PCB สองด้านเทียบกับชั้นเดียวและหลายชั้น: ข้อดี & คู่มือการเลือกเลเยอร์

การตัดสินใจเกี่ยวกับเลเยอร์ PCB: ต้นทุน ความหนาแน่น และประสิทธิภาพ

การออกแบบแผงวงจรทุกชิ้นเริ่มต้นด้วยตัวเลือกพื้นฐาน: จำเป็นต้องมีชั้นสื่อไฟฟ้ากี่ชั้น ที่ PCB ด้านเดียวและสองด้าน คำถามคือทางแยกแรกบนท้องถนน และการก้าวจากสองด้านไปสู่หลายชั้นคือทางแยกที่สอง การกระโดดแต่ละครั้งจะเพิ่มต้นทุน ความซับซ้อน และความสามารถ บอร์ดด้านเดียววางทองแดงทั้งหมดไว้บนหน้าเดียว บังคับให้ทุกสัญญาณที่ตามรอยต้องนำทางไปรอบๆ ลีดของส่วนประกอบโดยไม่ต้องข้าม ก PCB สองด้าน เพิ่มชั้นทองแดงชั้นที่สองและเชื่อมต่อทั้งสองด้วยรูที่ชุบแล้ว ซึ่งจะทำให้พื้นที่เส้นทางที่มีอยู่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า บอร์ดหลายชั้นซ้อนกันสี่, หกชั้นหรือมากกว่านั้นด้วยกำลังเฉพาะและระนาบกราวด์ ซึ่งเปลี่ยนความสมบูรณ์ของสัญญาณและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยราคาระดับพรีเมียมที่มีนัยสำคัญ

คู่มือนี้ใช้งานได้ผ่าน PCB สองด้าน vs multilayer PCB และ PCB ด้านเดียวและสองด้าน การเปรียบเทียบในทางปฏิบัติ: ราคาต่อตารางเซนติเมตร ผ่านความหนาแน่น จำนวนพินส่วนประกอบสูงสุด และการควบคุม EMI ท้ายที่สุดคุณจะมีความชัดเจน คู่มือการเลือกชั้น PCB ที่จับคู่ความซับซ้อนของบอร์ดกับความต้องการทางไฟฟ้าและเครื่องกลของผลิตภัณฑ์ โดยไม่ต้องออกแบบโครงสร้างซ้อนมากเกินไป

PCB แบบด้านเดียวและสองด้าน: ขั้นตอนใหญ่ขั้นแรก

PCB ด้านเดียวเป็นวัสดุพิมพ์ — เกือบทุกครั้งคือ FR-4 หรือกระดาษฟีนอลิก — โดยมีฟอยล์ทองแดงอยู่ด้านเดียวเท่านั้น ส่วนประกอบวางอยู่บนด้านที่ไม่ใช่ทองแดงโดยมีสายวัดทะลุผ่านแผ่นบัดกรี การกำหนดเส้นทางทั้งหมดเกิดขึ้นในชั้นทองแดงชั้นเดียว ซึ่งบังคับร่องรอยใดๆ ที่จะข้ามชั้นอื่นให้เบี่ยงหรือใช้สายจัมเปอร์ศูนย์โอห์ม วิธีนี้ใช้ได้กับวงจรที่มีความซับซ้อนต่ำ เช่น แหล่งจ่ายไฟที่มีส่วนประกอบแยกจำนวนหนึ่ง บอร์ด LED หรืออินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์แบบธรรมดา ทันทีที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ ส่วน RF หรือตัวเชื่อมต่อหนาแน่นเข้าสู่แผนผัง การกำหนดเส้นทางด้านเดียวจะทำไม่ได้หรือเป็นไปไม่ได้

