Obojstranná doska plošných spojov vs jednoduchá a viacvrstvová: Sprievodca výberom výhod a vrstiev

Rozhodnutie o vrstve PCB: cena, hustota a výkon

Každý návrh dosky plošných spojov začína základnou voľbou: koľko vodivých vrstiev je potrebných. The jednostranné vs obojstranné PCB otázka je prvá vidlica cesty a krok od obojstrannej k viacvrstvovej je druhá. Každý skok zvyšuje náklady, zložitosť a možnosti. Jednostranná doska umiestňuje všetku meď na jednu stranu, čím núti každú stopu signálu navigovať okolo vodičov komponentov bez prekríženia. A obojstranná DPS pridáva druhú medenú vrstvu a spája tieto dve pokovovanými priechodnými otvormi, čím sa zhruba zdvojnásobuje dostupná oblasť smerovania. Viacvrstvová doska obsahuje štyri, šesť alebo viac vrstiev s vyhradenými napájacími a uzemňovacími plochami, čím sa transformuje integrita signálu a elektromagnetická kompatibilita za významnú cenu.

Táto príručka funguje cez obojstranná DPS vs multilayer PCB a jednostranné vs obojstranné PCB praktické porovnania: náklady na štvorcový centimeter, hustota, maximálny počet komponentov a kontrola EMI. Na konci budete mať jasno Sprievodca výberom vrstvy PCB ktorá prispôsobuje zložitosť dosky elektrickým a mechanickým požiadavkám produktu bez nadmerného inžinierstva pri zostavovaní.

Jednostranné vs obojstranné PCB: Prvý veľký krok

Jednostranná PCB je substrát – takmer vždy FR-4 alebo fenolový papier – s medenou fóliou len na jednej strane. Komponenty sú umiestnené na strane, ktorá nie je medená, pričom vodiče prechádzajú cez spájkované plôšky. Všetko smerovanie prebieha v jedinej medenej vrstve, ktorá núti akúkoľvek stopu, ktorá by prekročila inú, obchádzku alebo použitie nulového prepojovacieho kábla. Funguje to pre obvody s nízkou zložitosťou: napájací zdroj s niekoľkými samostatnými komponentmi, doska LED alebo jednoduché rozhranie snímača. Vo chvíli, keď mikrokontrolér, RF sekcia alebo hustý konektor vstúpi do schémy, jednostranné smerovanie sa stáva nepraktickým alebo nemožným.

The obojstranná DPS advantages cez jednostranný začiatok s cez. Pridaním druhej medenej vrstvy a pokovovaním cez otvory sa signály môžu pohybovať z hornej do spodnej vrstvy v akomkoľvek bode. Dizajnér môže nasmerovať balík BGA alebo QFP s vysokou hustotou bez nemožných potkaních hniezd. Obojstranné dosky tiež umožňujú vyplnenie pôdy na jednej vrstve, čo zlepšuje spätné cesty signálu a znižuje vyžarovaný šum – táto možnosť chýba v jednostranných dizajnoch. Cenová pokuta za pridanie druhej vrstvy a pokovených otvorov je zvyčajne 30% až 60% cez ekvivalentnú jednostrannú dosku, prémiu, ktorá vykupuje prepojovacie káble, čas manuálnej montáže a riziká spoľahlivosti.

Obojstranná doska plošných spojov vs viacvrstvová doska plošných spojov: Keď dve vrstvy prestanú stačiť

The obojstranná DPS vs multilayer PCB prahová hodnota je prekročená, keď integrita signálu, distribúcia energie alebo hustota komponentov presiahne dve medené roviny. Obojstranná doska núti napájanie a zem zdieľať smerovací priestor so signálmi, často ako tukové stopy, ktoré sa prepletajú okolo komponentov. To vytvára vysokú indukčnosť slučky, pokles napätia a presluchy. Štvorvrstvová doska - najjednoduchšia viacvrstvová - zvyčajne venuje vnútorné vrstvy pevnej základnej rovine a výkonovej rovine. To prináša spätnú cestu každého signálu priamo do susedstva so stopou, oblasťou prerušovanej slučky a vyžarovaných emisií 10 dB alebo viac v porovnaní s dvojvrstvovou dispozíciou s členitými zemnými výplňami.

