PCB đơn, đôi và nhiều lớp: Các loại và cách chọn

PCB một mặt là lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng đơn giản, chi phí thấp; PCB hai mặt phù hợp với độ phức tạp vừa phải với hạn chế về ngân sách; và PCB đa lớp rất cần thiết cho các thiết kế mật độ cao, tốc độ cao hoặc nhạy cảm với tiếng ồn. Ba loại PCB này thể hiện sự tiến bộ về độ phức tạp, khả năng và chi phí trong sản xuất—mỗi loại có một bộ ứng dụng được xác định rõ ràng để mang lại kết quả tốt nhất. Một bảng một mặt có giá 0,5 USD để sản xuất là quyết định đúng đắn về kỹ thuật và thương mại cho bộ điều khiển LED cơ bản; chính bo mạch đó sẽ là điểm khởi đầu không thực tế cho modem 5G. Hiểu được sự khác biệt về cấu trúc, điện và sản xuất giữa ba loại này là nền tảng để đưa ra quyết định đúng đắn về PCB ngay từ giai đoạn thiết kế sớm nhất.

Cách số lượng lớp PCB xác định khả năng

Bảng mạch in là một cấu trúc nhiều lớp gồm các lớp đồng dẫn điện được ngăn cách bằng vật liệu nền cách điện - phổ biến nhất là tấm laminate thủy tinh-epoxy FR4. Số lượng lớp đồng xác định có bao nhiêu kênh định tuyến độc lập tồn tại trong bo mạch, từ đó chi phối mật độ định tuyến, tính toàn vẹn của tín hiệu, chất lượng phân phối điện và hiệu suất tương thích điện từ (EMC).

Ba cấu hình lớp cơ bản, mỗi cấu hình đại diện cho một tầng khả năng kỹ thuật riêng biệt:

• PCB một mặt (1 lớp đồng): Tất cả các dấu vết dẫn điện đều ở một bên của chất nền. Việc gắn thành phần và định tuyến theo dõi chiếm cùng một mặt phẳng, giới hạn mật độ định tuyến ở mức có thể đạt được mà không cần giao nhau.
• PCB hai mặt (2 lớp đồng): Dấu vết đồng tồn tại trên cả hai mặt của đế, được kết nối thông qua các lỗ mạ (PTH). Các thành phần có thể được gắn trên một hoặc cả hai mặt, tăng gần gấp đôi khả năng định tuyến so với bảng một mặt.
• PCB đa lớp (4 lớp đồng): Nhiều lớp đồng được dát mỏng thành một cấu trúc bảng mạch duy nhất với các lớp định tuyến bên trong, các mặt phẳng nguồn chuyên dụng và các mặt phẳng tiếp đất. Số lớp nằm trong khoảng từ 4 đến 50 trong các ứng dụng nâng cao, với 4, 6, 8 và 10 lớp là cấu hình thương mại phổ biến nhất.

Vai trò của vật liệu nền

Cả ba loại PCB đều sử dụng các tùy chọn chất nền giống nhau, tuy nhiên việc lựa chọn vật liệu trở nên quan trọng hơn khi số lượng lớp tăng lên. FR4 (epoxy gia cố bằng thủy tinh, Tg 130–170°C) là tiêu chuẩn cho phần lớn các ứng dụng thương mại và công nghiệp. Thiết kế tần số cao ở trên 1GHz ngày càng yêu cầu các tấm mỏng có tổn thất thấp như Rogers 4003C (hằng số điện môi εr = 3,55, tang tổn hao 0,0027) hoặc Isola IS680 để duy trì tính toàn vẹn tín hiệu trên nhiều lớp—một vấn đề cần cân nhắc không nảy sinh trong hầu hết các ứng dụng một mặt.

