Yksi-, kaksi- ja monikerroksinen piirilevy: tyypit ja valinta

Yksipuoliset piirilevyt ovat oikea valinta yksinkertaisiin, edullisiin sovelluksiin; kaksipuoliset piirilevyt sopivat kohtalaiseen monimutkaisuuteen budjettirajoittein; ja monikerroksiset piirilevyt ovat välttämättömiä suuritiheyksisille, nopeille tai meluherkille malleille. Nämä kolme piirilevytyyppiä edustavat edistystä tuotannon monimutkaisuuden, kapasiteetin ja kustannusten suhteen – jokaisella on selkeästi määritelty sovellussarja, jossa se tuottaa parhaan lopputuloksen. Yksipuolinen lauta, joka maksaa 0,50 dollaria tuotantoon on oikea suunnittelu- ja kaupallinen päätös perus-LED-ohjaimelle; sama kortti olisi epäkäytännöllinen lähtökohta 5G-modeemille. Näiden kolmen luokan rakenteellisten, sähköisten ja valmistuserojen ymmärtäminen on perusta järkevien piirilevypäätösten tekemiselle varhaisessa suunnitteluvaiheessa.

Miten PCB-kerrosmäärä määrittää kapasiteetin

Painettu piirilevy on laminoitu rakenne johtavista kuparikerroksista, jotka on erotettu eristävällä substraattimateriaalilla - yleisimmin FR4-lasiepoksilaminaatilla. Kuparikerrosten lukumäärä määrittää, kuinka monta itsenäistä reitityskanavaa kortilla on, mikä puolestaan ​​​​säätelee reititystiheyttä, signaalin eheyttä, tehonjakelun laatua ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) suorituskykyä.

Kolme peruskerroksen kokoonpanoa edustavat kukin erillistä suunnittelukykytasoa:

• Yksipuolinen piirilevy (1 kuparikerros): Kaikki johtavat jäljet ovat alustan toisella puolella. Komponenttien asennus ja jäljitys ovat samalla tasolla, mikä rajoittaa reititystiheyden siihen, mikä voidaan saavuttaa ilman risteymiä.
• Kaksipuolinen piirilevy (2 kuparikerrosta): Substraatin molemmilla puolilla on kuparijälkiä, jotka on yhdistetty pinnoitettujen läpivientireikien (PTH) kautta. Komponentit voidaan asentaa yhdelle tai molemmille puolille, mikä noin kaksinkertaistaa reitityskapasiteetin yksipuolisiin levyihin verrattuna.
• Monikerroksinen piirilevy (4 kuparikerrosta): Useat kuparikerrokset laminoidaan yhdeksi levyrakenteeksi, jossa on sisäiset reitityskerrokset, omistetut tehotasot ja maatasot. Kerrosmäärät vaihtelevat 4 - 50 edistyneissä sovelluksissa 4, 6, 8 ja 10 kerrosta ovat yleisimmät kaupalliset kokoonpanot.

Substraattimateriaalin rooli

Kaikki kolme piirilevytyyppiä käyttävät samoja perussubstraattivaihtoehtoja, vaikka materiaalin valinta tulee kriittisemmäksi kerrosten määrän kasvaessa. FR4 (lasivahvistettu epoksi, Tg 130–170°C) on standardi useimpiin kaupallisiin ja teollisiin sovelluksiin. Korkeataajuiset mallit yllä 1 GHz vaativat yhä useammin pienihäviöisiä laminaatteja, kuten Rogers 4003C (dielektrisyysvakio εr = 3,55, häviötangentti 0,0027) tai Isola IS680 signaalin eheyden säilyttämiseksi useissa kerroksissa – tämä näkökohta ei esiinny useimmissa yksipuolisissa sovelluksissa.

Yksipuolinen piirilevy : Rakenne, vahvuudet ja ihanteelliset sovellukset

Yksipuolisessa piirilevyssä on yksi kerros kuparikalvoa, joka on liimattu eristävän alustan yhdelle pinnalle. Komponentit asennetaan tyypillisesti kuparipuolelle (läpireikäkomponenteille lyijyjohdot kulkevat levyn läpi ja juotetaan kuparipuolelle) tai paljaalle alustalle, jolloin SMD-komponentit juotetaan kuparityynyihin vastakkaisella puolella.

Valmistusprosessi ja kustannusetu

Yksipuoliset levyt valmistetaan yksinkertaisella vähennysprosessilla: kuparipäällysteinen substraatti päällystetään fotoresistillä, valotetaan piirikuviokalvon läpi, kehitetään ja syövytetään ei-toivotun kuparin poistamiseksi. Läpireiän pinnoituksen, sisäkerroksen laminoinnin ja useiden kohdistustoimintojen puuttuminen tekee yksipuolisista piirilevyistä yksinkertaisimman ja halvimman PCB-tyypin valmistaa.

