Kaksipuolinen piirilevy vs yksi- ja monikerroksinen: Edut ja kerroksen valintaopas

PCB-kerroksen päätös: hinta, tiheys ja suorituskyky

Jokainen piirilevysuunnittelu alkaa perustavanlaatuisesta valinnasta: kuinka monta johtavaa kerrosta tarvitaan. The yksipuolinen vs kaksipuolinen piirilevy kysymys on tien ensimmäinen haara, ja askel kaksipuolisesta monikerroksiseksi on toinen. Jokainen hyppy lisää kustannuksia, monimutkaisuutta ja ominaisuuksia. Yksipuolinen kortti asettaa kaiken kuparin yhdelle pinnalle, pakottaen jokaisen signaalijäljen liikkumaan komponenttijohtojen ympärillä risteytymättä. A kaksipuolinen piirilevy lisää toisen kuparikerroksen ja yhdistää nämä kaksi pinnoitetuilla läpimeneviä reikiä, mikä noin kaksinkertaistaa käytettävissä olevan reititysalueen. Monikerroksinen levy pinoaa neljä, kuusi tai useampia kerroksia erillisillä teho- ja maatasoilla, mikä muuttaa signaalin eheyden ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden huomattavalla hinnalla.

Tämä opas toimii läpi kaksipuolinen piirilevy vs multilayer PCB ja yksipuolinen vs kaksipuolinen piirilevy käytännön vertailut: hinta neliösenttiä kohti, tiheys, komponenttien enimmäismäärä ja EMI-ohjaus. Lopussa sinulla on selvä PCB-kerroksen valintaopas joka sovittaa levyn monimutkaisuuden tuotteen sähköisiin ja mekaanisiin vaatimuksiin ilman liiallista pinoamista.

Yksipuolinen vs kaksipuolinen piirilevy: Ensimmäinen iso askel

Yksipuolinen PCB on alusta – lähes aina FR-4 tai fenolipaperi – jonka toisella puolella on vain kuparifolio. Komponentit sijaitsevat ei-kuparin puolella, ja johdot työntyvät juotettuihin tyynyihin. Kaikki reititys tapahtuu samassa kuparikerroksessa, mikä pakottaa kaikki jäljet, jotka ylittävät toisen, ottamaan kiertotietä tai käyttämään nollaohmista hyppylankaa. Tämä toimii vähän monimutkaisissa piireissä: virtalähde, jossa on kourallinen erillisiä komponentteja, LED-kortti tai yksinkertainen anturiliitäntä. Kun mikro-ohjain, RF-osio tai tiheä liitin tulee kaavamaiseen, yksipuolinen reititys muuttuu epäkäytännölliseksi tai mahdottomaksi.

The kaksipuolinen piirilevy advantages yli yksipuolinen aloita kautta. Lisäämällä toinen kuparikerros ja pinnoittamalla reikien läpi signaalit voivat siirtyä ylhäältä alimmalle kerrokselle missä tahansa kohdassa. Suunnittelija voi reitittää tiheän BGA- tai QFP-paketin ilman mahdottomia rotanpesiä. Kaksipuoliset levyt mahdollistavat myös yhden kerroksen maatäytön, mikä parantaa signaalin paluureittejä ja vähentää säteilevää kohinaa – tämä ominaisuus puuttuu yksipuolisista malleista. Kustannussakko toisen kerroksen ja pinnoitettujen reikien lisäämisestä on yleensä 30-60 % yli vastaavan yksipuolisen levyn, palkkion, joka ostaa hyppyjohdot, manuaalisen kokoonpanon ajan ja luotettavuusriskit.

Kaksipuolinen piirilevy vs. monikerroksinen piirilevy: Kun kaksi kerrosta lakkaa olemasta tarpeeksi

The kaksipuolinen piirilevy vs multilayer PCB kynnys ylittyy, kun signaalin eheys, tehon jakautuminen tai komponenttitiheys ylittää kaksi kuparitasoa. Kaksipuolinen kortti pakottaa virran ja maadoituksen jakamaan reititystilan signaalien kanssa, usein rasvajälkinä kietoutuneena komponenttien ympärille. Tämä luo korkean silmukkainduktanssin, jännitehäviön ja ylikuulumisen. Nelikerroksinen levy - yksinkertaisin monikerroksinen - omistaa tyypillisesti sisäkerrokset kiinteälle maatasolle ja tehotasolle. Tämä tuo jokaisen signaalin paluupolun suoraan jäljen viereen, leikkaaen silmukan aluetta ja säteilevät päästöt 10 dB tai enemmän verrattuna kaksikerroksiseen asetteluun, jossa on hajanaiset pohjatäytteet.