Viacvrstvové dosky tiež zvládajú BGA s vysokým počtom pinov a husté pamäťové rozhrania, ktoré vyžadujú mikropáskovú alebo páskovú impedanciu. Pamäťovú zbernicu DDR3 alebo DDR4 na dvojvrstvovej doske je takmer nemožné nasmerovať pri zachovaní načasovania; základnou čiarou sú štyri alebo šesť vrstiev so skrytými referenčnými rovinami. Cena za túto schopnosť je vysoká: cena štvorvrstvovej dosky 2 až 3 krát rovnako ako dvojvrstvový ekvivalent a doba prípravy sa predlžuje, pretože cykly laminácie sa znásobujú. Rozhodnutie prejsť z obojstrannej k viacvrstvovej by malo byť založené na jasnej technickej požiadavke – nie na predpoklade, že viac vrstiev je vždy lepších.

Výhody obojstrannej dosky plošných spojov: Prečo dve vrstvy zostávajú základom odvetvia

The obojstranná DPS advantages presahujú reliéf smerovania. Náklady sú najzreteľnejšie. Dvojvrstvová doska využíva jeden cyklus laminácie, štandardný obojstranný laminát potiahnutý meďou a jednoduchý proces vŕtania-doštičky-leptania. Absencia krokov registrácie vnútornej vrstvy a laminácie udržuje výnosy vysoké a ceny nízke. Pre a Doska 100 × 100 mm z FR-4 s 1 oz medi Obojstranná prototypová séria desiatich kusov môže stáť menej ako 50 USD, zatiaľ čo štvorvrstvový ekvivalent často presahuje 150 USD.

Prepracovanie a ladenie sú jednoduchšie na dvoch vrstvách. Každá stopa je viditeľná na jednom z dvoch vonkajších povrchov; neexistuje žiadny skrytý signál, ktorý by vyžadoval röntgenové vyšetrenie. Ak je potrebné prerezať stopu alebo pridať drôtenku, prístup je triviálny. Na rozdiel od toho je úprava stopy vnútornej vrstvy na štvorvrstvovej doske prakticky nemožná. Táto viditeľnosť urýchľuje vyhľadávanie chýb a vyhľadávanie chýb, a preto mnohé vývojové dosky a prototypy na overenie koncepcie zostávajú dvojvrstvové, aj keď sa konečný produkt môže presunúť do vyššieho počtu vrstiev. The obojstranná DPS applications najviac z toho profitujú tie s miernou zložitosťou, vysokou citlivosťou na náklady a potrebou rýchlej iterácie – ovládacie prvky spotrebiteľských zariadení, ovládače LED a rozhrania priemyselných senzorov.

Nevýhody obojstrannej dosky plošných spojov: Limity, ktoré narazíte

Uznávajúc obojstranná DPS disadvantages je rovnako dôležité ako vymenovanie silných stránok. Prvým limitom je distribúcia energie. Bez vyhradenej roviny prechádza napájací prúd pozdĺž stôp, ktoré zdieľajú vrstvu so signálmi. To vytvára zvlnenie napätia na záťaži a spája spínací šum do blízkych sietí. Mikrokontrolér, ktorý vyžaduje čistú 3,3 V koľajnicu, môže trpieť pravidelnými resetmi, ak vysokoprúdový pohon motora zdieľa rovnakú medenú vrstvu bez hviezdicového uzemnenia. Na štvorvrstvovej doske poskytuje pevná výkonová rovina impedanciu pod 10 mΩ do akéhokoľvek bodu; na dvojvrstvovej doske môže vykazovať rovnaké spojenie cez 0,5 mm širokú stopu stovky miliohmov a corresponding voltage droop.

Elektromagnetické rušenie (EMI) je ťažšie zachytiť na dvoch vrstvách. Súvislá uzemňovacia rovina na jednej vrstve pomáha, ale ak sa na smerovanie musí použiť opačná strana, akýkoľvek slot alebo rozdelenie v tejto rovine vytvorí štrbinovú anténu. Prechod vysokorýchlostného signálu cez medzeru v spätnej dráhe zeme môže spôsobiť zlyhanie testu EMC pri tak nízkych frekvenciách ako 30 MHz . Jedinou opravou je spojiť základné roviny s priechodmi a udržať kritické signály mimo diskontinuít – obmedzenie, ktoré sa stáva nemožným, keď hustota komponentov stúpa. Keď doska neprejde testovaním vyžarovaných emisií a nemôže byť odladená feritmi alebo tienením, hlavnou príčinou je často neadekvátna základná štruktúra, ktorú môže vyriešiť iba viacvrstvová zostava.

