PCB hai mặt so với đơn & đa lớp: Ưu điểm & Hướng dẫn lựa chọn lớp

Quyết định về lớp PCB: Chi phí, mật độ và hiệu suất

Mọi thiết kế bảng mạch đều bắt đầu bằng một lựa chọn cơ bản: cần bao nhiêu lớp dẫn điện. các PCB một mặt và hai mặt câu hỏi là ngã ba đầu tiên của con đường, và bước từ hai mặt đến nhiều lớp là bước thứ hai. Mỗi lần nhảy sẽ tăng thêm chi phí, độ phức tạp và khả năng. Một bảng một mặt đặt tất cả đồng trên một mặt, buộc mọi dấu vết tín hiệu phải di chuyển xung quanh các dây dẫn thành phần mà không giao nhau. A PCB hai mặt thêm một lớp đồng thứ hai và kết nối cả hai bằng các lỗ được mạ, tăng gần gấp đôi diện tích định tuyến có sẵn. Bảng mạch nhiều lớp xếp chồng bốn, sáu hoặc nhiều lớp với các mặt phẳng nguồn và mặt đất chuyên dụng, biến đổi tính toàn vẹn của tín hiệu và khả năng tương thích điện từ với mức giá cao hơn đáng kể.

Hướng dẫn này hoạt động thông qua PCB hai mặt vs multilayer PCB và PCB một mặt và hai mặt so sánh về mặt thực tế: chi phí trên mỗi cm vuông, thông qua mật độ, số lượng chân thành phần tối đa và kiểm soát EMI. Cuối cùng, bạn sẽ có một cái nhìn rõ ràng Hướng dẫn lựa chọn lớp PCB phù hợp với độ phức tạp của bo mạch với nhu cầu về điện và cơ khí của sản phẩm mà không cần thiết kế kỹ thuật quá mức cho việc xếp chồng.

PCB một mặt và hai mặt: Bước tiến lớn đầu tiên

PCB một mặt là chất nền - hầu như luôn là giấy FR-4 hoặc phenolic - chỉ có lá đồng ở một mặt. Các thành phần nằm ở mặt không bằng đồng với các dây dẫn xuyên qua các miếng hàn. Tất cả việc định tuyến diễn ra trong lớp đồng duy nhất đó, điều này buộc bất kỳ dấu vết nào đi qua lớp khác phải đi đường vòng hoặc sử dụng dây nhảy 0 ohm. Điều này phù hợp với các mạch có độ phức tạp thấp: nguồn điện có một số thành phần riêng biệt, bảng đèn LED hoặc giao diện cảm biến đơn giản. Thời điểm một bộ vi điều khiển, một phần RF hoặc một đầu nối dày đặc đi vào sơ đồ, việc định tuyến một mặt trở nên không thực tế hoặc không thể thực hiện được.

các PCB hai mặt advantages qua một mặt bắt đầu bằng via. Bằng cách thêm lớp đồng thứ hai và mạ qua các lỗ, tín hiệu có thể di chuyển từ lớp trên xuống lớp dưới cùng tại bất kỳ điểm nào. Một nhà thiết kế có thể định tuyến gói BGA hoặc QFP mật độ cao mà không có tổ chuột. Các bo mạch hai mặt cũng cho phép lấp đầy mặt đất trên một lớp, giúp cải thiện đường dẫn tín hiệu trở lại và giảm nhiễu bức xạ — một khả năng không có trong các thiết kế một mặt. Hình phạt chi phí cho việc thêm lớp thứ hai và các lỗ mạ là thường là 30% đến 60% trên một bảng một mặt tương đương, phí bảo hiểm phải mua dây nhảy, thời gian lắp ráp thủ công và rủi ro về độ tin cậy.

PCB hai mặt và PCB nhiều lớp: Khi hai lớp không còn đủ

các PCB hai mặt vs multilayer PCB ngưỡng bị vượt qua khi tính toàn vẹn của tín hiệu, phân bổ công suất hoặc mật độ thành phần lấn át hai mặt phẳng đồng. Bảng mạch hai mặt buộc nguồn và mặt đất chia sẻ không gian định tuyến với các tín hiệu, thường là các vết mỡ len lỏi xung quanh các bộ phận. Điều này tạo ra độ tự cảm vòng lặp cao, sụt áp và nhiễu xuyên âm. Bảng bốn lớp - loại nhiều lớp đơn giản nhất - thường dành các lớp bên trong cho mặt phẳng nền và mặt phẳng nguồn. Điều này làm cho đường quay trở lại của mọi tín hiệu tiếp giáp trực tiếp với dấu vết, cắt giảm diện tích vòng lặp và lượng phát xạ bức xạ bằng 10dB trở lên so với bố cục hai lớp với nền đất bị phân mảnh.