PCB một mặt : Cấu trúc, điểm mạnh và ứng dụng lý tưởng

PCB một mặt có một lớp lá đồng được liên kết với một mặt của chất nền cách điện. Các thành phần thường được gắn trên mặt đồng (đối với các thành phần xuyên lỗ, dây dẫn đi qua bo mạch và được hàn trên mặt đồng) hoặc trên mặt đế trần với các thành phần SMD được hàn vào các miếng đồng ở mặt đối diện.

Quy trình sản xuất và lợi thế chi phí

Các tấm ván một mặt được sản xuất bằng quy trình trừ đơn giản: lớp nền mạ đồng được phủ chất cản quang, lộ ra qua một màng mẫu mạch, được tráng và khắc để loại bỏ phần đồng không mong muốn. Việc không có lớp mạ xuyên lỗ, cán lớp bên trong và nhiều thao tác căn chỉnh khiến PCB một mặt trở thành loại PCB đơn giản và rẻ nhất để sản xuất.

Trong sản xuất số lượng lớn (100.000 chiếc), bảng FR4 một mặt tiêu chuẩn có kích thước 100 × 80 mm có thể được sản xuất cho 0,10–0,50 USD mỗi đơn vị . Lợi thế về chi phí này rất có ý nghĩa đối với các thiết bị điện tử tiêu dùng có mục tiêu chặt chẽ về định mức nguyên vật liệu.

Hạn chế về thiết kế của bảng một mặt

Hạn chế cơ bản của thiết kế một mặt là các dấu vết không thể đi qua nếu không có dây nhảy hoặc điện trở 0 ohm—không có lớp thứ hai để định tuyến qua dấu vết hiện có. Điều này hạn chế độ phức tạp của mạch đối với các thiết kế trong đó tất cả các kết nối có thể được định tuyến theo cấu hình phẳng không giao nhau. Giới hạn trên thực tế cho thiết kế một mặt thường là:

• Số lượng linh kiện dưới khoảng 30–50 linh kiện xuyên lỗ hoặc linh kiện SMD
• Số lượng mạng dưới khoảng 50–80 kết nối
• Không có đường dẫn tín hiệu tần số cao yêu cầu trở kháng hoặc che chắn được kiểm soát
• Không có yêu cầu về nguồn điện chuyên dụng hoặc mặt đất

Nơi PCB một mặt Excel

Các bo mạch một mặt vẫn được sản xuất với số lượng lớn trên nhiều ứng dụng đã được thiết lập tốt:

• Trình điều khiển và bộ điều khiển đèn LED: Mạch chuyển đổi nguồn đơn giản với mật độ thành phần thấp và không yêu cầu tần số cao
• Bảng cung cấp điện cơ bản: Các mạch biến áp, bộ chỉnh lưu và bộ lọc yêu cầu đồng chắc chắn để cung cấp năng lượng nhưng độ phức tạp định tuyến tín hiệu ở mức tối thiểu
• Điều khiển từ xa và thiết bị điện tử tiêu dùng đơn giản: Máy tính, đồ chơi cơ bản và bộ điều khiển từ xa IR trong đó mạch được thiết lập tốt và thiết kế ổ đĩa giảm thiểu chi phí
• Bảng giao diện cảm biến: Mạch điều hòa tương tự đơn giản cho cảm biến nhiệt độ, áp suất hoặc tiệm cận trong thiết bị
• Bảng rơle và cầu chì ô tô: Mạch chuyển mạch dòng điện cao trong đó độ rộng vết và quản lý nhiệt quan trọng hơn mật độ định tuyến

PCB hai mặt: Mật độ tăng và phạm vi ứng dụng rộng hơn

PCB hai mặt bổ sung thêm lớp đồng thứ hai ở mặt đối diện của đế và kết nối hai lớp thông qua các lỗ mạ (PTH)—các lỗ khoan lót đồng tạo ra kết nối điện giữa các lớp đồng trên và dưới. Sự bổ sung duy nhất này về cơ bản làm thay đổi không gian thiết kế dành cho kỹ sư.

