PCB สองด้านทำงานอย่างไร? โครงสร้าง จุดแวะ และการใช้งาน

PCB สองด้านคืออะไรและทำงานอย่างไร?

A PCB สองด้าน เป็นแผงวงจรพิมพ์ที่มีชั้นทองแดงนำไฟฟ้าทั้งด้านบนและด้านล่างของวัสดุฉนวนด้วย ชุบผ่านรู เชื่อมต่อไฟฟ้าทั้งสองด้าน ต่างจากบอร์ดด้านเดียวที่มีร่องรอยและส่วนประกอบทั้งหมดอยู่บนพื้นผิวเดียว บอร์ดสองด้านช่วยให้สัญญาณและพลังงานส่งผ่านจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่งผ่านจุดผ่านที่ชุบได้ ทันทีที่คุณถาม PCB สองด้านทำงานอย่างไร คุณกำลังถามจริงๆ ว่าจุดแวะเหล่านั้นทำให้สามารถกำหนดเส้นทางวงจรที่ซับซ้อนในพื้นที่ขนาดกะทัดรัดได้อย่างไร via แต่ละอันเป็นกระบอกเคลือบทองแดงที่เชื่อมชั้นทองแดงสองชั้นเข้าด้วยกัน เปลี่ยนสิ่งที่อาจเป็นเขาวงกตของสายจัมเปอร์ที่ไม่สามารถกำหนดเส้นทางได้ให้เป็นการเชื่อมต่อระหว่างกันที่สะอาดตาและเป็นมืออาชีพ

แกนหลักของการทำงานของบอร์ดคือ PCB สองด้าน via connection . หากไม่มีจุดผ่าน ด้านทองแดงทั้งสองด้านจะยังคงแยกจากกันด้วยระบบไฟฟ้า และร่องรอยใดๆ ที่จำเป็นต้องข้ามอีกด้านหนึ่งก็จะเป็นทางตัน ด้วยการเจาะรูทะลุ ผู้ออกแบบสามารถปล่อยสัญญาณจากชั้นบนไปยังชั้นล่างผ่านช่องทาง กำหนดเส้นทางไว้ใต้สิ่งกีดขวาง และนำสัญญาณกลับขึ้นมาเมื่อจำเป็น สิ่งนี้จะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของเส้นทางได้อย่างมาก กระดานสองด้านสามารถรองรับได้ประมาณหนึ่ง ความซับซ้อนของวงจรเป็นสองเท่า ของบอร์ดด้านเดียวที่มีขนาดเท่ากัน ทำให้เป็นมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค อุตสาหกรรม และยานยนต์ส่วนใหญ่

โครงสร้าง PCB สองด้าน: ชั้น ทองแดง และพื้นผิว

ที่ PCB สองด้าน structure ประกอบด้วยห้าชั้นที่แตกต่างกัน: ฟอยล์ทองแดงด้านบน, สารตั้งต้นไดอิเล็กทริก, ฟอยล์ทองแดงด้านล่าง และชั้นหน้ากากประสานด้านนอกอีก 2 ชั้น พื้นผิวจะเป็น FR-4 เกือบทุกครั้ง — เป็นคอมโพสิตอีพอกซีแก้วที่หน่วงการติดไฟ — โดยมีความหนาโดยทั่วไปคือ 1.6 มม สำหรับบอร์ดมาตรฐาน แม้ว่าจะใช้แกนที่บางกว่า 0.8 มม. หรือ 1.0 มม. ในกรณีที่มีเนื้อที่จำกัด ฟอยล์ทองแดงเคลือบทั้งสองด้านของแกนนี้ภายใต้ความร้อนและความดัน พารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญคือ PCB สองด้าน copper thickness โดยทั่วไประบุเป็น 1 ออนซ์/ฟุต² (หนาประมาณ 35 µm) สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังหรือตัวควบคุมมอเตอร์ ทองแดง 2 ออนซ์ (70 µm) หรือ 3 ออนซ์ (105 µm) จะถูกใช้เพื่อจัดการกับกระแสที่สูงขึ้นโดยไม่มีความกว้างของรางมากเกินไป