Bo mạch nhiều lớp cũng xử lý các BGA có số lượng pin cao và các giao diện bộ nhớ dày đặc cần điều khiển trở kháng vi dải hoặc dải băng. Bus bộ nhớ DDR3 hoặc DDR4 trên bo mạch hai lớp gần như không thể định tuyến trong khi vẫn duy trì thời gian; bốn hoặc sáu lớp với các mặt phẳng tham chiếu bị chôn vùi là đường cơ sở. Giá cho khả năng này rất cao: chi phí của một bảng bốn lớp 2 đến 3 lần tương đương với hai lớp và thời gian thực hiện sẽ kéo dài vì chu kỳ cán màng tăng lên. Quyết định chuyển từ hai mặt sang nhiều lớp phải được đưa ra bởi yêu cầu kỹ thuật rõ ràng - không phải bởi giả định rằng càng nhiều lớp thì càng tốt.

Ưu điểm của PCB hai mặt: Tại sao hai lớp vẫn là đường cơ sở của ngành

các PCB hai mặt advantages mở rộng ra ngoài việc hỗ trợ định tuyến. Chi phí là điều rõ ràng nhất. Bảng hai lớp sử dụng một chu trình cán đơn, cán mỏng phủ đồng hai mặt tiêu chuẩn và quy trình khoan-tấm-khắc đơn giản. Việc thiếu các bước đăng ký và cán màng bên trong giúp năng suất cao và giá thấp. Đối với một Bảng 100 × 100 mm bằng FR-4 với đồng 1 oz , một lô nguyên mẫu hai mặt gồm mười chiếc có thể có giá dưới 50 USD, trong khi một lô tương đương bốn lớp thường vượt quá 150 USD.

Làm lại và gỡ lỗi đơn giản hơn trên hai lớp. Mọi dấu vết đều có thể nhìn thấy được trên một trong hai bề mặt bên ngoài; không có tín hiệu bị chôn vùi nào cần phải chụp X-quang để thăm dò. Nếu phải cắt một dấu vết hoặc thêm một sợi dây bodge thì việc truy cập là không đáng kể. Ngược lại, việc sửa đổi dấu vết lớp bên trong trên bảng bốn lớp thực sự là không thể. Khả năng hiển thị này tăng tốc quá trình triển khai và tìm lỗi, đó là lý do tại sao nhiều bảng phát triển và nguyên mẫu chứng minh khái niệm vẫn có hai lớp ngay cả khi sản phẩm cuối cùng có thể chuyển sang số lớp cao hơn. các PCB hai mặt applications được hưởng lợi nhiều nhất từ ​​điều này là những thứ có độ phức tạp vừa phải, độ nhạy chi phí cao và nhu cầu lặp lại nhanh - điều khiển thiết bị tiêu dùng, trình điều khiển LED và giao diện cảm biến công nghiệp.

Nhược điểm của PCB hai mặt: Những giới hạn bạn sẽ gặp phải

Thừa nhận PCB hai mặt disadvantages cũng quan trọng như việc liệt kê những điểm mạnh. Giới hạn đầu tiên là phân phối điện. Nếu không có mặt phẳng chuyên dụng, dòng điện sẽ chạy dọc theo các đường chia sẻ lớp với tín hiệu. Điều này tạo ra hiện tượng gợn sóng điện áp ở tải và làm tăng nhiễu chuyển sang các lưới gần đó. Một bộ vi điều khiển yêu cầu đường ray 3,3V sạch có thể bị đặt lại định kỳ nếu trình điều khiển động cơ dòng điện cao dùng chung lớp đồng mà không nối đất hình sao. Trên bo mạch bốn lớp, mặt phẳng công suất rắn cung cấp trở kháng dưới 10 mΩ cho bất kỳ điểm nào; trên bảng hai lớp, cùng một kết nối thông qua một vết rộng 0,5 mm có thể thể hiện hàng trăm triệu ohm và corresponding voltage droop.

Nhiễu điện từ (EMI) khó ngăn chặn hơn trên hai lớp. Mặt phẳng đất liên tục trên một lớp sẽ giúp ích, nhưng nếu mặt đối diện phải được sử dụng để định tuyến thì bất kỳ khe hoặc phân chia nào trong mặt phẳng đó sẽ tạo ra một ăng-ten khe. Việc truyền tín hiệu tốc độ cao qua một khoảng trống trên đường trở về mặt đất có thể gây ra lỗi kiểm tra EMC ở tần số thấp như 30 MHz . Cách khắc phục duy nhất là ghép các mặt phẳng mặt đất bằng vias và giữ cho các tín hiệu quan trọng tránh bị gián đoạn - một hạn chế sẽ trở nên bất khả thi khi mật độ thành phần tăng lên. Khi một bo mạch không vượt qua được thử nghiệm phát xạ bức xạ và không thể khắc phục sự cố bằng ferrite hoặc tấm chắn, nguyên nhân cốt lõi thường là do cấu trúc mặt đất không phù hợp mà chỉ có thể xếp chồng nhiều lớp mới có thể khắc phục được.

