Одиночная, двухслойная и многослойная печатная плата: типы и как выбрать

Односторонние печатные платы — правильный выбор для простых и недорогих приложений; двусторонние печатные платы подходят для средней сложности и ограниченного бюджета; а многослойные печатные платы необходимы для создания высокоплотных, высокоскоростных или чувствительных к шуму конструкций. Эти три типа печатных плат представляют собой прогресс в сложности производства, возможностях и стоимости — каждый из них имеет четко определенный набор приложений, в которых он обеспечивает наилучший результат. Односторонняя плата, которая стоит 0,50 доллара США за производство является правильным инженерным и коммерческим решением для базового светодиодного контроллера; эта же плата была бы непрактичной отправной точкой для модема 5G. Понимание структурных, электрических и производственных различий между этими тремя категориями является основой для принятия обоснованных решений по печатным платам на самой ранней стадии проектирования.

Как количество слоев печатной платы определяет возможности

Печатная плата представляет собой ламинированную структуру из проводящих медных слоев, разделенных изолирующим материалом подложки — чаще всего стеклоэпоксидным ламинатом FR4. Количество медных слоев определяет, сколько независимых каналов маршрутизации существует на плате, что, в свою очередь, определяет плотность маршрутизации, целостность сигнала, качество распределения мощности и производительность электромагнитной совместимости (ЭМС).

Каждая из трех конфигураций фундаментального уровня представляет собой отдельный уровень инженерных возможностей:

• Односторонняя печатная плата (1 медный слой): Все проводящие дорожки находятся на одной стороне подложки. Монтаж компонентов и трассировка занимают одну и ту же плоскость, что ограничивает плотность прокладки до уровня, которого можно достичь без кроссоверов.
• Двусторонняя печатная плата (2 медных слоя): Медные дорожки существуют на обеих сторонах подложки, соединенных сквозными металлическими отверстиями (PTH). Компоненты можно монтировать с одной или обеих сторон, что примерно удваивает пропускную способность по сравнению с односторонними платами.
• Многослойная печатная плата (4 медных слоя): Несколько медных слоев объединены в единую структуру платы с внутренними слоями маршрутизации, выделенными плоскостями питания и плоскостями заземления. Количество слоев варьируется от 4 до 50 в продвинутых приложениях. 4, 6, 8 и 10 слоев являются наиболее распространенными коммерческими конфигурациями.

Роль материала подложки

Во всех трех типах печатных плат используются одни и те же варианты базовой подложки, хотя выбор материала становится более важным по мере увеличения количества слоев. FR4 (эпоксидная смола, армированная стекловолокном, Tg 130–170°C) является стандартом для большинства коммерческих и промышленных применений. Высокочастотные конструкции выше 1 ГГц все чаще требуются ламинаты с низкими потерями, такие как Rogers 4003C (диэлектрическая проницаемость εr = 3,55, тангенс потерь 0,0027) или Isola IS680, для поддержания целостности сигнала на нескольких слоях — фактор, который не возникает в большинстве односторонних приложений.

Односторонняя печатная плата : Структура, сильные стороны и идеальные приложения

Односторонняя печатная плата имеет один слой медной фольги, прикрепленный к одной стороне изолирующей подложки. Компоненты обычно монтируются на медной стороне (для компонентов со сквозными отверстиями выводы проходят через плату и припаиваются на медной стороне) или на стороне голой подложки, при этом компоненты SMD припаиваются к медным площадкам на противоположной стороне.

Производственный процесс и экономическое преимущество

Односторонние платы производятся простым субтрактивным процессом: подложка с медным покрытием покрывается фоторезистом, экспонируется через пленку с рисунком схемы, проявляется и травится для удаления ненужной меди. Отсутствие сквозного покрытия, ламинирования внутреннего слоя и многократного выравнивания делает односторонние печатные платы самым простым и дешевым типом печатных плат в производстве.

При крупносерийном производстве (100 000 штук) можно изготовить стандартную одностороннюю плиту FR4 размером 100×80 мм для 0,10–0,50 доллара США за единицу. . Это ценовое преимущество является существенным для бытовой электроники с жесткими требованиями к спецификации материалов.

Ограничения проектирования односторонних плат

Фундаментальным ограничением односторонней конструкции является то, что дорожки не могут пересекаться без перемычки или резистора с нулевым сопротивлением — нет второго слоя, который можно было бы проложить поверх существующей дорожки. Это ограничивает сложность схемы конструкциями, в которых все соединения могут быть проложены в непересекающейся планарной конфигурации. Практические верхние пределы для односторонних конструкций обычно составляют:

• Количество компонентов менее 30–50 компонентов для сквозного монтажа или поверхностного монтажа.
• Чистое количество менее 50–80 подключений.
• Отсутствие путей прохождения высокочастотных сигналов, требующих контролируемого импеданса или экранирования.
• Нет необходимости в выделенных силовых или заземляющих плоскостях.