Kedy použiť obojstrannú dosku plošných spojov: Praktická rozhodovacia tabuľka

Otázka o kedy použiť obojstrannú dosku plošných spojov možno odpovedať pomocou niekoľkých merateľných prahov. Ak návrh spĺňa všetky nižšie uvedené kritériá, je pravdepodobne správnou voľbou dvojvrstvová doska; ak zlyhá viac ako jedno kritérium, je čas zvážiť viacvrstvové. Tabuľka mapuje typické parametre projektu na minimálny počet životaschopných vrstiev.

Táto tabuľka tiež rámuje obojstranná DPS vs multilayer PCB hranica. Doska so 48-kolíkovým mikrokontrolérom QFP, niekoľkými operačnými zosilňovačmi a niektorými konektormi zvyčajne vedie čisto na dvoch vrstvách. Vymeňte tento QFP za 256-loptový BGA FPGA a dvojvrstvová možnosť zmizne – vnútorné rady loptičiek jednoducho nemôžu uniknúť. The ako si vybrať vrstvy PCB proces začína týmto poctivým hodnotením realizovateľnosti a integrity signálu, nie predvolenou preferenciou „viac vrstiev je profesionálnejších“.

Ako si vybrať vrstvy PCB: Sprievodca výberom v piatich krokoch

Štruktúrovaný Sprievodca výberom vrstvy PCB zabraňuje zbytočným nákladom na zbytočne zložitý stackup a bolestivému opätovnému otáčaniu dosky, ktorá mala mať od začiatku štyri vrstvy. Postupujte podľa týchto krokov v poradí:

1. Spočítajte maximálny počet signálov, ktoré musia prekročiť okraj dosky medzi komponentmi. Ak oblasť s najvyššou hustotou vyžaduje viac ako dve stopy medzi susednými vankúšikmi na jednej vrstve, druhá vrstva je povinná. Ak počet presiahne to, čo dve vrstvy dokážu zvládnuť, prejdite na štyri.
2. Identifikujte najrýchlejšiu okrajovú frekvenciu signálu, nielen frekvenciu hodín. 1 MHz signál s dobou nábehu 1 ns má rovnaký harmonický obsah ako 50 MHz hodiny. Ak sú okrajové sadzby nižšie 2 ns Riadené impedančné stopy a súvislá referenčná rovina sa stávajú kritickými pre integritu signálu. To posúva dizajn smerom k štyrom vrstvám.
3. Posúďte sieť dodávky energie. Ak má doska viac ako dve napäťové koľajnice so špičkovými prúdmi vyššie 1A každý a ak zvlnenie napätia musí zostať pod 50 mV, vyhradené napájacie lietadlo na viacvrstvovej doske je najčistejšie riešenie. Dve vrstvy môžu pracovať s opatrným dimenzovaním a oddelením stôp, ale náročnosť na usporiadanie a riziko prepracovania sú vyššie.
4. Skontrolujte rozpočet a objem výroby. Pri prototypoch a maloobjemových zostavách môže byť cenová penalizácia štyroch vrstiev zanedbateľná. V prípade veľkoobjemových spotrebných produktov sa rozdiel medzi 0,80 a 2,40 dolármi na dosku rýchlo pripočítava k miliónom. Obojstranné dosky zvíťazia, keď je technický výkon primeraný a jednotková cena je primárnym faktorom.
5. Otestujte rozloženie v CAD. Začnite s dvojvrstvovým umiestnením a pokúste sa nasmerovať najviac obmedzenú oblasť. Ak nemôžete dokončiť smerovanie bez porušenia pravidiel návrhu alebo vytvorenia fragmentovaných základných plôch, doska vám povie, že potrebuje viac vrstiev. Nech je konečným arbitrom pokus fyzického rozloženia, nie predsudok.

Toto ako si vybrať vrstvy PCB metodika vyrovnáva elektrické požiadavky s nákladmi. The obojstranná DPS applications ktoré prejdú všetkými piatimi krokmi sú široké: ovládače motora, LED polia, senzorové rozbočovače, brány domácej automatizácie a ovládacie prvky elektrického náradia, všetky fungujú spoľahlivo na dvoch vrstvách. Dosky, ktoré zlyhávajú v druhom kroku – rýchle digitálne rozhrania, RF front-endy, vysokorýchlostné pamäťové zbernice – sú tie, ktoré potrebujú štyri, šesť alebo viac vrstiev. Pochopenie obojstranná DPS disadvantages v integrite signálu a dodávke energie je hovor jasný: zostaňte na dvoch vrstvách, kým sa dokončí smerovanie a návraty signálu zostanú nedotknuté, potom zvýšte, keď si to fyzika okrajových rýchlostí a impedancia roviny vyžaduje.