Suuren volyymin tuotannossa (100 000 yksikköä) voidaan valmistaa tavallinen yksipuolinen FR4-levy, jonka mitat ovat 100 × 80 mm. 0,10–0,50 dollaria yksikköä kohden . Tämä kustannusetu on merkittävä kulutuselektroniikassa, jolla on tiukat materiaalilaskutavoitteet.

Yksipuolisten levyjen suunnittelun rajoitukset

Yksipuolisen suunnittelun perustavanlaatuinen rajoite on, että jäljet eivät voi kulkea ristikkäin ilman hyppyjohdinta tai nollaohmvastusta – olemassa olevan jäljen yli ei ole toista kerrosta. Tämä rajoittaa piirin monimutkaisuuden malleihin, joissa kaikki liitännät voidaan reitittää ei-risteävässä tasokokoonpanossa. Käytännön ylärajat yksipuolisille malleille ovat tyypillisesti:

• Komponenttien määrä alle noin 30–50 läpimenevää tai SMD-komponenttia
• Nettomäärä alle noin 50–80 yhteyttä
• Ei korkeataajuisia signaalipolkuja, jotka vaativat ohjattua impedanssia tai suojausta
• Ei vaadi erillistä tehoa tai maatasoja

Missä yksipuoliset piirilevyt Excel

Yksipuoliset levyt ovat edelleen suuria määriä tuotantoa useissa vakiintuneissa sovelluksissa:

• LED-valaistusohjaimet ja -ohjaimet: Yksinkertaiset tehonkytkentäpiirit alhaisella komponenttitiheydellä ja ilman suurtaajuusvaatimuksia
• Perusvirtalähdelevyt: Muuntaja-, tasasuuntaaja- ja suodatinpiirit, jotka vaativat vahvaa kuparia tehojäljitykseen mutta minimaalista signaalin reitityksen monimutkaisuutta
• Kaukosäätimet ja yksinkertainen kulutuselektroniikka: Laskimet, peruslelut ja infrapunakaukosäätimet, joissa piiri on vakiintunut ja kustannusten minimoiminen ohjaa suunnittelua
• Anturin liitäntälevyt: Yksinkertaiset analogiset ilmastointipiirit laitteiden lämpötila-, paine- tai läheisyysantureille
• Autojen rele- ja sulakelevyt: Suurvirtakytkentäpiirit, joissa jäljitysleveys ja lämmönhallinta ovat tärkeämpiä kuin reititystiheys

Kaksipuolinen piirilevy: suurempi tiheys ja laajempi käyttöalue

Kaksipuolinen piirilevy lisää toisen kuparikerroksen alustan vastakkaiselle pinnalle ja yhdistää kaksi kerrosta pinnoitettujen läpivientireikien (PTH) kautta – kuparivuorattujen porausreikien kautta, jotka muodostavat sähköliitännät ylemmän ja alemman kuparikerroksen välille. Tämä yksittäinen lisäys muuttaa perusteellisesti insinöörin käytettävissä olevan suunnittelutilan.

Plated-through-reiät: avain mahdollistava tekniikka

PTH-läpivientireiät porataan koko levyn paksuuden läpi ja galvanoidaan sitten kuparilla seinämän paksuuteen vähintään 25 µm per IPC-6012 Class 2 (tavallinen mainos) tai vähintään 20 µm luokkaa 1 kohti. Pinnoitus luo luotettavan sähköisen ja mekaanisen yhteyden kerrosten välille. Via poran halkaisijat tavallisessa kaksipuolisessa valmistuksessa vaihtelevat 0,2 mm - 6,3 mm , jossa valmiit reikäkoot 0,1–0,15 mm pienempiä kuin poran halkaisija pinnoituksen jälkeen.

PTH:n valmistuksen lisääminen lisää kemiallista kuparin saostusta, galvanointia ja lisätarkastusvaiheita valmistusprosessiin – mikä nostaa yksikkökustannuksia noin 30–60 % yli yksipuolisen vastaavalla levykoolla ja tilavuudella, mutta tarjoaa suunnilleen kaksinkertaisen reitityskapasiteetin.