Где превосходят односторонние печатные платы

Односторонние платы по-прежнему производятся в больших объемах для ряда хорошо зарекомендовавших себя применений:

• Драйверы и контроллеры светодиодного освещения: Простые схемы переключения мощности с низкой плотностью компонентов и отсутствием требований к высокой частоте.
• Основные платы питания: Схемы трансформаторов, выпрямителей и фильтров, для которых требуется надежная медь для силовых цепей, но минимальная сложность маршрутизации сигналов.
• Пульты дистанционного управления и простая бытовая электроника: Калькуляторы, базовые игрушки и ИК-пульты дистанционного управления с хорошо зарекомендовавшей себя схемой и минимизацией затрат.
• Платы интерфейса датчиков: Простые аналоговые схемы преобразования датчиков температуры, давления или приближения в приборах.
• Платы автомобильных реле и предохранителей: Сильноточные коммутационные схемы, в которых ширина дорожек и управление температурным режимом имеют большее значение, чем плотность прокладки

Двусторонняя печатная плата: повышенная плотность и более широкий диапазон применения

Двусторонняя печатная плата добавляет второй медный слой на противоположную сторону подложки и соединяет два слоя через сквозные отверстия (PTH) — просверленные отверстия с медной облицовкой, которые создают электрические соединения между верхним и нижним медными слоями. Это единственное дополнение фундаментально меняет пространство проектирования, доступное инженеру.

Металлизированные сквозные отверстия: ключевая технология

Переходные отверстия PTH сверлятся на всю толщину платы, а затем гальванически покрываются медью до толщины стенки минимум 25 мкм согласно IPC-6012, класс 2 (стандартный коммерческий) или 20 мкм минимум по классу 1. Покрытие создает надежное электрическое и механическое соединение между слоями. Диаметры сверл в стандартном двустороннем исполнении варьируются от от 0,2 мм до 6,3 мм , при этом размеры готовых отверстий на 0,1–0,15 мм меньше диаметра сверла после металлизации.

Добавление производства PTH добавляет к процессу изготовления химическое осаждение меди, гальваническое покрытие и дополнительные этапы контроля, что увеличивает стоимость единицы продукции примерно 30–60% по сравнению с односторонним при эквивалентном размере и объеме платы, но обеспечивает примерно удвоенную пропускную способность.

Конструктивные возможности двусторонних плат

• Разрешение пересечения трассировки: Любой конфликт трассировки на верхнем уровне можно разрешить путем перехода на нижний уровень через переходное отверстие, маршрутизации под конфликтующей трассой и возврата. Это устраняет ограничение на использование перемычек в односторонних конструкциях.
• Увеличение плотности компонентов: Компоненты SMD можно размещать на обеих сторонах платы, что потенциально удвоит плотность компонентов на той же площади, что критически важно для промышленных и потребительских приложений с ограниченным пространством.
• Частичное питание и заземление: Один уровень может использоваться преимущественно для распределения питания и заземления, в то время как другой отвечает за маршрутизацию сигналов — улучшение по сравнению с односторонним, но без всех преимуществ выделенных внутренних плоскостей.
• Маршрутизация среднечастотного сигнала: Двусторонние платы поддерживают трассировку с контролируемым импедансом для сигналов примерно до 100–200 МГц при тщательном проектировании, хотя и без заземления, контроль импеданса менее точен, чем в многослойных конструкциях.

Типичные применения двусторонних печатных плат

• Промышленные щиты управления: ПЛК, контроллеры двигателей, релейная логика и панели управления HVAC, где требуется умеренная плотность компонентов и смешанная маршрутизация сигнала/питания.
• Медицинские инструменты: Диагностическое оборудование, устройства наблюдения за пациентами и инфузионные насосы, где надежность имеет решающее значение, но частоты сигналов умеренные.
• Автомобильная кузовная электроника: Модули приборной панели, блоки управления кузовным оборудованием и кластеры датчиков, в которых сложность схемы превышает одностороннюю возможность, но не оправдывает многоуровневую стоимость.
• Силовая электроника: Инверторы, преобразователи постоянного тока и платы ИБП, в которых сосуществуют трассы питания и сигналов, а разделение верхней и нижней части обеспечивает преимущества компоновки.
• Бытовая электроника среднего класса: Аудиоусилители, сетевые коммутаторы и контроллеры домашней автоматизации

Многослойная печатная плата : Высокая плотность, высокая производительность и целостность сигнала

Многослойные печатные платы обладают возможностями, которые принципиально недоступны односторонним или двусторонним конструкциям — не только за счет дополнительных возможностей маршрутизации, но и за счет качественно иных электрических характеристик, обеспечиваемых внутренними плоскостями заземления, плоскостями питания и управляемой разводкой дифференциальных пар в экранированной среде.