Lỗ mạ: Công nghệ kích hoạt chính

PTH vias được khoan xuyên qua toàn bộ độ dày của bảng và sau đó được mạ điện bằng đồng đến độ dày thành là tối thiểu 25 µm theo IPC-6012 Loại 2 (thương mại tiêu chuẩn) hoặc tối thiểu 20 µm theo Loại 1. Lớp mạ tạo ra kết nối cơ và điện đáng tin cậy giữa các lớp. Thông qua đường kính mũi khoan trong phạm vi chế tạo hai mặt tiêu chuẩn từ 0,2 mm đến 6,3 mm , với kích thước lỗ hoàn thiện nhỏ hơn 0,1–0,15 mm so với đường kính mũi khoan sau khi mạ.

Việc bổ sung quy trình sản xuất PTH sẽ bổ sung thêm các bước lắng đọng đồng hóa học, mạ điện và các bước kiểm tra bổ sung cho quy trình chế tạo — làm tăng chi phí đơn vị lên khoảng 30–60% so với một mặt với kích thước và khối lượng bo mạch tương đương nhưng cung cấp khả năng định tuyến gần gấp đôi.

Khả năng thiết kế của bảng hai mặt

• Độ phân giải chéo theo dõi: Bất kỳ xung đột dấu vết nào ở lớp trên cùng đều có thể được giải quyết bằng cách thả xuống lớp dưới cùng thông qua via, định tuyến theo dấu vết xung đột và quay trở lại. Điều này giúp loại bỏ giới hạn dây nhảy của thiết kế một mặt.
• Mật độ thành phần tăng: Các thành phần SMD có thể được đặt trên cả hai mặt của bo mạch, có khả năng tăng gấp đôi mật độ thành phần trong cùng một diện tích bo mạch—rất quan trọng đối với các ứng dụng tiêu dùng và công nghiệp bị hạn chế về không gian.
• Nguồn điện một phần và tham chiếu mặt đất: Một lớp có thể được sử dụng chủ yếu để phân phối nguồn và nối đất trong khi lớp kia xử lý việc định tuyến tín hiệu—một cải tiến so với một mặt nhưng không có đầy đủ lợi ích của các mặt phẳng bên trong chuyên dụng.
• Định tuyến tín hiệu tần số vừa phải: Bảng hai mặt hỗ trợ các dấu vết trở kháng được kiểm soát cho các tín hiệu lên đến xấp xỉ 100–200 MHz với thiết kế cẩn thận, mặc dù không có tham chiếu mặt đất, việc điều khiển trở kháng sẽ kém chính xác hơn so với thiết kế nhiều lớp.

Các ứng dụng điển hình cho PCB hai mặt

• Bảng điều khiển công nghiệp: PLC, bộ điều khiển động cơ, logic rơle và bảng điều khiển HVAC nơi yêu cầu mật độ thành phần vừa phải và định tuyến tín hiệu/nguồn hỗn hợp
• Dụng cụ y tế: Thiết bị chẩn đoán, thiết bị theo dõi bệnh nhân và bơm truyền dịch có độ tin cậy rất cao nhưng tần số tín hiệu ở mức vừa phải
• Điện tử thân xe ô tô: Mô-đun bảng điều khiển, bộ điều khiển thân xe và cụm cảm biến trong đó độ phức tạp của mạch vượt quá khả năng một mặt nhưng không phù hợp với chi phí nhiều lớp
• Điện tử công suất: Bộ biến tần, bộ chuyển đổi DC-DC và bảng UPS trong đó cả dấu vết nguồn và tín hiệu cùng tồn tại và khả năng phân tách trên/dưới mang lại lợi thế bố trí
• Điện tử tiêu dùng tầm trung: Bộ khuếch đại âm thanh, bộ chuyển mạch mạng và bộ điều khiển tự động hóa gia đình

PCB đa lớp : Mật độ cao, hiệu suất cao và tính toàn vẹn tín hiệu

PCB nhiều lớp đạt được các khả năng mà về cơ bản không thể tiếp cận được đối với các thiết kế một mặt hoặc hai mặt—không chỉ thông qua khả năng định tuyến bổ sung mà còn thông qua hiệu suất điện khác biệt về chất lượng được kích hoạt bởi các mặt đất bên trong, các mặt phẳng nguồn và định tuyến cặp vi sai được kiểm soát trong môi trường được bảo vệ.