ที่ PCB สองด้าน advantages เริ่มต้นด้วยด้านเดียวด้วยทาง ด้วยการเพิ่มชั้นทองแดงชั้นที่สองและชุบผ่านรู สัญญาณจึงสามารถเคลื่อนจากบนลงล่างได้ทุกจุด ผู้ออกแบบสามารถกำหนดเส้นทางแพ็คเกจ BGA หรือ QFP ความหนาแน่นสูงโดยไม่มีรังหนูที่เป็นไปไม่ได้ แผงสองด้านยังช่วยให้กราวด์เต็มบนชั้นเดียว ซึ่งปรับปรุงเส้นทางส่งกลับของสัญญาณและลดสัญญาณรบกวนที่แผ่กระจาย — ความสามารถที่ขาดหายไปในการออกแบบด้านเดียว ค่าปรับค่าเพิ่มชั้นที่ 2 และรูชุบคือ โดยทั่วไป 30% ถึง 60% เหนือกว่าบอร์ดด้านเดียวที่เทียบเท่า ซึ่งเป็นราคาพรีเมียมที่ต้องซื้อสายจัมเปอร์ เวลาในการประกอบด้วยตนเอง และความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือ

PCB สองด้านเทียบกับ PCB หลายชั้น: เมื่อสองชั้นหยุดเพียงพอ

ที่ PCB สองด้าน vs multilayer PCB ขีดจำกัดจะถูกข้ามเมื่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ การกระจายกำลัง หรือความหนาแน่นของส่วนประกอบมีมากเกินไปในระนาบทองแดงสองระนาบ บอร์ดสองด้านบังคับพลังงานและกราวด์เพื่อแบ่งปันพื้นที่เส้นทางกับสัญญาณ ซึ่งมักจะเป็นรอยไขมันที่พันอยู่รอบๆ ส่วนประกอบ สิ่งนี้จะสร้างการเหนี่ยวนำลูปสูง แรงดันตกคร่อม และครอสทอล์ค บอร์ดสี่ชั้น - แบบหลายชั้นที่ง่ายที่สุด - โดยทั่วไปแล้วชั้นในจะทุ่มเทให้กับระนาบพื้นแข็งและระนาบกำลัง สิ่งนี้ทำให้ทุกเส้นทางที่ส่งกลับของสัญญาณอยู่ติดกับร่องรอยโดยตรง พื้นที่วงตัดอย่างเจ็บแสบ และการปล่อยรังสีที่แผ่ออกมา 10 เดซิเบลหรือมากกว่า เมื่อเทียบกับเลย์เอาต์สองชั้นที่มีการเติมพื้นแบบกระจัดกระจาย

บอร์ดแบบหลายชั้นยังรองรับ BGA จำนวนพินสูงและอินเทอร์เฟซหน่วยความจำหนาแน่นที่จำเป็นต้องมีการควบคุมอิมพีแดนซ์แบบไมโครสตริปหรือสตริปไลน์ บัสหน่วยความจำ DDR3 หรือ DDR4 บนบอร์ดสองชั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะกำหนดเส้นทางในขณะที่ยังคงรักษาจังหวะไว้ สี่หรือหกชั้นที่มีระนาบอ้างอิงฝังอยู่เป็นเส้นพื้นฐาน ราคาสำหรับความสามารถนี้สูงชัน: ต้นทุนบอร์ดสี่ชั้น 2 ถึง 3 ครั้ง มากเท่ากับการเคลือบสองชั้น และระยะเวลารอคอยก็ยาวนานขึ้นเนื่องจากรอบการเคลือบจะทวีคูณ การตัดสินใจเปลี่ยนจากสองด้านไปเป็นหลายเลเยอร์ควรได้รับแรงผลักดันจากข้อกำหนดทางเทคนิคที่ชัดเจน ไม่ใช่จากการสันนิษฐานว่าเลเยอร์จำนวนมากจะดีกว่าเสมอไป

