Kétoldalas PCB vs egy- és többrétegű: Előnyök és rétegválasztási útmutató

A PCB réteg döntése: költség, sűrűség és teljesítmény

Minden áramköri kártya tervezése egy alapvető választással kezdődik: hány vezető rétegre van szükség. A egyoldalas vs kétoldalas PCB kérdés az első útelágazás, és a lépés a kétoldalastól a többrétegűig a második. Minden ugrás költséget, összetettséget és képességeket növel. Az egyoldalas tábla az összes rezet egyetlen felületre helyezi, és minden jelnyomot arra kényszerít, hogy keresztezés nélkül navigáljon az alkatrészvezetékek körül. A kétoldalas PCB egy második rézréteget ad hozzá, és a kettőt bevont átmenő lyukakkal köti össze, nagyjából megkétszerezve a rendelkezésre álló útvonalteret. A többrétegű kártya négy, hat vagy több réteget halmozott fel dedikált tápellátással és földelési síkokkal, jelentős árprémium mellett átalakítva a jelintegritást és az elektromágneses kompatibilitást.

Ez az útmutató a kétoldalas PCB vs multilayer PCB és egyoldalas vs kétoldalas PCB gyakorlati összehasonlítások: négyzetcentiméterenkénti költség, sűrűség, maximális komponensek száma és EMI-vezérlés. A végére tiszta lesz PCB réteg kiválasztási útmutató amely a tábla összetettségét a termék elektromos és mechanikai követelményeihez igazítja, anélkül, hogy túltervezné a halmozást.

Egyoldalas vs kétoldalas PCB: Az első nagy lépés

Az egyoldalas PCB olyan hordozó – szinte mindig FR-4 vagy fenolos papír –, amelynek csak az egyik oldalán rézfólia található. Az alkatrészek a nem réz oldalon helyezkednek el, és a vezetékek a forrasztott alátétekhez nyúlnak. Minden útválasztás ebben az egyetlen rézrétegben történik, ami arra kényszerít minden nyomot, amely egy másikat keresztezne, hogy kitérőt tegyen, vagy nulla ohmos áthidaló vezetéket használjon. Ez alacsony bonyolultságú áramkörök esetén működik: tápegység néhány különálló komponenssel, LED kártya vagy egyszerű érzékelő interfész. Abban a pillanatban, amikor egy mikrokontroller, egy RF szakasz vagy egy sűrű csatlakozó belép a vázlatos, egyoldalas útválasztásba, kivitelezhetetlen vagy lehetetlenné válik.

A kétoldalas PCB advantages egyoldalas kezdés a via-val. Egy második rézréteg hozzáadásával és a lyukakon keresztüli bevonattal a jelek a felső rétegtől az alsó rétegig bármely ponton mozoghatnak. A tervezők a nagy sűrűségű BGA vagy QFP csomagokat lehetetlen patkányfészkek nélkül irányíthatják. A kétoldalas táblák lehetővé teszik az egyrétegű talajfeltöltést is, ami javítja a jelvisszatérési útvonalakat és csökkenti a kisugárzott zajt – ez a lehetőség hiányzik az egyoldalas kialakításokból. A második réteg és a bevont lyukak felrakásának költségbüntetése általában 30-60% egy ekvivalens egyoldalas kártyával szemben, prémium, amely megveszi az áthidaló vezetékeket, a kézi összeszerelési időt és a megbízhatósági kockázatokat.

Kétoldalas PCB vs többrétegű PCB: Amikor a két réteg már nem elég

A kétoldalas PCB vs multilayer PCB A küszöböt akkor lépjük át, ha a jel integritása, a teljesítményeloszlás vagy az alkatrészsűrűség két rézsíkot túllép. A kétoldalas kártya arra kényszeríti az áramot és a földet, hogy a jelekkel megosszák az útvonalteret, gyakran zsírnyomokként az alkatrészek körül. Ez nagy hurokinduktivitást, feszültségesést és áthallást eredményez. A négyrétegű tábla – a legegyszerűbb többrétegű – jellemzően a belső rétegeket egy szilárd alapsíknak és egy tápsíknak szenteli. Ez minden jel visszatérési útját közvetlenül a nyomvonal mellé helyezi, csökkentve a hurok területét és a kisugárzott emissziót 10 dB vagy több a kétrétegű elrendezéshez képest töredezett talajkitöltésekkel.