Kaksipuolisten levyjen suunnitteluominaisuudet

• Jäljityksen risteysresoluutio: Kaikki ylimmän kerroksen jäljitysristiriidat voidaan ratkaista pudottamalla alimmalle tasolle kauttakulkuväylän kautta, reitittämällä ristiriitaisen jäljen alle ja palaamalla. Tämä eliminoi yksipuolisten mallien hyppyjohtimien rajoituksen.
• Komponenttitiheyden kasvu: SMD-komponentit voidaan sijoittaa levyn molemmille puolille, mikä saattaa kaksinkertaistaa komponenttitiheyden samalla levytilalla, mikä on kriittistä rajoitetuissa teollisuus- ja kuluttajasovelluksissa.
• Osittainen teho ja maadoitus: Yhtä kerrosta voidaan käyttää pääasiassa virran ja maan jakeluun, kun taas toinen käsittelee signaalin reititystä - parannus yksipuoliseen, mutta ilman omistettujen sisäisten tasojen kaikkia etuja.
• Keskitaajuinen signaalin reititys: Kaksipuoliset levyt tukevat kontrolloituja impedanssijäljitystä signaaleille jopa noin 100-200 MHz huolellisella suunnittelulla, vaikka ilman maatasoviittausta, impedanssin ohjaus on vähemmän tarkka kuin monikerroksisissa malleissa.

Tyypillisiä sovelluksia kaksipuolisille piirilevyille

• Teollisuuden ohjaustaulut: PLC:t, moottoriohjaimet, relelogiikka ja LVI-ohjauspaneelit, joissa vaaditaan kohtalaista komponenttitiheyttä ja sekoitettua signaali-/tehoreititystä
• Lääketieteelliset instrumentit: Diagnostiikkalaitteet, potilasvalvontalaitteet ja infuusiopumput, joissa luotettavuus on kriittinen, mutta signaalitaajuudet ovat kohtalaisia
• Auton korielektroniikka: Kojelautamoduulit, rungon ohjausyksiköt ja anturiklusterit, joissa piirin monimutkaisuus ylittää yksipuolisen kyvyn, mutta ei oikeuta monikerroksisia kustannuksia
• Tehoelektroniikka: Invertterit, DC-DC-muuntimet ja UPS-kortit, joissa sekä teho- että signaalijäljet ovat rinnakkain ja joissa ylä-/alaerottelu tarjoaa etuja asettelulle
• Keskitason kulutuselektroniikka: Äänivahvistimet, verkkokytkimet ja kotiautomaatioohjaimet

Monikerroksinen piirilevy : Suuri tiheys, korkea suorituskyky ja signaalin eheys

Monikerroksiset piirilevyt saavuttavat ominaisuuksia, jotka ovat pohjimmiltaan saavuttamattomissa yksi- tai kaksipuolisilla malleilla – ei pelkästään lisäreitityskapasiteetin ansiosta, vaan myös laadullisesti erilaisen sähköisen suorituskyvyn ansiosta, jonka mahdollistavat sisäiset maatasot, tehotasot ja ohjattu differentiaalinen parireititys suojatussa ympäristössä.

Kuinka monikerroksisia levyjä valmistetaan

Monikerroksinen valmistus alkaa yksittäisistä kaksipuolisista sisäkerrosytimistä, joista jokainen käsitellään erillisenä kaksipuolisena levynä (kuva, syövyttäminen, tarkastaminen). Sisäkerrokset kohdistetaan sitten käyttämällä tarkkuuskohdistustappeja ja laminoidaan yhteen prepreg-sidoskerroksilla (esikyllästetyt lasikuituepoksit) lämmitetyssä hydraulipuristimessa 170–200 °C ja 250–400 psi . Laminoinnin jälkeen ulkokerrokset käsitellään, poraus ja PTH-pinnoitus yhdistävät kaikki kerrokset, ja levy on valmis.

Laadukas monikerroksisessa valmistuksessa kerrosten välinen rekisteröintitarkkuus on tyypillisesti ±75–100 µm Varmista, että porauskohdat ovat kohdakkain kaikkien sisäkerrosten kuparityynyjen kanssa. Edistyksellinen valmistus laserporattujen mikroläpivientien avulla mahdollistaa rekisteröinnin ±25 µm HDI (High Density Interconnect) -korteille.