ข้อดีของ PCB สองด้าน: เพราะเหตุใดสองชั้นจึงยังคงเป็นบรรทัดฐานอุตสาหกรรม

ที่ PCB สองด้าน advantages ขยายไปไกลกว่าการบรรเทาการกำหนดเส้นทาง ต้นทุนที่เห็นได้ชัดเจนที่สุด บอร์ดสองชั้นใช้รอบการเคลือบเดียว ลามิเนตเคลือบทองแดงสองด้านแบบมาตรฐาน และกระบวนการกัดแผ่นเจาะที่ไม่ซับซ้อน การไม่มีขั้นตอนการลงทะเบียนชั้นในและการเคลือบทำให้ได้ผลผลิตสูงและมีราคาต่ำ สำหรับก บอร์ด 100 × 100 มม. ใน FR-4 พร้อมทองแดง 1 ออนซ์ ชุดต้นแบบสองด้านจำนวน 10 ชิ้นมีราคาต่ำกว่า 50 ดอลลาร์ ในขณะที่แบบสี่ชั้นที่เทียบเท่ากันมักจะเกิน 150 ดอลลาร์

การทำงานซ้ำและการดีบักจะง่ายกว่าในสองชั้น ทุกร่องรอยสามารถมองเห็นได้บนพื้นผิวด้านนอกด้านใดด้านหนึ่ง ไม่มีสัญญาณฝังแน่นที่ต้องใช้รังสีเอกซ์ในการสอบสวน หากต้องตัดร่องรอยหรือเพิ่มลวดหลบ การเข้าถึงก็ไม่สำคัญ ในทางตรงกันข้าม การปรับเปลี่ยนการติดตามเลเยอร์ภายในบนกระดานสี่ชั้นนั้นเป็นไปไม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การมองเห็นนี้ช่วยเร่งให้เกิดการนำขึ้นและการค้นหาข้อผิดพลาด ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมบอร์ดพัฒนาจำนวนมากและต้นแบบที่พิสูจน์แนวคิดยังคงเป็นสองชั้น แม้ว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอาจย้ายไปยังจำนวนเลเยอร์ที่สูงกว่าก็ตาม ที่ PCB สองด้าน applications สิ่งที่ได้ประโยชน์มากที่สุดจากสิ่งนี้คือสิ่งที่มีความซับซ้อนปานกลาง ความไวต่อต้นทุนสูง และความจำเป็นในการวนซ้ำอย่างรวดเร็ว — การควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้า ไดรเวอร์ LED และอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์อุตสาหกรรม

ข้อเสียของ PCB สองด้าน: ขีดจำกัดที่คุณจะได้รับ

รับทราบ PCB สองด้าน disadvantages มีความสำคัญเท่ากับการแสดงจุดแข็ง ขีดจำกัดแรกคือการกระจายพลังงาน หากไม่มีระนาบเฉพาะ กระแสจ่ายจะวิ่งไปตามร่องรอยที่ใช้เลเยอร์ร่วมกับสัญญาณ สิ่งนี้จะสร้างแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมที่โหลดและคู่เปลี่ยนสัญญาณรบกวนไปยังตาข่ายใกล้เคียง ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ต้องการราง 3.3V ที่สะอาดอาจประสบปัญหาการรีเซ็ตเป็นระยะ หากตัวขับมอเตอร์กระแสสูงใช้ชั้นทองแดงเดียวกันโดยไม่มีการต่อสายดินแบบสตาร์ บนบอร์ดสี่ชั้น ระนาบกำลังที่มั่นคงส่งอิมพีแดนซ์ต่ำกว่า 10 mΩ ไปยังจุดใดก็ได้ บนกระดานสองชั้นสามารถแสดงการเชื่อมต่อเดียวกันผ่านรอยกว้าง 0.5 มม หลายร้อยมิลลิโอห์ม และ corresponding voltage droop.

การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) นั้นบรรจุได้ยากกว่าในสองชั้น ระนาบกราวด์ต่อเนื่องบนชั้นเดียวช่วยได้ แต่ถ้าต้องใช้ด้านตรงข้ามในการกำหนดเส้นทาง ช่องหรือการแยกใดๆ ในระนาบนั้นจะสร้างเสาอากาศช่อง การส่งสัญญาณความเร็วสูงผ่านช่องว่างในเส้นทางกลับกราวด์อาจทำให้การทดสอบ EMC ล้มเหลวที่ความถี่ต่ำที่สุด 30 เมกะเฮิรตซ์ . การแก้ไขเพียงอย่างเดียวคือการต่อระนาบกราวด์ด้วยจุดแวะ และเพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณวิกฤตไม่ต่อเนื่อง ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่กลายเป็นไปไม่ได้เมื่อความหนาแน่นของส่วนประกอบเพิ่มขึ้น เมื่อบอร์ดไม่ผ่านการทดสอบการปล่อยรังสีและไม่สามารถแก้ไขจุดบกพร่องด้วยเฟอร์ไรต์หรือชีลด์ได้ สาเหตุที่แท้จริงมักเกิดจากโครงสร้างกราวด์ไม่เพียงพอซึ่งมีเพียงการซ้อนกันหลายชั้นเท่านั้นที่สามารถแก้ไขได้

เมื่อใดจึงควรใช้ PCB สองด้าน: ตารางการตัดสินใจเชิงปฏิบัติ

ที่ question of เมื่อใดควรใช้ PCB สองด้าน สามารถตอบได้ด้วยเกณฑ์ที่วัดได้สองสามข้อ หากการออกแบบตรงตามเกณฑ์ด้านล่างทั้งหมด บอร์ดสองชั้นน่าจะเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม หากเกณฑ์ล้มเหลวมากกว่าหนึ่งเกณฑ์ ก็ถึงเวลาที่จะต้องพิจารณาหลายชั้น ตารางจะแมปพารามิเตอร์โปรเจ็กต์ทั่วไปกับจำนวนเลเยอร์ขั้นต่ำที่เป็นไปได้

ตารางนี้ยังจัดเฟรม PCB สองด้าน vs multilayer PCB ขอบเขต บอร์ดที่มีไมโครคอนโทรลเลอร์ QFP 48 พิน, ออปแอมป์จำนวนหนึ่ง และตัวเชื่อมต่อบางตัวมักจะกำหนดเส้นทางอย่างเรียบร้อยบนสองชั้น สลับ QFP เป็น BGA FPGA 256 ลูก และตัวเลือกสองชั้นจะหายไป — แถวด้านในของลูกบอลไม่สามารถหนีรอดไปได้ ที่ วิธีการเลือกชั้น PCB กระบวนการเริ่มต้นด้วยการประเมินความเป็นไปได้ในการฝ่าวงล้อมและความสมบูรณ์ของสัญญาณอย่างตรงไปตรงมา ไม่ใช่การตั้งค่าเริ่มต้นสำหรับ "เลเยอร์ที่มากขึ้นมีความเป็นมืออาชีพมากขึ้น"

วิธีเลือกเลเยอร์ PCB: คู่มือการเลือกห้าขั้นตอน

มีโครงสร้าง คู่มือการเลือกชั้น PCB ป้องกันทั้งต้นทุนที่สูญเปล่าของการวางซ้อนที่ซับซ้อนโดยไม่จำเป็น และการหมุนซ้ำอันเจ็บปวดของบอร์ดที่ควรเป็นสี่ชั้นตั้งแต่เริ่มต้น ทำตามขั้นตอนเหล่านี้ตามลำดับ:

1. นับจำนวนสัญญาณสูงสุดที่ต้องข้ามขอบบอร์ดระหว่างส่วนประกอบต่างๆ หากพื้นที่ที่มีความหนาแน่นสูงสุดต้องการมากกว่าสองรอยระหว่างแผ่นอิเล็กโทรดที่อยู่ติดกันบนชั้นเดียว ก็จำเป็นต้องมีชั้นที่สอง หากจำนวนเกินที่สองชั้นสามารถรองรับได้ ให้เลื่อนไปที่สี่ชั้น
2. ระบุอัตราขอบของสัญญาณที่เร็วที่สุด ไม่ใช่แค่ความถี่สัญญาณนาฬิกา สัญญาณ 1 MHz ที่มีเวลาเพิ่มขึ้น 1 ns มีเนื้อหาฮาร์มอนิกเหมือนกับนาฬิกา 50 MHz หากอัตราขอบอยู่ภายใต้ 2 น การติดตามอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมและระนาบอ้างอิงต่อเนื่องกลายเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความสมบูรณ์ของสัญญาณ นั่นผลักดันการออกแบบไปสู่สี่ชั้น
3. ประเมินเครือข่ายการส่งพลังงาน หากบอร์ดมีรางแรงดันไฟฟ้ามากกว่าสองรางที่มีกระแสพีคอยู่ด้านบน ตัวละ 1A และหากแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมต้องอยู่ต่ำกว่า 50 mV ระนาบกำลังเฉพาะบนบอร์ดหลายชั้นถือเป็นโซลูชันที่สะอาดที่สุด สองชั้นสามารถทำงานได้โดยต้องมีการกำหนดขนาดและการแยกส่วนอย่างระมัดระวัง แต่ความพยายามในการจัดวางและความเสี่ยงในการทำงานซ้ำจะสูงกว่า
4. ตรวจสอบงบประมาณและปริมาณการผลิต สำหรับต้นแบบและงานสร้างปริมาณน้อย การลงโทษด้านต้นทุนของสี่เลเยอร์อาจไม่สำคัญ สำหรับสินค้าอุปโภคบริโภคที่มีปริมาณมาก ความแตกต่างระหว่าง 0.80 ถึง 2.40 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกระดานจะรวมกันเป็นล้านอย่างรวดเร็ว บอร์ดสองด้านจะชนะเมื่อประสิทธิภาพทางเทคนิคเพียงพอและต้นทุนต่อหน่วยเป็นตัวขับเคลื่อนหลัก
5. ทดสอบเค้าโครงใน CAD เริ่มการวางตำแหน่งแบบสองชั้นและพยายามกำหนดเส้นทางไปยังพื้นที่ที่มีข้อจำกัดมากที่สุด หากคุณไม่สามารถกำหนดเส้นทางได้โดยไม่ละเมิดกฎการออกแบบหรือสร้างระนาบกราวด์ที่กระจัดกระจาย บอร์ดจะบอกคุณว่าจำเป็นต้องมีเลเยอร์เพิ่มเติม ปล่อยให้ความพยายามในการจัดวางทางกายภาพ ไม่ใช่อคติ เป็นตัวตัดสินขั้นสุดท้าย

นี้ วิธีการเลือกชั้น PCB วิธีการปรับสมดุลความต้องการทางไฟฟ้ากับต้นทุน ที่ PCB สองด้าน applications ที่ผ่านทั้งห้าขั้นตอนนั้นกว้างๆ ได้แก่ ตัวควบคุมมอเตอร์ อาร์เรย์ LED ฮับเซ็นเซอร์ เกตเวย์ระบบอัตโนมัติในบ้าน และส่วนควบคุมเครื่องมือไฟฟ้า ทั้งหมดทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือบนสองชั้น บอร์ดที่ล้มเหลวในขั้นตอนที่สอง — อินเทอร์เฟซดิจิทัลที่รวดเร็ว, ส่วนหน้า RF, บัสหน่วยความจำความเร็วสูง — คือบอร์ดที่ต้องใช้เลเยอร์สี่, หกหรือมากกว่านั้น ทำความเข้าใจกับ PCB สองด้าน disadvantages ในความสมบูรณ์ของสัญญาณและการจ่ายพลังงานทำให้การโทรชัดเจน: อยู่บนสองชั้นตราบใดที่การกำหนดเส้นทางเสร็จสมบูรณ์และการส่งคืนสัญญาณยังคงอยู่ จากนั้นจึงเพิ่มขึ้นเมื่อฟิสิกส์ของอัตราเอดจ์และอิมพีแดนซ์ของระนาบต้องการ