A többrétegű kártyák nagy tűszámú BGA-kat és sűrű memóriainterféseket is kezelnek, amelyek mikroszalagos vagy szalagos impedancia vezérlést igényelnek. A kétrétegű kártyán lévő DDR3 vagy DDR4 memóriabuszt szinte lehetetlen irányítani az időzítés fenntartása mellett; négy vagy hat réteg eltemetett referenciasíkkal az alapvonal. Ennek a képességnek az ára meredek: egy négyrétegű tábla kerül 2-3 alkalommal annyi, mint egy kétrétegű megfelelője, és az átfutási idő megnyúlik, mert a laminálási ciklusok megsokszorozódnak. A kétoldalasról a többrétegűre való átállásra vonatkozó döntést egyértelmű műszaki követelménynek kell vezérelnie, nem pedig annak a feltevésnek, hogy több réteg mindig jobb.

A kétoldalas nyomtatott áramköri lapok előnyei: Miért marad a két réteg az ipari alapvonal?

A kétoldalas PCB advantages túlmutatnak az útválasztáson. A költség a legnyilvánvalóbb. A kétrétegű táblák egyetlen laminálási ciklust, szabványos kétoldalas rézbevonatú laminátumot és egyszerű fúrólemez-marás eljárást használnak. A belső réteg regisztrációs és laminálási lépéseinek hiánya magas hozamot és alacsony árakat tart fenn. A 100 × 100 mm-es tábla FR-4-ben 1 uncia rézzel , egy tíz darabból álló kétoldalas prototípus köteg 50 dollár alá kerülhet, míg a négyrétegű megfelelője gyakran meghaladja a 150 dollárt.

Az átdolgozás és a hibakeresés két rétegben egyszerűbb. Minden nyom látható a két külső felület egyikén; nincs olyan eltemetett jel, amelyhez röntgenfelvételre lenne szükség. Ha el kell vágni egy nyomot, vagy hozzá kell kötni egy szálkásítót, akkor a hozzáférés triviális. Ezzel szemben a belső réteg nyomvonalának módosítása egy négyrétegű táblán gyakorlatilag lehetetlen. Ez a láthatóság felgyorsítja az előterjesztést és a hibakeresést, ezért sok fejlesztői tábla és koncepciópróba prototípus kétrétegű marad még akkor is, ha a végtermék magasabb rétegszámba kerül. A kétoldalas PCB applications amelyek közül a legtöbbet a mérsékelt bonyolultságú, nagy költségérzékenységű és gyors iteráció igénye – fogyasztói készülékek vezérlői, LED-meghajtók és ipari érzékelő interfészek – profitálják.

A kétoldalas nyomtatott áramköri lapok hátrányai: a határok, amelyeket elérhet

Elismerve a kétoldalas PCB disadvantages ugyanolyan fontos, mint az erősségek felsorolása. Az első határ az energiaelosztás. Dedikált sík nélkül a tápáram olyan nyomvonalak mentén halad, amelyek megosztják a réteget a jelekkel. Ez feszültség hullámzást okoz a terhelésnél, és kapcsolási zajt kapcsol a közeli hálózatokhoz. A tiszta 3,3 V-os sínt igénylő mikrokontroller időszakos alaphelyzetbe állítást szenvedhet, ha egy nagyáramú motormeghajtó ugyanazon a rézrétegen osztozik csillagföldelés nélkül. Egy négyrétegű lapon egy szilárd teljesítménysík 10 mΩ alatti impedanciát szállít bármely pontra; kétrétegű táblán ugyanaz a kapcsolat 0,5 mm széles nyomvonalon keresztül mutatható ki több száz milliohm és corresponding voltage droop.

Az elektromágneses interferenciát (EMI) nehezebb két rétegben visszatartani. Az egyik rétegen a folytonos alapsík segít, de ha az ellentétes oldalt kell használni az útválasztáshoz, akkor ezen a síkon minden rés vagy osztás nyílásantennát hoz létre. A nagysebességű jelnek a földi visszatérő út résén való áthaladása az EMC-teszt meghibásodását okozhatja olyan alacsony frekvenciákon, mint 30 MHz . Az egyetlen megoldás az, hogy az alapsíkokat átmenetekkel kell összevarrni, és a kritikus jeleket távol kell tartani a folytonossági zavaroktól – ez a kényszer az alkatrészek sűrűségének növekedésével lehetetlenné válik. Ha egy tábla sikertelen a sugárzási kibocsátási teszteken, és nem lehet hibakeresni ferritekkel vagy árnyékolással, a kiváltó ok gyakran a nem megfelelő talajszerkezet, amelyet csak egy többrétegű stackup tud megjavítani.

Mikor használjunk kétoldalas PCB-t: gyakorlati döntési táblázat

A question of mikor kell kétoldalas PCB-t használni néhány mérhető küszöbértékkel megválaszolható. Ha a kialakítás megfelel az alábbi kritériumoknak, akkor valószínűleg a kétrétegű tábla a megfelelő választás; ha egynél több kritérium nem felel meg, ideje fontolóra venni a többrétegűséget. A táblázat leképezi a tipikus projektparamétereket a minimális életképes rétegszámra.