Teho- ja maatasot: Ydin monikerroksinen etu

Sisäisten kerrosten omistaminen kiinteälle kupariteholle ja maatasoille tarjoaa kolme kriittistä etua, joita ei voida toistaa kaksikerroksisissa malleissa:

• Ohjattu impedanssireititys: Signaalijäljet ulkokerroksilla, joiden maataso on suoraan vieressä (tyypillisesti 0,1-0,2 mm etäisyys ) muodostavat hyvin määritellyn siirtojohdon, jolla on laskettava ominaisimpedanssi. 50 Ω:n mikroliuska tavallisella 4-kerroksisella levyllä vaatii noin jäljen leveyden 0,2-0,3 mm riippuen eristeen paksuudesta – saavutettavissa ja laskettavissa tarkasti, ei saatavilla kaksikerroksisissa malleissa.
• Sähkönjakeluverkon (PDN) suorituskyky: Kiinteä kuparitehotaso tarjoaa matalaimpedanssisen tehonsyötön kaikille levyn komponenteille samanaikaisesti, mikä vähentää virtalähteen kohinaa (Vdd-ripple) ja tehonsyöttöreittien induktanssia. Tämä on kriittistä nopeille digitaalisille IC:ille, jotka ottavat suuria transienttivirtoja kytkentätapahtumien aikana.
• EMI-suojaus: Sisäiset maatasot toimivat sähkömagneettisina suovina signaalikerrosten välillä vähentäen vierekkäisten reitityskerrosten välistä ylikuulumista ja rajoittaen säteilypäästöjä. 4-kerroksisella levyllä saavutetaan tyypillisesti 10–15 dB pienempi säteily EMI kuin vastaava 2-kerroksinen suunnittelu korkeilla taajuuksilla – usein ero läpäisevän ja epäonnistuneen FCC- tai CE-sertifioinnin välillä.

Layer Stack-Up -strategia yleisille kokoonpanoille

Signaali-, teho- ja maakerrosten järjestely monikerroksisessa pinossa määrittää levyn sähköisen suorituskyvyn. Huono pinottava rakenne kumoaa lisäkerrosten edut; hyvä pinoaminen maksimoi signaalin eheyden ja PDN-suorituskyvyn minimikerrosmäärän sisällä.

Sokeat ja haudatut tiet edistyneissä monikerroksisissa malleissa

Monikerroksisten levyjen vakioläpivientireiät kuluttavat tyyny- ja anti-pad-tilaa jokaisella kerroksella, jonka läpi ne kulkevat, jopa kerroksissa, joita ne eivät yhdistä. Suuritiheyksissä malleissa, joissa on hienojakoiset BGA-komponentit ( 0,4-0,5 mm jako ), läpimenevät läpiviennit kuluttavat liikaa reititystilaa. Sokeat läpiviennit (yhdistävät vain ulommat sisäkerrokset) ja upotetut läpivientiaukot (sisäkerrokset yhdistävät ulkopintaa saavuttamatta) mahdollistavat tuulettimen reitityksen BGA:n alla, jota läpireiän läpiviennit eivät pysty saavuttamaan. Nämä tekniikat lisäävät 30-80% valmistuskustannuksista mutta ne ovat välttämättömiä nykyaikaisille suuritiheyksisille prosessoreille ja muistin reitittämiselle.

Sovellukset, jotka vaativat monikerroksisia piirilevyjä

• Älypuhelimet ja tabletit: 6–10 kerroksen levyt HDI-rakenteella, hienojakoiset BGA:t ja ohjatut impedanssidifferentiaaliparit USB 3.x-, MIPI- ja PCIe-liitäntöihin
• Palvelin ja verkkolaitteet: 8–16 kerroksen levyt, jotka reitittävät usean gigabitin SerDes-kaistat, DDR5-muistiliitännät ja PCIe Gen4/Gen5 -liitännät
• Autojen ADAS ja ECU:t: 6–12-kerroksiset levyt turvallisuuden kannalta kriittisissä järjestelmissä, jotka edellyttävät EMC-yhteensopivuutta ja nopeaa anturin liitännän reititystä
• 5G-tukiasema ja RF-elektroniikka: Sekalaminaattiset monikerroksiset levyt, joissa on pienihäviöiset RF-kerrokset ja standardi FR4-digitaalikerrokset samassa pinossa
• Ilmailu- ja puolustuselektroniikka: Erittäin luotettavat IPC Class 3 -standardien mukaiset monikerroksiset levyt laajennetulla lämpötila-alueella

Suora vertailu: yksipuolinen vs kaksipuolinen vs monikerroksinen piirilevy

Kuinka valita oikea PCB-tyyppi suunnittelullesi

Piirilevytyypin valintaa koskevan päätöksentekokehyksen tulisi toimia läpi useita suunnittelurajoituksia prioriteettijärjestyksessä. Kustannusten optimointi on voimassa vasta, kun toiminnallisten vaatimusten on varmistettu täyttyvän – yksipuolisen levyn valitseminen kustannusten säästämiseksi ja sitten sen havaitseminen, että reititys on mahdoton, hukkaa enemmän aikaa ja rahaa kuin alkuperäinen säästö.