Monikerroksiset levyt käsittelevät myös korkean pin-lukumäärän BGA:ita ja tiheitä muistiliitäntöjä, jotka tarvitsevat mikroliuska- tai liuskajohtoimpedanssin ohjauksen. Kaksikerroksisella levyllä olevaa DDR3- tai DDR4-muistiväylää on lähes mahdotonta reitittää ajoitusta säilyttäen; neljä tai kuusi kerrosta, joissa on haudatut vertailutasot, ovat perusviiva. Tämän ominaisuuden hinta on kova: nelikerroksinen levy maksaa 2-3 kertaa yhtä paljon kuin kaksikerroksinen vastine, ja läpimenoaika venyy, koska laminointijaksot moninkertaistuvat. Päätös siirtyä kaksipuolisesta monikerroksiseen tulee perustua selkeään tekniseen vaatimukseen – ei oletukseen, että useampi kerros on aina parempi.

Kaksipuolisen piirilevyn edut: Miksi kaksi kerrosta pysyy teollisuuden peruslinjassa

The kaksipuolinen piirilevy advantages ulottuvat reitityskevennyksen ulkopuolelle. Kustannus on ilmeisin. Kaksikerroksisessa levyssä käytetään yhtä laminointisykliä, tavallista kaksipuolista kuparipäällysteistä laminaattia ja yksinkertaista porauslevyetsausprosessia. Sisäkerroksen rekisteröinti- ja laminointivaiheiden puuttuminen pitää tuoton korkeana ja hinnat alhaisina. a 100 × 100 mm levy FR-4:ssä 1 unssilla kuparia , kaksipuolinen kymmenen kappaleen prototyyppierä voi maksaa alle 50 dollaria, kun taas nelikerroksinen vastaava usein ylittää 150 dollaria.

Uudelleentyöstö ja virheenkorjaus ovat yksinkertaisempia kahdessa kerroksessa. Jokainen jälki on näkyvissä toisella kahdesta ulkopinnasta; ei ole haudattua signaalia, joka vaatisi röntgenkuvan. Jos jälki on leikattava tai liimalanka on lisättävä, pääsy on triviaalia. Sitä vastoin sisäkerroksen jäljen muokkaaminen nelikerroksisella levyllä on käytännössä mahdotonta. Tämä näkyvyys nopeuttaa esillepanoa ja vianhakua, minkä vuoksi monet kehityslevyt ja proof-of-concept-prototyypit pysyvät kaksikerroksisina, vaikka lopputuote saattaisi siirtyä korkeammalle tasolle. The kaksipuolinen piirilevy applications Tästä hyötyvät eniten ne, joilla on kohtalainen monimutkaisuus, suuri kustannusherkkyys ja nopea iterointi – kuluttajalaitteiden ohjaukset, LED-ohjaimet ja teollisuusanturiliitännät.

Kaksipuolisten piirilevyjen haitat: rajat, joihin pääset

Tunnustetaan kaksipuolinen piirilevy disadvantages on yhtä tärkeää kuin vahvuuksien luetteleminen. Ensimmäinen raja on virranjako. Ilman erillistä tasoa syöttövirta kulkee jälkiä pitkin, jotka jakavat kerroksen signaalien kanssa. Tämä aiheuttaa jännitteen aaltoilua kuormassa ja kytkee kytkentääänen läheisiin verkkoihin. Mikro-ohjain, joka vaatii puhtaan 3,3 V:n kiskon, voi kärsiä säännöllisistä nollauksista, jos suurvirtamoottoriohjain jakaa saman kuparikerroksen ilman tähtimaadoitusta. Nelikerroksisella levyllä kiinteä tehotaso toimittaa alle 10 mΩ impedanssin mihin tahansa pisteeseen; kaksikerroksisella levyllä voidaan näyttää sama yhteys 0,5 mm leveän nauhan kautta satoja milliohmeja ja corresponding voltage droop.

Sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) on vaikeampi hillitä kahdella kerroksella. Jatkuva maataso yhdellä kerroksella auttaa, mutta jos reitittämiseen on käytettävä vastakkaista puolta, mikä tahansa siinä oleva rako tai jako muodostaa rakoantennin. Suurinopeuksisen signaalin ohjaaminen maahan paluutien raon yli voi aiheuttaa EMC-testin epäonnistumisia niinkin matalilla taajuuksilla kuin 30 MHz . Ainoa korjaus on ommella maatasot läpivientiaukoilla ja pitää kriittiset signaalit poissa epäjatkuvuuksista – rajoite, joka tulee mahdottomaksi komponenttitiheyden kasvaessa. Kun levy ei läpäise säteilypäästötestausta eikä sitä voida korjata ferriiteillä tai suojauksella, perimmäinen syy on usein riittämätön maarakenne, jonka vain monikerroksinen pino voi korjata.

