با ویوهای کور/دفن شده نیاز دارند.
3. Check EMC requirements: طرح هایی که نیاز به FCC قسمت 15 کلاس B، CE، یا گواهی EMC خودرو در حضور هر ساعت یا فرکانس سوئیچینگ بالاتر دارند. 30 مگاهرتز بدون در نظر گرفتن روش فیلتر استفاده شده، تقریباً همیشه با یک برد چندلایه دارای صفحات زمینی مناسب نسبت به طراحی 2 لایه، گواهینامه را با اطمینان بیشتری دریافت می کند.
4. ارزیابی پیچیدگی مسیریابی: اگر قرار دادن قطعات اولیه و تلاش برای مسیریابی بر روی یک برد 2 لایه منجر به بیش از 5 تا 10 درصد اتصالات مسیریابی نشده باشد، یا نیاز به کاهش بیش از حد طول ردیابی برای سیگنال های حیاتی داشته باشد، انتقال به یک برد 4 لایه مقرون به صرفه تر از تکرار بیشتر در طرح بندی 2 لایه است.
5. اهداف حجم و هزینه را تأیید کنید: تنها پس از تأیید برآورده شدن الزامات عملکردی باید تصمیمات شمارش لایه درایو هزینه تصمیم گیری شود. برای محصولات کالایی با حجم بالا که نیازهای عملکردی آنها واقعاً توسط تخته های یک یا دو طرفه برآورده می شود، مزیت هزینه قابل توجهی است و ارزش بهینه سازی را دارد.

زمانی که ارتقاء تعداد لایه ها اقتصادی تر از چیزی است که به نظر می رسد

یک تصور غلط رایج این است که انتخاب تعداد لایه های پایین تر همیشه هزینه کل پروژه را کاهش می دهد. در عمل، زمان مهندسی اضافی صرف شده برای مسیریابی یک طرح متراکم روی چند لایه، افزایش مساحت برد مورد نیاز برای حل تعارض مسیریابی، و هزینه‌های آزمایش مجدد EMC از اجرای گواهینامه ناموفق اغلب از تفاوت هزینه ساخت بین برد 2 لایه و 4 لایه بیشتر است. یک تخته 4 لایه تقریباً 2-2.5× بیشتر از یک تخته 2 لایه در مقادیر نمونه اولیه هزینه دارد. - اغلب تفاوت 30 تا 80 دلار در هر برد - اما اجتناب از یک چرخه آزمایش EMC باعث صرفه جویی 5000 تا 20000 دلاری در هزینه های آزمایشگاهی و زمان مهندسی می شود.

قوانین طراحی PCB و حداقل اندازه ویژگی بر اساس نوع برد

درک حداقل اندازه ویژگی های قابل دستیابی در هر نوع PCB به طراحان کمک می کند تا از تعیین ابعادی که فراتر از توانایی سازنده انتخابی آنها است اجتناب کنند - یک علت معمول تاخیر در نمونه اولیه و افزایش هزینه غیرمنتظره.

همیشه قبل از نهایی کردن طرح، قوانین طراحی خاص را با سازنده انتخابی خود تأیید کنید. قابلیت‌های سازنده متفاوت است و طراحی با حداقل مطلق مقادیر بالا بدون تأیید، خطر مشکلات بازده و جریمه‌های هزینه مرتبط را افزایش می‌دهد. یک رویکرد عملی، هدف قرار دادن 130 تا 150 درصد از حداقل مقادیر اعلام شده سازنده است برای ردیابی‌ها و فضاهای غیر مهم، ویژگی‌های حداقل قانون را فقط برای مناطقی که واقعاً ضروری هستند رزرو کنید.