ที่ plated through holes that define a PCB สองด้าน with plated through holes ไม่ใช่หลอดธรรมดา แต่ละรูจะถูกเจาะผ่านพื้นผิวและฟอยล์ทองแดง จากนั้นทองแดงที่ไม่ใช้ไฟฟ้าจะถูกสะสมทางเคมีบนผนังรูเพื่อสร้างชั้นเมล็ดที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า การชุบทองแดงด้วยไฟฟ้าจะสร้างความหนาของลำกล้องให้เป็นปกติ 20–25 ไมโครเมตร . กระบอกนี้จะต้องรอดจากการหมุนเวียนด้วยความร้อนโดยไม่แตกร้าว ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนไม่ตรงกันระหว่าง FR-4 (ประมาณ 14–17 ppm/°C ในแกน Z) และทองแดง (17 ppm/°C) ทำให้เกิดความเครียดกับบาร์เรลเวียทุกครั้งที่บอร์ดผ่านการบัดกรีแบบรีโฟลว์ เจาะรูทะลุที่ทำมาอย่างดีทนทาน รอบความร้อนมากกว่า 500 รอบ ก่อนความต้านทานจะเพิ่มขึ้นมากกว่า 10% ตามมาตรฐานการยอมรับ IPC-6012 Class 2

กระบวนการผลิต PCB สองด้าน: จากลามิเนตเปลือยไปจนถึงบอร์ดสำเร็จรูป

ที่ PCB สองด้าน manufacturing process เป็นไปตามลำดับที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อผลิตบอร์ดที่เชื่อถือได้ในวงกว้าง เริ่มต้นด้วยการตัดลามิเนตหุ้มทองแดงสองด้านตามขนาดแผง การดำเนินการหลักขั้นแรกคือการเจาะ — สว่านเชิงกลที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์สร้างรูตั้งแต่ 0.2 มม. ถึง 6.35 มม โดยส่วนใหญ่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางผ่านอยู่ระหว่าง 0.3 มม. ถึง 0.5 มม. คุณภาพของผนังรูหลังการเจาะเป็นสิ่งสำคัญ รอยเปื้อนจากดอกสว่านสามารถเคลือบขอบทองแดงด้านในและป้องกันการยึดเกาะของการชุบที่เหมาะสม กระบวนการขจัดคราบโดยใช้พลาสมาหรือเคมีเปอร์แมงกาเนตจะขจัดสิ่งตกค้างนี้

ถัดมาคือการสะสมของทองแดงโดยไม่ใช้ไฟฟ้าซึ่งทำให้ผนังรูเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ตามด้วยการชุบแผงที่สร้างกระบอกทองแดงและเพิ่มความหนาของทองแดงบนพื้นผิวอย่างสม่ำเสมอ กระบวนการถ่ายภาพใช้โฟโตรีซีสต์แบบฟิล์มแห้งทั้งสองด้าน จัดแนวอาร์ตเวิร์คด้านบนและด้านล่างโดยใช้หมุดลงทะเบียน และแสดงค่าต้านทานด้วยแสง UV หลังจากพัฒนาและแกะสลักทองแดงที่ไม่ต้องการแล้ว ร่องรอยของชั้นใน แผ่นอิเล็กโทรด และผ่านดินแดนยังคงอยู่ จากนั้นบอร์ดจะได้รับหน้ากากประสานที่สามารถถ่ายภาพของเหลวได้ ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นสีเขียว แต่มีสีใดก็ได้ ซึ่งจะเหลือเพียงแผ่นอิเล็กโทรดและจุดแวะเท่านั้นที่สัมผัส ขั้นตอนสุดท้ายใช้การตกแต่งพื้นผิว: HASL (การปรับระดับการบัดกรีด้วยลมร้อน), ENIG (ทองแช่นิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า) หรือ OSP (สารกันบูดในการบัดกรีแบบอินทรีย์) ขึ้นอยู่กับอายุการเก็บรักษาและกระบวนการบัดกรีที่ต้องการ ทั้งหมด PCB สองด้าน manufacturing process ตั้งแต่ลามิเนตเปลือยไปจนถึงบอร์ดสำเร็จรูป ก็สามารถนำมาประกอบได้สำเร็จ 24 ถึง 72 ชั่วโมง ในโรงงานที่ทันสมัย ด้วยผลตอบแทนมากกว่า 98% สำหรับการออกแบบที่ซับซ้อนมาตรฐาน

การออกแบบ PCB สองด้าน: Vias, Trace Routing และการเลือกความหนาของทองแดง

มีประสิทธิภาพ PCB สองด้าน design เริ่มต้นด้วยการกำหนดเลเยอร์ กลยุทธ์ทั่วไปประการหนึ่งอุทิศชั้นบนสุดให้กับส่วนประกอบและการเชื่อมต่อระหว่างกันระยะสั้น ในขณะที่ชั้นล่างทำหน้าที่เป็นระนาบกราวด์และช่องเส้นทางสำหรับสัญญาณที่ยาวขึ้น ที่ PCB สองด้าน via connection กลายเป็นเครื่องมือของผู้ออกแบบในการเคลื่อนย้ายสัญญาณระหว่างระนาบเหล่านี้ ควรวาง Vias ใกล้กับแผ่นที่ใช้ เพื่อลดความยาว stub และความเหนี่ยวนำให้เหลือน้อยที่สุด แต่ต้องไม่ใกล้จนตะกั่วบัดกรีหลุดระหว่างการประกอบ หลักปฏิบัติที่ดีจะวางจุด via edge เป็นอย่างน้อย 0.25 มม จากขอบแผ่นเพื่อการออกแบบที่มีความหนาแน่นมาตรฐาน