Ván nhiều lớp được sản xuất như thế nào

Quá trình chế tạo nhiều lớp bắt đầu với các lõi lớp bên trong hai mặt riêng lẻ, mỗi lõi được xử lý giống như một bảng hai mặt độc lập (hình ảnh, khắc, kiểm tra). Các lớp bên trong sau đó được căn chỉnh bằng cách sử dụng các chốt đăng ký chính xác và được ép cùng với các lớp liên kết prereg (epoxy sợi thủy tinh được ngâm tẩm trước) trong máy ép thủy lực được nung nóng ở 170–200°C và 250–400 psi . Sau khi cán mỏng, các lớp bên ngoài được xử lý, khoan và mạ PTH kết nối tất cả các lớp và tấm ván đã hoàn thành.

Độ chính xác đăng ký lớp này sang lớp khác trong chế tạo nhiều lớp chất lượng cao thường là ±75–100 µm , đảm bảo rằng thông qua các vị trí khoan thẳng hàng với các miếng đồng trên tất cả các lớp bên trong. Chế tạo tiên tiến với microvia được khoan bằng laser đạt được mức đăng ký trong vòng ±25 µm dành cho bảng HDI (Kết nối mật độ cao).

Máy bay điện và mặt đất: Lợi thế đa lớp cốt lõi

Việc dành riêng các lớp bên trong cho nguồn điện đồng nguyên khối và mặt đất mang lại ba lợi ích quan trọng không thể sao chép được trong các thiết kế hai lớp:

• Định tuyến trở kháng được kiểm soát: Dấu vết tín hiệu trên các lớp bên ngoài với mặt phẳng nền liền kề trực tiếp (thường Khoảng cách 0,1–0,2 mm ) tạo thành một đường truyền được xác định rõ ràng với trở kháng đặc tính có thể tính toán được. Một microstrip 50Ω trên bảng 4 lớp tiêu chuẩn yêu cầu chiều rộng vết xấp xỉ 0,2–0,3 mm tùy thuộc vào độ dày điện môi—có thể đạt được và tính toán được với độ chính xác không có trong thiết kế hai lớp.
• Hiệu suất mạng phân phối điện (PDN): Mặt phẳng nguồn bằng đồng nguyên khối cung cấp khả năng cung cấp điện có trở kháng thấp đồng thời cho tất cả các bộ phận trên bo mạch, giảm nhiễu nguồn điện (dợn sóng Vdd) và độ tự cảm của các đường dẫn điện. Điều này rất quan trọng đối với các IC kỹ thuật số tốc độ cao vốn tạo ra dòng điện thoáng qua lớn trong các sự kiện chuyển mạch.
• Che chắn EMI: Các mặt đất bên trong hoạt động như lá chắn điện từ giữa các lớp tín hiệu, giảm nhiễu xuyên âm giữa các lớp định tuyến liền kề và hạn chế phát xạ bức xạ. Bảng 4 lớp thường đạt được EMI bức xạ thấp hơn 10–15 dB hơn thiết kế 2 lớp tương đương ở tần số cao—thường là sự khác biệt giữa việc đạt và không đạt chứng nhận FCC hoặc CE.

Chiến lược xếp chồng lớp cho các cấu hình phổ biến

Sự sắp xếp các lớp tín hiệu, nguồn và nối đất trong một khối xếp chồng nhiều lớp sẽ xác định hiệu suất điện của bo mạch. Thiết kế xếp chồng kém làm mất đi lợi thế của các lớp bổ sung; thiết kế xếp chồng tốt sẽ tối đa hóa tính toàn vẹn tín hiệu và hiệu suất PDN trong số lớp tối thiểu.