Milloin käyttää kaksipuolista piirilevyä: Käytännön päätöstaulukko

Kysymys milloin käyttää kaksipuolista piirilevyä voidaan vastata muutamalla mitattavissa olevalla kynnysarvolla. Jos malli täyttää kaikki alla olevat kriteerit, kaksikerroksinen levy on todennäköisesti oikea valinta; Jos useampi kuin yksi kriteeri epäonnistuu, on aika harkita monikerroksisuutta. Taulukko kartoittaa tyypilliset projektin parametrit vähimmäismäärään.

Tämä taulukko kehystää myös kaksipuolinen piirilevy vs multilayer PCB rajaa. Levy, jossa on 48-nastainen QFP-mikrokontrolleri, muutama operaatiovahvistin ja jotkut liittimet, kulkee yleensä siististi kahdessa kerroksessa. Vaihda tämä QFP 256 pallon BGA FPGA:han ja kaksikerroksinen vaihtoehto katoaa – pallojen sisärivit eivät yksinkertaisesti pääse pakoon. The kuinka valita piirilevykerrokset prosessi alkaa tällä rehellisellä arvioinnilla katkeamisen toteutettavuudesta ja signaalin eheydestä, ei oletusasetuksilla "enemmän tasoja ovat ammattimaisempia".

PCB-kerrosten valitseminen: Viisivaiheinen valintaopas

Strukturoitu PCB-kerroksen valintaopas estää sekä tarpeettoman monimutkaisen pinoamisen hukkaan heitetyt kustannukset että laudan tuskallisen uudelleenpyörityksen, jonka olisi pitänyt olla alusta alkaen neljä kerrosta. Noudata näitä vaiheita järjestyksessä:

1. Laske signaalien enimmäismäärä, jonka tulee ylittää levyn reuna komponenttien välillä. Jos suurin tiheysalue vaatii enemmän kuin kaksi jälkeä vierekkäisten tyynyjen välillä yhdellä kerroksella, toinen kerros on pakollinen. Jos määrä ylittää sen, mitä kaksi tasoa pystyy käsittelemään, siirry neljään.
2. Tunnista nopein signaalin reunanopeus, ei vain kellotaajuutta. 1 MHz:n signaalilla, jonka nousuaika on 1 ns, on sama harmoninen sisältö kuin 50 MHz:n kellolla. Jos reunahinnat ovat alle 2 ns , ohjatut impedanssijäljet ja jatkuva vertailutaso tulevat kriittisiksi signaalin eheydelle. Tämä työntää suunnittelua kohti neljää kerrosta.
3. Arvioi virransyöttöverkko. Jos levyssä on enemmän kuin kaksi jännitekiskoa huippuvirtojen yläpuolella 1A kukin , ja jos jännitteen aaltoilun on pysyttävä alle 50 mV, erillinen tehotaso monikerroksisessa levyssä on puhtain ratkaisu. Kaksi kerrosta voi toimia huolellisella jälkimittauksella ja irrottamalla, mutta asettelutyö ja uudelleentyöskentelyn riski ovat suuremmat.
4. Tarkista budjetti ja tuotantomäärä. Prototyypeissä ja pienivolyymissa rakennelmissa neljän kerroksen kustannussakko voi olla merkityksetön. Suuren volyymin kuluttajatuotteissa ero 0,80–2,40 dollaria lautaa kohden kasvaa nopeasti miljooniin. Kaksipuoliset levyt voittaa, kun tekninen suorituskyky on riittävä ja yksikköhinta on ensisijainen tekijä.
5. Testaa asettelua CADissa. Aloita kaksikerroksinen sijoittelu ja yritä reitittää kaikkein rajoittunein alue. Jos et voi suorittaa reititystä loppuun rikkomatta suunnittelusääntöjä tai luomatta hajanaisia ​​maatasoja, kortti kertoo, että se tarvitsee lisää kerroksia. Olkoon fyysinen layout-yritys, ei ennakkokäsitys, lopullinen välimies.

Tämä kuinka valita piirilevykerrokset menetelmä tasapainottaa sähkövaatimukset ja kustannukset. The kaksipuolinen piirilevy applications jotka läpäisevät kaikki viisi vaihetta, ovat laajoja: moottoriohjaimet, LED-ryhmät, anturikeskittimet, kodin automaatioyhdyskäytävät ja sähkötyökalujen ohjaimet toimivat luotettavasti kahdessa kerroksessa. Levyt, jotka epäonnistuvat vaiheessa kaksi – nopeat digitaaliset rajapinnat, RF-etupäät, nopeat muistiväylät – tarvitsevat neljä, kuusi tai useampia kerroksia. Ymmärtäminen kaksipuolinen piirilevy disadvantages signaalin eheys ja tehonsiirto tekevät puhelusta selkeän: pysy kahdella tasolla niin kauan kuin reititys on valmis ja signaalin palautukset pysyvät ehjinä, ja tehosta sitten, kun reunanopeuksien ja tasoimpedanssin fysiikka sitä vaativat.