การเลือกที่เหมาะสม PCB สองด้าน copper thickness เป็นการตัดสินใจเกี่ยวกับความร้อนและไฟฟ้า ไม่ใช่ทางเลือกที่กำหนดเอง ตารางด้านล่างสรุปความจุกระแสในทางปฏิบัติสำหรับตุ้มน้ำหนักทองแดงทั่วไปที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10°C ตามแนวทาง IPC-2221 สำหรับชั้นภายนอก

เมื่อระบุ PCB สองด้าน design พารามิเตอร์ อัตราส่วนภาพของรูที่ชุบทะลุ - ความหนาของแผ่นหารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางรูเจาะ - ไม่ควรเกิน 8:1 สำหรับการผลิตมาตรฐาน . บอร์ดหนา 1.6 มม. พร้อมไวแอส 0.3 มม. ให้อัตราส่วน 5.3:1 สะดวกสบายภายในหน้าต่างการชุบที่เชื่อถือได้ การดันเกิน 10:1 จะเพิ่มความเสี่ยงที่จะเกิดช่องว่างในกระบอกชุบ และเพิ่มต้นทุน เนื่องจากต้องใช้อ่างชุบพิเศษและใช้เวลาดำเนินการนานขึ้น

การใช้งาน PCB สองด้านกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค อุตสาหกรรม และยานยนต์

การใช้งาน PCB สองด้าน ครอบคลุมผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกชนิดที่ความหนาแน่นของส่วนประกอบเกินกว่าที่ชั้นเดียวสามารถรองรับได้ แต่งบประมาณหรือพื้นที่ยังไม่เหมาะกับการใช้บอร์ดแบบหลายชั้น สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แผงวงจรสองด้านเป็นรากฐานของอะแดปเตอร์จ่ายไฟ แหล่งจ่ายไฟของทีวี โมดูลควบคุมเครื่องซักผ้า และตัวควบคุมเตาอบไมโครเวฟ ตัวควบคุมเครื่องใช้ในบ้านทั่วไปใช้กระดานสองด้านด้วย 1.6 มม FR-4, 1 oz copper, and ENIG finish ซึ่งโฮสต์ไมโครคอนโทรลเลอร์ รีเลย์ และขั้วต่อขั้วต่อที่ด้านบน ขณะเดียวกันก็กำหนดเส้นทางร่องรอยไฟฟ้าแรงสูงที่ด้านล่างด้วยช่องแยก

ในภาคส่วนยานยนต์ PCB แบบสองด้านจะพบได้ในโมดูลควบคุมประตู ไดรเวอร์ไฟ LED และอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ บอร์ดเหล่านี้ต้องผ่านการทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันตั้งแต่ -40°C ถึง 125°C และ PCB สองด้าน with plated through holes ต้องรักษาความสมบูรณ์ของถังให้คงอยู่ตลอดวงจรความร้อนหลายพันรอบ การออกแบบยานยนต์มักระบุ ทองแดง 2 ออนซ์ บนร่องรอยพลังงานและต้องมีการเคลือบตามรูปแบบบนบอร์ดที่ประกอบ มอเตอร์ไดรฟ์อุตสาหกรรม PLC และโมดูลเครื่องมือวัดก็ใช้แผงสองด้านในทำนองเดียวกันที่มีแผงทองแดงหนาและแผงหน้ากากบัดกรีหนักเพื่อรองรับระยะห่างตามผิวฉนวนไฟฟ้าแรงสูง ความเรียบง่ายและความน่าเชื่อถือที่ได้รับการพิสูจน์แล้วของ PCB สองด้าน structure รักษาความเกี่ยวข้องแม้ว่า HDI และเทคโนโลยีหลายชั้นจะก้าวหน้าไป — ยังคงเป็นตัวเลือกที่คุ้มค่าที่สุดสำหรับวงจรใดๆ ที่ต้องการเลเยอร์สัญญาณสองชั้นและไม่มีอะไรเพิ่มเติม