Vias mù và chôn trong thiết kế nhiều lớp nâng cao

Các lỗ xuyên tiêu chuẩn trong bảng nhiều lớp tiêu tốn không gian đệm và chống đệm trên mọi lớp chúng đi qua, ngay cả các lớp chúng không kết nối. Trong các thiết kế mật độ cao với các thành phần BGA có cường độ cao ( Khoảng cách 0,4–0,5 mm ), vias xuyên lỗ tiêu tốn quá nhiều không gian định tuyến. Vias mù (chỉ kết nối các lớp bên ngoài với các lớp bên trong) và vias chôn (kết nối các lớp bên trong mà không chạm tới bề mặt bên ngoài) cho phép định tuyến quạt ra dưới BGA mà vias xuyên lỗ không thể đạt được. Những công nghệ này thêm 30–80% chi phí chế tạo nhưng rất cần thiết cho bộ xử lý mật độ cao và định tuyến bộ nhớ hiện đại.

Các ứng dụng yêu cầu PCB nhiều lớp

• Điện thoại thông minh và máy tính bảng: Bảng mạch 6–10 lớp có cấu trúc HDI, BGA âm sắc cao và các cặp vi sai trở kháng được kiểm soát dành cho giao diện USB 3.x, MIPI và PCIe
• Thiết bị máy chủ và mạng: 8–16 bảng lớp định tuyến các làn SerDes nhiều gigabit, giao diện bộ nhớ DDR5 và kết nối PCIe Gen4/Gen5
• ADAS và ECU ô tô: Bảng mạch 6–12 lớp trong các hệ thống quan trọng về an toàn yêu cầu tuân thủ EMC và định tuyến giao diện cảm biến tốc độ cao
• Trạm gốc 5G và thiết bị điện tử RF: Bảng nhiều lớp hỗn hợp nhiều lớp với các lớp RF tổn thất thấp và các lớp kỹ thuật số FR4 tiêu chuẩn trong cùng một ngăn xếp
• Điện tử hàng không vũ trụ và quốc phòng: Bo mạch nhiều lớp có độ tin cậy cao theo tiêu chuẩn IPC Loại 3 với các tấm cán mỏng có phạm vi nhiệt độ mở rộng

So sánh trực tiếp: PCB một mặt, hai mặt và nhiều lớp

Cách chọn loại PCB phù hợp cho thiết kế của bạn

Khung quyết định lựa chọn loại PCB phải thông qua một loạt các ràng buộc thiết kế theo thứ tự ưu tiên. Tối ưu hóa chi phí chỉ có hiệu lực sau khi xác nhận đã đáp ứng các yêu cầu về chức năng—việc chọn bo mạch một mặt để tiết kiệm chi phí và sau đó phát hiện ra rằng không thể định tuyến sẽ gây lãng phí nhiều thời gian và tiền bạc hơn so với mức tiết kiệm ban đầu.

