Двухсторонняя печатная плата против односторонней и многослойной: преимущества и руководство по выбору слоев

Решение об уровне печатной платы: стоимость, плотность и производительность

Проектирование каждой печатной платы начинается с фундаментального выбора: сколько проводящих слоев необходимо. односторонняя и двухсторонняя печатная плата Вопрос – это первая развилка пути, а шаг от двухсторонней к многослойности – второй. Каждый прыжок увеличивает стоимость, сложность и возможности. Односторонняя плата размещает все медные провода на одной стороне, заставляя каждую сигнальную дорожку проходить вокруг выводов компонентов, не пересекая их. А двухсторонняя печатная плата добавляет второй медный слой и соединяет их с помощью сквозных металлизированных отверстий, примерно удваивая доступную площадь трассировки. Многослойная плата состоит из четырех, шести или более слоев с выделенными плоскостями питания и земли, обеспечивая целостность сигнала и электромагнитную совместимость при значительной надбавке к цене.

Это руководство работает через двухсторонняя печатная плата vs multilayer PCB и односторонняя и двухсторонняя печатная плата Сравнение в практическом плане: стоимость квадратного сантиметра, плотность, максимальное количество контактов компонента и контроль электромагнитных помех. В конце концов, у вас будет четкое Руководство по выбору слоев печатной платы это позволяет согласовать сложность платы с электрическими и механическими требованиями продукта без переусложнения конструкции стека.

Односторонняя или двусторонняя печатная плата: первый большой шаг

Односторонняя печатная плата представляет собой подложку — почти всегда FR-4 или фенольную бумагу — с медной фольгой только с одной стороны. Компоненты расположены на немедной стороне, а выводы проходят к припаянным площадкам. Вся маршрутизация происходит в этом единственном медном слое, что заставляет любую дорожку, пересекающую другую, идти в обход или использовать перемычку с нулевым сопротивлением. Это работает для схем низкой сложности: источника питания с несколькими дискретными компонентами, платы светодиодов или простого интерфейса датчика. В тот момент, когда на схеме появляется микроконтроллер, радиочастотная секция или плотный разъем, односторонняя трассировка становится непрактичной или невозможной.

двухсторонняя печатная плата advantages над односторонним, начните с переходного отверстия. Добавляя второй медный слой и прокладывая его через отверстия, сигналы могут перемещаться от верхнего слоя к нижнему в любой точке. Проектировщик может маршрутизировать пакет BGA или QFP высокой плотности без невозможных крысиных гнезд. Двусторонние платы также допускают засыпку земли на одном слое, что улучшает пути возврата сигнала и снижает излучаемый шум — возможность, отсутствующая в односторонних конструкциях. Штраф за добавление второго слоя и металлизированных отверстий составляет обычно от 30% до 60% по сравнению с эквивалентной односторонней платой, это премия, которая покрывает перемычки, время ручной сборки и риски, связанные с надежностью.

Двухсторонняя печатная плата против многослойной: когда двух слоев становится недостаточно

двухсторонняя печатная плата vs multilayer PCB порог пересекается, когда целостность сигнала, распределение мощности или плотность компонентов превосходят две медные пластины. Двусторонняя плата заставляет питание и землю делить пространство маршрутизации с сигналами, часто в виде жирных следов, оплетающих компоненты. Это создает высокую индуктивность контура, падение напряжения и перекрестные помехи. Четырехслойная плата — самая простая многослойная — обычно содержит внутренние слои для сплошной заземленной плоскости и плоскости питания. Это приводит к тому, что обратный путь каждого сигнала оказывается непосредственно примыкающим к трассе, сокращая площадь контура и излучаемые излучения на 10 дБ или более по сравнению с двухслойной планировкой с фрагментированной заливкой грунта.