Ez a táblázat keretezi a kétoldalas PCB vs multilayer PCB határ. A 48 tűs QFP mikrokontrollerrel, néhány műveleti erősítővel és néhány csatlakozóval ellátott kártya általában két rétegen halad tisztán. Cserélje le ezt a QFP-t egy 256 golyós BGA FPGA-ra, és a kétrétegű opció eltűnik – a golyók belső sorai egyszerűen nem tudnak elmenekülni. A hogyan válasszuk ki a PCB rétegeket A folyamat a kitörés megvalósíthatóságának és a jel integritásának őszinte értékelésével kezdődik, nem pedig a "több réteg professzionálisabb" alapértelmezett preferenciájával.

Hogyan válasszunk nyomtatott áramköri rétegeket: Ötlépéses kiválasztási útmutató

Egy strukturált PCB réteg kiválasztási útmutató Megakadályozza mind a feleslegesen összetett felhalmozás elvesztegetett költségeit, mind a fájdalmas újrapörgetést egy olyan tábla esetében, amelynek kezdettől fogva négyrétegűnek kellett volna lennie. Kövesse az alábbi lépéseket sorrendben:

1. Számolja meg a jelek maximális számát, amelyeknek át kell haladniuk a kártya szélén az összetevők között. Ha a legnagyobb sűrűségű területhez kettőnél több nyomra van szükség a szomszédos párnák között egyetlen rétegen, egy második réteg kötelező. Ha a szám meghaladja a két réteg által kezelhető mennyiséget, lépjen négyre.
2. Azonosítsa a jel leggyorsabb élsebességét, ne csak az órajel frekvenciáját. Az 1 MHz-es jel 1 ns-os felfutási idejével ugyanazt a harmonikus tartalmat tartalmazza, mint egy 50 MHz-es órajel. Ha az éldíjak alatt vannak 2 ns , a vezérelt impedancia nyomok és a folyamatos referenciasík kritikussá válnak a jel integritása szempontjából. Ez négy réteg felé tolja a tervezést.
3. Értékelje az energiaellátó hálózatot. Ha a táblán kettőnél több feszültségsín van, amelyeknél a csúcsáramok vannak fent 1A mindegyik , és ha a feszültség ingadozásának 50 mV alatt kell maradnia, akkor a legtisztább megoldás egy dedikált tápsík többrétegű kártyán. Két réteg is működhet gondos nyomméretezéssel és szétválasztással, de nagyobb az elrendezési erőfeszítés és az átdolgozás kockázata.
4. Ellenőrizze a költségvetést és a termelési mennyiséget. Prototípusok és kis volumenű buildek esetén a négy réteg költségbüntetése jelentéktelen lehet. A nagy volumenű fogyasztói termékek esetében a táblánkénti 0,80 és 2,40 dollár közötti különbség gyorsan milliókat tesz ki. A kétoldalas táblák akkor nyernek, ha a műszaki teljesítmény megfelelő, és az egységköltség az elsődleges hajtóerő.
5. Tesztelje az elrendezést CAD-ben. Indítson el egy kétrétegű elhelyezést, és próbálja meg a leginkább korlátozott területet irányítani. Ha nem tudja befejezni az útválasztást a tervezési szabályok megsértése vagy töredezett alapsíkok létrehozása nélkül, a tábla jelzi, hogy több rétegre van szüksége. Legyen a fizikai elrendezési kísérlet, ne az előítélet, legyen a végső döntőbíró.

Ezt hogyan válasszuk ki a PCB rétegeket módszertana egyensúlyba hozza az elektromos igényeket a költségekkel. A kétoldalas PCB applications amelyek mind az öt lépésen átmennek, széleskörűek: a motorvezérlők, a LED-tömbök, az érzékelő hubok, az otthoni automatizálási átjárók és az elektromos kéziszerszám-vezérlők mind megbízhatóan működnek két rétegben. Azok a kártyák, amelyek nem teljesítik a második lépést – gyors digitális interfészek, RF front-endek, nagy sebességű memóriabuszok – azok, amelyeknek négy, hat vagy több rétegre van szükségük. Megértése a kétoldalas PCB disadvantages a jel integritása és a teljesítményleadás egyértelművé teszi a hívást: maradjon két rétegben mindaddig, amíg az útválasztás befejeződik, és a jelvisszaadások érintetlenek maradnak, majd fokozza, amikor az élsebességek és a síkimpedancia fizikája megköveteli.