Как производятся многослойные платы

Многослойное изготовление начинается с отдельных двусторонних сердцевин внутреннего слоя, каждый из которых обрабатывается как отдельная двусторонняя плата (изображение, травление, проверка). Затем внутренние слои выравниваются с помощью точных совмещенных штифтов и ламинируются вместе со связующими слоями препрега (предварительно пропитанного стекловолокном эпоксидной смолы) в нагретом гидравлическом прессе при 170–200 °C и 250–400 фунтов на квадратный дюйм . После ламинирования обрабатываются внешние слои, сверление и ПТХ-обшивка соединяют все слои, и плата готова.

Точность совмещения слоев при изготовлении высококачественных многослойных материалов обычно составляет ±75–100 мкм , следя за тем, чтобы места отверстий совпадали с медными площадками на всех внутренних слоях. Усовершенствованное производство с микроотверстиями, просверленными лазером, обеспечивает регистрацию в пределах ±25 мкм для плат HDI (High Density Interconnect).

Плоскости питания и заземления: главное преимущество многоуровневой системы

Выделение внутренних слоев для сплошных медных силовых и заземляющих слоев обеспечивает три важных преимущества, которые невозможно воспроизвести в двухслойных конструкциях:

• Маршрутизация с контролируемым импедансом: Сигнальные дорожки на внешних слоях с непосредственно прилегающей к ней заземляющей пластиной (обычно Расстояние 0,1–0,2 мм ) образуют четко определенную линию передачи с вычисляемым характеристическим сопротивлением. Микрополоска сопротивлением 50 Ом на стандартной четырехслойной плате требует ширины дорожки примерно 0,2–0,3 мм в зависимости от толщины диэлектрика — достижимо и рассчитывается с точностью, недостижимой в двухслойных конструкциях.
• Производительность распределительной сети (РЭС): Сплошная медная плата питания обеспечивает подачу питания с низким импедансом ко всем компонентам платы одновременно, уменьшая шум источника питания (пульсации Vdd) и индуктивность путей подачи питания. Это критически важно для высокоскоростных цифровых микросхем, которые потребляют большие переходные токи во время коммутации.
• Экранирование электромагнитных помех: Внутренние заземляющие слои действуют как электромагнитные экраны между сигнальными слоями, уменьшая перекрестные помехи между соседними слоями маршрутизации и ограничивая излучаемые излучения. Четырехслойная плата обычно обеспечивает снижение излучаемых электромагнитных помех на 10–15 дБ. чем эквивалентная двухслойная конструкция на высоких частотах — часто это разница между прохождением или провалом сертификации FCC или CE.

Стратегия наложения слоев для распространенных конфигураций

Расположение сигнальных, силовых и заземляющих слоев в многослойной структуре определяет электрические характеристики платы. Плохая конструкция стопки сводит на нет преимущества дополнительных слоев; Хорошая конструкция стека максимизирует целостность сигнала и производительность PDN при минимальном количестве слоев.

Слепые и скрытые переходные отверстия в продвинутых многослойных конструкциях

Стандартные сквозные отверстия в многослойных платах занимают пространство площадок и антиплощадок на каждом слое, через который они проходят, даже на слоях, которые они не соединяют. В конструкциях высокой плотности с компонентами BGA с мелким шагом ( Шаг 0,4–0,5 мм ), сквозные отверстия занимают слишком много места для трассировки. Слепые переходные отверстия (только для соединения внешнего слоя с внутренними) и скрытые переходные отверстия (соединяющие внутренние слои без достижения внешней поверхности) позволяют выполнять разветвленную разводку под BGA, чего не могут обеспечить сквозные отверстия. Эти технологии добавляют 30–80% от стоимости изготовления но они необходимы для современной маршрутизации процессоров и памяти с высокой плотностью размещения.