Многослойные платы также поддерживают интерфейсы BGA с большим количеством контактов и плотные интерфейсы памяти, для которых требуется управление импедансом микрополосковых или полосковых линий. Шину памяти DDR3 или DDR4 на двухслойной плате практически невозможно проложить с соблюдением синхронизации; Базовой линией являются четыре или шесть слоев со скрытыми опорными плоскостями. Цена за эту возможность высока: четырехслойная плата стоит 2-3 раза столько же, сколько двухслойный эквивалент, а время выполнения заказа увеличивается из-за увеличения количества циклов ламинирования. Решение о переходе от двусторонней к многослойной печати должно быть обусловлено четкими техническими требованиями, а не предположением, что чем больше слоев, тем лучше.

Преимущества двухсторонних печатных плат: почему два слоя остаются основой отрасли

двухсторонняя печатная плата advantages выходить за пределы рельефа маршрутизации. Стоимость – самое очевидное. Двухслойная плата использует один цикл ламинирования, стандартный двусторонний ламинат с медным покрытием и простой процесс травления пластины с помощью сверления. Отсутствие регистрации внутреннего слоя и этапов ламинирования обеспечивает высокую производительность и низкие цены. Для Плита 100 × 100 мм из FR-4 с медью на 1 унцию Партия двустороннего прототипа из десяти штук может стоить менее 50 долларов, а четырехслойный эквивалент часто превышает 150 долларов.

Доработка и отладка проще на двух уровнях. Каждый след виден на одной из двух внешних поверхностей; нет скрытого сигнала, для исследования которого требуется рентгеновский снимок. Если необходимо перерезать след или добавить проволоку, доступ к нему тривиален. Напротив, изменение дорожки внутреннего слоя на четырехслойной плате фактически невозможно. Такая наглядность ускоряет поиск и обнаружение ошибок, поэтому многие платы для разработки и прототипы для проверки концепции остаются двухслойными, даже когда конечный продукт может перейти на более высокое количество слоев. двухсторонняя печатная плата applications Больше всего от этого выигрывают системы средней сложности, высокой чувствительности к затратам и необходимости быстрой итерации — элементы управления бытовой техникой, драйверы светодиодов и интерфейсы промышленных датчиков.

Недостатки двухсторонней печатной платы: пределы, с которыми вы столкнетесь

Признавая двухсторонняя печатная плата disadvantages так же важно, как и перечисление сильных сторон. Первым ограничением является распределение мощности. Без выделенной плоскости ток питания течет по дорожкам, которые делят слой с сигналами. Это приводит к пульсациям напряжения на нагрузке и переносу коммутационного шума на близлежащие сети. Микроконтроллер, которому требуется чистая шина 3,3 В, может подвергаться периодическим сбросам, если сильноточный драйвер двигателя использует тот же медный слой без заземления звездой. На четырехслойной плате сплошная полоса питания обеспечивает сопротивление менее 10 мОм в любой точке; на двухслойной плате то же соединение через дорожку шириной 0,5 мм может проявляться сотни миллиом и corresponding voltage droop.

Электромагнитные помехи (EMI) труднее сдержать на двух слоях. Непрерывная плоскость заземления на одном слое помогает, но если для трассировки необходимо использовать противоположную сторону, любой паз или разделение в этой плоскости создает щелевую антенну. Передача высокоскоростного сигнала через разрыв в обратном пути заземления может привести к сбоям при проверке ЭМС на таких низких частотах, как 30 МГц . Единственное решение — сшить заземляющие плоскости переходными отверстиями и уберечь критические сигналы от разрывов — ограничение, которое становится невозможным по мере увеличения плотности компонентов. Когда плата не проходит тест на излучение и не может быть отлажена с помощью ферритов или экранирования, основной причиной часто является неадекватная структура заземления, которую можно исправить только с помощью многослойного стека.