Khi nào nên sử dụng PCB hai mặt: Bảng quyết định thực tế

các question of khi nào nên sử dụng PCB hai mặt có thể được trả lời bằng một vài ngưỡng có thể đo lường được. Nếu thiết kế đáp ứng tất cả các tiêu chí dưới đây thì bảng hai lớp có thể là lựa chọn phù hợp; nếu có nhiều hơn một tiêu chí không thành công thì đã đến lúc xem xét đa lớp. Bảng ánh xạ các tham số dự án điển hình tới số lớp khả thi tối thiểu.

Bảng này cũng đóng khung các PCB hai mặt vs multilayer PCB ranh giới. Một bo mạch có bộ vi điều khiển QFP 48 chân, một vài op-amps và một số đầu nối thường định tuyến rõ ràng trên hai lớp. Hoán đổi QFP đó lấy BGA FPGA 256 bóng và tùy chọn hai lớp sẽ biến mất - các hàng bóng bên trong đơn giản là không thể thoát ra được. các cách chọn lớp PCB Quá trình bắt đầu bằng đánh giá trung thực về tính khả thi của đột phá và tính toàn vẹn của tín hiệu, chứ không phải với ưu tiên mặc định là "càng nhiều lớp thì chuyên nghiệp hơn".

Cách chọn lớp PCB: Hướng dẫn lựa chọn năm bước

Một cấu trúc Hướng dẫn lựa chọn lớp PCB ngăn chặn cả chi phí lãng phí của việc xếp chồng phức tạp không cần thiết và việc quay lại một tấm ván đáng lẽ phải có bốn lớp ngay từ đầu. Thực hiện theo các bước sau theo thứ tự:

1. Đếm số lượng tín hiệu tối đa phải đi qua cạnh bo mạch giữa các thành phần. Nếu khu vực có mật độ cao nhất yêu cầu nhiều hơn hai dấu vết giữa các miếng đệm liền kề trên một lớp thì lớp thứ hai là bắt buộc. Nếu số lượng vượt quá mức hai lớp có thể xử lý, hãy chuyển sang lớp bốn.
2. Xác định tốc độ cạnh tín hiệu nhanh nhất, không chỉ tần số xung nhịp. Tín hiệu 1 MHz với thời gian tăng 1 ns có cùng nội dung hài như đồng hồ 50 MHz. Nếu tỷ lệ cạnh dưới 2 giây , đường trở kháng được kiểm soát và mặt phẳng tham chiếu liên tục trở nên quan trọng đối với tính toàn vẹn của tín hiệu. Điều đó đẩy thiết kế tới bốn lớp.
3. Đánh giá mạng lưới cung cấp điện Nếu bảng có nhiều hơn hai đường điện áp với dòng điện cực đại trên mỗi cái 1A và nếu độ gợn điện áp phải ở dưới 50 mV thì mặt phẳng nguồn chuyên dụng trên bo mạch nhiều lớp là giải pháp sạch nhất. Hai lớp có thể hoạt động với việc định cỡ và tách dấu vết cẩn thận, nhưng nỗ lực bố trí và nguy cơ làm lại sẽ cao hơn.
4. Kiểm tra ngân sách và khối lượng sản xuất. Đối với các nguyên mẫu và bản dựng có khối lượng thấp, mức phạt chi phí của bốn lớp có thể không đáng kể. Đối với các sản phẩm tiêu dùng số lượng lớn, chênh lệch giữa 0,80 USD và 2,40 USD mỗi bảng nhanh chóng tăng lên hàng triệu USD. Bảng hai mặt giành chiến thắng khi hiệu suất kỹ thuật phù hợp và chi phí đơn vị là động lực chính.
5. Kiểm tra bố cục trong CAD. Bắt đầu bố trí hai lớp và cố gắng định tuyến khu vực bị hạn chế nhất. Nếu bạn không thể hoàn thành việc định tuyến mà không vi phạm các quy tắc thiết kế hoặc tạo ra các mặt phẳng nền bị phân mảnh, bảng sẽ cho bạn biết rằng nó cần nhiều lớp hơn. Hãy để nỗ lực bố trí vật lý chứ không phải định kiến ​​​​là trọng tài cuối cùng.

Cái này cách chọn lớp PCB phương pháp cân bằng các yêu cầu về điện với chi phí. các PCB hai mặt applications vượt qua tất cả năm bước đều có phạm vi rộng: bộ điều khiển động cơ, dãy đèn LED, trung tâm cảm biến, cổng tự động hóa gia đình và bộ điều khiển công cụ điện, tất cả đều hoạt động đáng tin cậy trên hai lớp. Những bo mạch không thực hiện được bước hai — giao diện kỹ thuật số nhanh, giao diện RF, bus bộ nhớ tốc độ cao — là những bo mạch cần bốn, sáu hoặc nhiều lớp. Hiểu biết về PCB hai mặt disadvantages tính toàn vẹn của tín hiệu và khả năng phân phối điện giúp cuộc gọi trở nên rõ ràng: duy trì ở hai lớp miễn là quá trình định tuyến hoàn tất và tín hiệu trả về vẫn nguyên vẹn, sau đó tăng cường khi tính chất vật lý của tốc độ biên và trở kháng mặt phẳng yêu cầu điều đó.