Приложения, требующие многослойных печатных плат

• Смартфоны и планшеты: 6–10-слойные платы с конструкцией HDI, BGA с мелким шагом и дифференциальными парами с контролируемым импедансом для интерфейсов USB 3.x, MIPI и PCIe.
• Серверное и сетевое оборудование: 8–16-слойные платы маршрутизируют мультигигабитные линии SerDes, интерфейсы памяти DDR5 и соединения PCIe Gen4/Gen5.
• Автомобильные ADAS и ЭБУ: 6–12-слойные платы в критически важных для безопасности системах, требующих соответствия требованиям ЭМС и высокоскоростной маршрутизации интерфейса датчиков.
• Базовая станция 5G и радиочастотная электроника: Многослойные платы из смешанного ламината с радиочастотными слоями с низкими потерями и стандартными цифровыми слоями FR4 в одном стеке.
• Аэрокосмическая и оборонная электроника: Высоконадежные многослойные платы по стандартам IPC Class 3 с ламинатами расширенного температурного диапазона.

Прямое сравнение: односторонняя, двухсторонняя и многослойная печатная плата

Как выбрать правильный тип печатной платы для вашего проекта

Система принятия решений по выбору типа печатной платы должна учитывать ряд конструктивных ограничений в порядке приоритета. Оптимизация затрат действительна только после подтверждения соответствия функциональным требованиям: выбор односторонней платы для экономии затрат, а затем обнаружение невозможности маршрутизации приводит к потере большего количества времени и денег, чем первоначальная экономия.

1. Оцените требования к частоте сигнала: Если какой-либо сигнал на плате работает выше 100 МГц или если какой-либо интерфейс требует контролируемого импеданса (USB 2.0/3.x, HDMI, PCIe, память DDR, радиочастотные трассы), требуется многослойная плата с опорным заземлением. Этот единственный критерий исключает использование односторонних и двусторонних плат для большинства современных цифровых проектов.
2. Оцените количество компонентов и упаковку: Если конструкция включает в себя какой-либо компонент BGA, QFN или CSP с мелким шагом с шагом менее 0,8 мм, для разводки разветвлений почти всегда требуется как минимум 4-слойная плата. Для компонентов BGA с шагом менее 0,5 мм обычно требуется HDI со слепыми/скрытыми переходными отверстиями независимо от количества слоев.
3. Проверьте требования ЭМС: Конструкции, требующие сертификации FCC Part 15 Class B, CE или автомобильной ЭМС при наличии любой тактовой частоты или частоты переключения выше 30 МГц почти всегда надежнее пройдет сертификацию при использовании многослойной платы с соответствующими плоскостями заземления, чем при использовании двухслойной конструкции, независимо от используемого подхода к фильтрации.
4. Оцените сложность маршрутизации: Если предварительное размещение компонентов и попытка разводки на двухслойной плате приводят к более чем 5–10% неразведенных соединений или требуют чрезмерного компромисса в длине трасс для критических сигналов, переход на четырехслойную плату более экономичен, чем дальнейшие итерации по двухслойной схеме.
5. Подтвердите целевые объемы и затраты: Только после подтверждения того, что функциональные требования выполнены, следует принимать решения по подсчету уровней накопителей. Для крупносерийных продуктов, функциональные требования которых действительно удовлетворяются односторонними или двусторонними платами, экономическое преимущество является существенным и заслуживает оптимизации.

Когда увеличение количества слоев более экономично, чем кажется

Распространенным заблуждением является то, что выбор меньшего количества слоев всегда снижает общую стоимость проекта. На практике дополнительное время, затрачиваемое на проектирование плотной конструкции со слишком малым количеством слоев, увеличение площади платы, необходимое для разрешения конфликтов маршрутизации, а также затраты на повторное тестирование ЭМС в результате неудачного запуска сертификации часто превышают разницу в стоимости изготовления между 2-слойной и 4-слойной платой. 4-слойная плата стоит примерно в 2–2,5 раза дороже, чем 2-слойная плата при партиях прототипа. — часто разница составляет 30–80 долларов за плату, — но отказ от одного цикла испытаний на ЭМС экономит 5 000–20 000 долларов на лабораторных расходах и времени проектирования.

Правила проектирования печатных плат и минимальные размеры элементов в зависимости от типа платы

Понимание минимальных размеров элементов, достижимых для каждого типа печатной платы, помогает проектировщикам избегать указания размеров, которые превышают возможности выбранного ими производителя, что является распространенной причиной задержек прототипов и неожиданного увеличения затрат.

Всегда уточняйте конкретные правила проектирования у выбранного вами производителя, прежде чем завершить разработку макета. Возможности производителей различаются, и проектирование с использованием указанных выше абсолютных минимальных значений без подтверждения увеличивает риск проблем с производительностью и связанных с этим штрафов. Практический подход состоит в том, чтобы достичь 130–150 % заявленных изготовителем минимальных значений. для некритических трасс и пространств, резервируя функции минимальных правил только для тех областей, где они действительно необходимы.