1. Đánh giá yêu cầu về tần số tín hiệu: Nếu bất kỳ tín hiệu nào trên bảng hoạt động ở trên 100 MHz hoặc nếu bất kỳ giao diện nào yêu cầu trở kháng được kiểm soát (USB 2.0/3.x, HDMI, PCIe, bộ nhớ DDR, dấu vết RF), thì cần phải có bảng mạch nhiều lớp với tham chiếu mặt đất. Tiêu chí duy nhất này loại trừ các bảng một mặt và hai mặt đối với phần lớn các thiết kế kỹ thuật số hiện đại.
2. Đánh giá số lượng thành phần và cách đóng gói: Nếu thiết kế bao gồm bất kỳ thành phần BGA, QFN hoặc CSP bước nào có bước dưới 0,8 mm thì việc định tuyến quạt ra hầu như luôn yêu cầu ít nhất một bo mạch 4 lớp. Các thành phần BGA có bước dưới 0,5 mm thường yêu cầu HDI với vias mù/chôn bất kể số lớp.
3. Kiểm tra các yêu cầu EMC: Các thiết kế yêu cầu chứng nhận FCC Phần 15 Loại B, CE hoặc EMC ô tô khi có bất kỳ đồng hồ hoặc tần số chuyển đổi nào ở trên 30 MHz hầu như sẽ luôn vượt qua chứng nhận một cách đáng tin cậy hơn với bảng nhiều lớp có mặt phẳng phù hợp so với thiết kế 2 lớp, bất kể phương pháp lọc được sử dụng.
4. Đánh giá độ phức tạp của việc định tuyến: Nếu nỗ lực định tuyến và định vị thành phần sơ bộ trên bảng 2 lớp dẫn đến hơn 5–10% kết nối không được định tuyến hoặc yêu cầu phải thỏa hiệp độ dài dấu vết quá mức đối với các tín hiệu quan trọng thì việc chuyển sang bảng 4 lớp sẽ tiết kiệm hơn so với việc lặp lại thêm trên bố cục 2 lớp.
5. Xác nhận mục tiêu khối lượng và chi phí: Chỉ sau khi xác nhận rằng các yêu cầu chức năng được đáp ứng thì mới đưa ra quyết định về số lượng lớp ổ đĩa. Đối với các sản phẩm hàng hóa có khối lượng lớn, trong đó các yêu cầu về chức năng được đáp ứng thực sự bằng bảng một mặt hoặc hai mặt, thì lợi thế về chi phí là đáng kể và đáng được tối ưu hóa.

Khi nâng cấp số lượng lớp tiết kiệm hơn nó xuất hiện

Một quan niệm sai lầm phổ biến là việc chọn số lượng lớp thấp hơn luôn làm giảm tổng chi phí dự án. Trong thực tế, thời gian kỹ thuật bổ sung dành cho việc định tuyến một thiết kế dày đặc trên quá ít lớp, cần tăng diện tích bảng để giải quyết xung đột định tuyến và chi phí kiểm tra lại EMC từ lần chạy chứng nhận không thành công thường vượt quá chênh lệch chi phí chế tạo giữa bảng 2 lớp và bảng 4 lớp. Bảng 4 lớp có giá cao hơn khoảng 2–2,5 lần so với bảng 2 lớp với số lượng nguyên mẫu —thường chênh lệch từ $30–$80 mỗi bảng—nhưng tránh một chu kỳ thử nghiệm EMC sẽ tiết kiệm được $5.000–$20.000 phí phòng thí nghiệm và thời gian kỹ thuật.

Quy tắc thiết kế PCB và kích thước tính năng tối thiểu theo loại bảng

Việc hiểu kích thước tính năng tối thiểu có thể đạt được trên mỗi loại PCB giúp các nhà thiết kế tránh chỉ định kích thước vượt quá khả năng của nhà chế tạo đã chọn—một nguyên nhân phổ biến dẫn đến sự chậm trễ của nguyên mẫu và tăng chi phí ngoài dự kiến.

Luôn xác minh các quy tắc thiết kế cụ thể với nhà chế tạo bạn đã chọn trước khi hoàn thiện bố cục. Khả năng của nhà chế tạo khác nhau và việc thiết kế theo các giá trị tối thiểu tuyệt đối ở trên mà không có xác nhận sẽ làm tăng nguy cơ xảy ra các vấn đề về năng suất và các khoản phạt chi phí liên quan. Một cách tiếp cận thực tế là nhắm mục tiêu 130–150% giá trị tối thiểu đã nêu của nhà chế tạo đối với các dấu vết và không gian không quan trọng, chỉ dành các tính năng có quy tắc tối thiểu cho những khu vực thực sự cần thiết.