1. Arvioi signaalin taajuusvaatimukset: Jos jokin signaali kortilla toimii yllä 100 MHz , tai jos jokin liitäntä vaatii ohjattua impedanssia (USB 2.0/3.x, HDMI, PCIe, DDR-muisti, RF-jäljet), tarvitaan monikerroksinen kortti, jossa on maatason referenssi. Tämä yksittäinen kriteeri sulkee pois yksi- ja kaksipuoliset levyt suurimmassa osassa nykyaikaisia ​​digitaalisia malleja.
2. Arvioi komponenttien lukumäärä ja pakkaus: Jos suunnittelu sisältää BGA-, QFN- tai hienojakoisen CSP-komponentin, jonka jakoväli on alle 0,8 mm, tuuletusreititys vaatii lähes aina vähintään 4-kerroksisen levyn. BGA-komponentit, joiden jakoväli on alle 0,5 mm, vaativat tyypillisesti HDI:n, jossa on sokeat/hautatut läpiviennit kerrosten lukumäärästä riippumatta.
3. Tarkista EMC-vaatimukset: Mallit, jotka vaativat FCC:n osan 15 luokan B, CE tai autojen EMC-sertifioinnin, jos kello tai kytkentätaajuus on suurempi kuin 30 MHz läpäisee sertifioinnin lähes aina luotettavammin monikerroksisella levyllä, jossa on oikeat maatasot, kuin 2-kerroksisella suunnittelulla käytetystä suodatusmenetelmästä riippumatta.
4. Arvioi reitityksen monimutkaisuus: Jos alustava komponenttien sijoittaminen ja reititysyritys 2-kerroksiselle levylle johtaa yli 5–10 % reitittämättömiin yhteyksiin tai vaatii liiallisia jäljenpituuskompromissia kriittisille signaaleille, siirtyminen 4-kerroksiseen levyyn on taloudellisempaa kuin 2-kerroksisen asettelun jatkaminen.
5. Vahvista volyymi- ja kustannustavoitteet: Vasta sen jälkeen, kun on varmistettu, että toiminnalliset vaatimukset täyttyvät, kustannusten tulisi ohjata tasolaskentaa koskevia päätöksiä. Suurten volyymien hyödyketuotteissa, joissa yksi- tai kaksipuoliset levyt todella täyttävät toiminnalliset vaatimukset, kustannusetu on huomattava ja optimoinnin arvoinen.

Kun kerrosten määrän päivittäminen on taloudellisempaa kuin miltä se näyttää

Yleinen väärinkäsitys on, että pienemmän kerrosmäärän valitseminen vähentää aina projektin kokonaiskustannuksia. Käytännössä ylimääräinen suunnitteluaika, joka kuluu tiheän rakenteen reitittämiseen liian harvoille kerroksille, reititysristiriitojen ratkaisemiseen vaadittava levypinta-alan lisäys ja epäonnistuneen sertifiointiajon EMC-uudelleentestauskustannukset ylittävät usein 2- ja 4-kerroksisen levyn valmistuskustannuseron. 4-kerroksinen levy maksaa noin 2–2,5 kertaa enemmän kuin 2-kerroksinen levy prototyyppimäärillä – ero on usein 30–80 dollaria levyä kohden – mutta yhden EMC-testisyklin välttäminen säästää 5 000–20 000 dollaria laboratoriomaksuissa ja suunnitteluajassa.

Piirilevyn suunnittelusäännöt ja ominaisuuksien vähimmäiskoot levytyypin mukaan

Kunkin piirilevytyypin saavutettavissa olevien ominaisuuksien vähimmäiskokojen ymmärtäminen auttaa suunnittelijoita välttämään mittojen määrittämistä, jotka ylittävät heidän valitsemansa valmistajan kyvyn. Tämä on yleinen syy prototyyppien viiveisiin ja odottamattomiin kustannusten nousuihin.

Tarkista aina tietyt suunnittelusäännöt valitsemaltasi valmistajalta ennen layoutin viimeistelyä. Valmistajien ominaisuudet vaihtelevat, ja yllä olevien ehdottomien vähimmäisarvojen suunnittelu ilman vahvistusta lisää tuottoongelmien ja niihin liittyvien kustannussakkojen riskiä. Käytännön lähestymistapa on tavoitella 130–150 % valmistajan ilmoittamista vähimmäisarvoista ei-kriittisiä jälkiä ja välilyöntejä varten varataan vähimmäissäännön mukaiset ominaisuudet vain alueille, joilla ne ovat aidosti tarpeellisia.