Когда использовать двустороннюю печатную плату: таблица практических решений

question of когда использовать двустороннюю печатную плату на этот вопрос можно ответить с помощью нескольких измеримых порогов. Если конструкция соответствует всем приведенным ниже критериям, вероятно, правильным выбором будет двухслойная плата; если более чем один критерий не соответствует требованиям, пришло время рассмотреть многоуровневый подход. В таблице типичные параметры проекта сопоставлены с минимальным количеством жизнеспособных слоев.

Эта таблица также определяет двухсторонняя печатная плата vs multilayer PCB граница. Плата с 48-контактным микроконтроллером QFP, несколькими операционными усилителями и некоторыми разъемами обычно проходит по двум слоям. Замените этот QFP на BGA FPGA с 256 шариками, и двухслойный вариант исчезнет — внутренние ряды шариков просто не смогут выйти наружу. как выбрать слои печатной платы Процесс начинается с этой честной оценки возможности прорыва и целостности сигнала, а не с предпочтения по умолчанию «чем больше слоев, тем профессиональнее».

Как выбрать слои печатной платы: руководство по выбору в пять шагов

Структурированный Руководство по выбору слоев печатной платы предотвращает как напрасные затраты на излишне сложную сборку, так и болезненное повторное вращение доски, которая с самого начала должна была состоять из четырех слоев. Выполните следующие действия по порядку:

1. Подсчитайте максимальное количество сигналов, которые должны пересекать край платы между компонентами. Если для области с наибольшей плотностью требуется более двух дорожек между соседними контактными площадками на одном слое, второй слой является обязательным. Если количество превышает то, с чем могут справиться два слоя, перейдите к четырем.
2. Определите максимальную скорость фронта сигнала, а не только тактовую частоту. Сигнал частотой 1 МГц со временем нарастания 1 нс имеет то же содержание гармоник, что и тактовый сигнал 50 МГц. Если краевые ставки ниже 2 нс , трассы с контролируемым импедансом и непрерывная опорная плоскость становятся критически важными для целостности сигнала. Это подталкивает дизайн к четырем слоям.
3. Оцените сеть энергоснабжения. Если на плате имеется более двух шин напряжения с пиковыми токами выше 1А каждый и если пульсации напряжения должны оставаться ниже 50 мВ, выделенная линия питания на многослойной плате является самым чистым решением. Два слоя могут работать с тщательным определением размера трассировки и разделением, но затраты на компоновку и риск переделки выше.
4. Проверьте бюджет и объем производства. Для прототипов и мелкосерийных сборок стоимость четырех слоев может быть незначительной. Для крупных потребительских товаров разница между 0,80 и 2,40 доллара за плату быстро достигает миллионов. Двусторонние платы выигрывают, когда технические характеристики адекватны, а стоимость единицы продукции является основным фактором.
5. Проверьте макет в САПР. Начните двухслойное размещение и попытайтесь трассировать наиболее ограниченную область. Если вы не можете выполнить трассировку, не нарушая правил проектирования или не создавая фрагментированных плоскостей заземления, плата сообщит вам, что необходимо больше слоев. Пусть окончательным арбитром будет попытка физического расположения, а не предвзятое мнение.

Это как выбрать слои печатной платы методология уравновешивает электрические требования и стоимость. двухсторонняя печатная плата applications которые проходят все пять этапов, являются широкими: контроллеры двигателей, светодиодные матрицы, концентраторы датчиков, шлюзы домашней автоматизации и элементы управления электроинструментами — все они надежно работают на двух уровнях. Платы, которые не справляются со вторым этапом (быстрые цифровые интерфейсы, радиочастотные интерфейсы, высокоскоростные шины памяти), нуждаются в четырех, шести или более слоях. Понимание двухсторонняя печатная плата disadvantages в целостности сигнала и подаче мощности проясняет призыв: оставайтесь на двух уровнях, пока маршрутизация завершена и возвраты сигнала остаются нетронутыми, затем активизируйтесь, когда этого требуют физика скорости фронта и импеданса плоскости.