Miten tieteellisesti valita PCB-kerrosten määrä?

PCB-kerrosten lukumäärän peruskäsitteet ja merkitys

Piirilevyt ovat nykyaikaisten elektroniikkalaitteiden keskeisiä komponentteja, ja kerrosten lukumäärän valinta vaikuttaa suoraan tuotteen suorituskykyyn, luotettavuuteen ja kustannuksiin. Elektronisten laitteiden monimutkaistuessa monikerroksiset piirilevyt (tyypillisesti 4-, 6-, 8- tai jopa useampikerroksiset) ovat syntyneet vastaamaan monimutkaisempia suunnitteluvaatimuksia lisäämällä sisäisesti lisää johtavia kerroksia.

Miksi piirilevyn kerrokset ovat aina parillisia?

Koska valmistusprosessi edellyttää kuparifolion laminointia pareittain, nykyaikainen huippuluokan piirilevytekniikka mahdollistaa jopa komponenttien upottamisen piirilevyn sisempiin kerroksiin.Tämä innovatiivinen suunnittelu parantaa entisestään piirien integrointia ja suorituskykyä.

PCB-kerrosten määrän vaikutus tuotteen suorituskykyyn

1. Sähköinen suorituskyky: Useampi kerros tarkoittaa parempaa signaalin eheyttä ja sähkömagneettista yhteensopivuutta.
2. ReititystiheysMonimutkaiset piirit vaativat useampia kerroksia yhteyksiä varten.
3. Kustannusrakenne: Kerrosluvun kasvattaminen nostaa merkittävästi valmistuskustannuksia.

Viihde-elektroniikasta ilmailu- ja avaruuslaitteisiin, eri sovellusalueilla on hyvin erilaisia vaatimuksia PCB-kerrosten lukumäärälle.Kohtuullisella kerroksellisella suunnittelulla voidaan täyttää suorituskykyvaatimukset ja hallita kustannuksia, mutta väärä valinta voi johtaa tuotteen epäonnistumiseen tai kustannusten nousuun. Esimerkiksi yksinkertainen laskin saattaa vaatia vain yksikerroksisen piirilevyn, kun taas älypuhelimissa käytetään yleensä 8-10 kerrosta ja huipputehokkaissa palvelinten emolevyissä jopa 16 kerrosta tai enemmän.

Keskeiset tekijät PCB-kerrosten lukumäärän määrittelyssä

Piirilevykerrosten määrän valitseminen on päätöksentekoprosessi, joka edellyttää useiden tekijöiden kattavaa tarkastelua.Kun asiakkaat haluavat valmistaa PCB-levyjä, valmistajien on ymmärrettävä selkeästi käyttäjien vaatimukset ja annettava insinööreiltä vastaavat suositukset optimaalisen tasapainon löytämiseksi suorituskykyvaatimusten ja kustannusrajoitusten välillä, jolloin asiakkaille tarjotaan tyydyttäviä tuotteita ja erinomaista palvelua.

Sovelluskenttä ja käyttötaajuusvaatimukset

Eri teollisuudenalojen elektroniikkalaitteilla on hyvin erilaiset vaatimukset piirilevyille. Toimintataajuus on yksi keskeisistä parametreista, jotka määrittävät piirilevyn kerrosluvun, ja korkeataajuussovellukset vaativat tyypillisesti enemmän kerroksia signaalin eheyden varmistamiseksi. Esim:

• Viihde-elektroniikka (esim. Bluetooth-kuulokkeet):4-6-kerroksiset levyt
• Televiestintälaitteet (esim. 5G-tukiasemat):voi vaatia 12 kerrosta tai enemmän
• Autoelektroniikka (esim. ECU-ohjausyksiköt):Pääasiassa 6-8 kerrosta
• Ilmailu- ja avaruusjärjestelmät:10 kerrosta tai enemmän erittäin korkean luotettavuuden varmistamiseksi

Korkeataajuuspiireillä (> 120MHz) on tiukemmat vaatimukset piirilevyn kerroslukumäärälle, koska lisääntyneet signaalinsiirtonopeudet tuovat mukanaan suurempia sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) riskejä.Monikerroksiset piirilevyt tarjoavat erilliset virta- ja maatasot, jotka ohjaavat tehokkaasti signaalin paluureittejä ja vähentävät ristikkäisviestintää ja säteilyä.

Piirin monimutkaisuuden ja komponenttien tiheyden arviointi

Piirin monimutkaisuus vaikuttaa suoraan PCB-kerrosten lukumäärää koskeviin vaatimuksiin. Monimutkaisuutta voidaan arvioida seuraavien ulottuvuuksien perusteella:

1. Komponenttien lukumäärä:Erityisesti korkean nastamäärän laitteet, kuten BGA-paketit.
2. Signaaliverkkojen määrä:Tarvittavien yhteyksien kokonaismäärä
3. Erityiset suunnitteluvaatimukset:Kuten impedanssin säätö, differentiaaliparit ja pituuden sovittaminen.

Komponenttien tiheys on toinen tärkeä mittari, joka voidaan laskea PIN-tiheyskaavan avulla:

PIN-tiheys = piirilevyn pinta-ala (in²)/(piirilevyn nastojen kokonaismäärä/14).

Laskentatulosten perusteella voidaan käyttää seuraavia empiirisiä arvoja:

• Yksipuolinen komponenttien sijoittelu: 0,6-1,0 ehdottaa 4 kerrosta; <0,6 vaatii 6 kerrosta tai enemmän.
• Kaksipuolinen komponenttien sijoittelu:Tiheysvaatimuksia voidaan lieventää, mutta on otettava huomioon lämmönhukka ja kokoonpanotekijät.

Budjettia ja valmistuksen aikataulua koskevat näkökohdat

PCB-kerrosten määrää harkittaessa valmistuskustannukset ovat tekijä, jota ei voida jättää huomiotta.Kustannuserot yksi-/kaksikerroksisten ja monikerroksisten piirilevyjen välillä johtuvat pääasiassa suunnittelun ja valmistuksen monimutkaisuudesta. Suuremmalla kapasiteetilla on usein korkeammat kustannukset.

Lisäksi piirilevyjen kerrosluvun ja hinnan välillä on suhteellinen suhde - yleensä useampi kerros tarkoittaa korkeampaa hintaa.Tämä johtuu pääasiassa siitä, että monikerroksisten piirilevyjen suunnittelu- ja valmistusprosessit ovat monimutkaisempia, mikä luonnollisesti lisää kustannuksia.Voit arvioida piirilevykustannuksia tarkemmin käyttämällä piirilevyjen tarjousverkkosivustoja, jotka auttavat arvioimaan kustannuksia eri parametrien, kuten johtimen tyypin, koon, määrän ja kerrosten lukumäärän perusteella. Verkkolaskurit voivat myös auttaa valitsemaan sopivat eristysmateriaalit ja -paksuudet, jotta piirilevyn kustannusrakenteista saadaan kattavampi käsitys.

Toimitusaika on toinen kriittinen tekijä piirilevyjen valmistuksessa, erityisesti suurten määrien tuotannossa. Toimitusajat vaihtelevat kerrosten lukumäärän mukaan, lähinnä PCB:n pinta-alasta riippuen. Lisääntynyt investointi voi joskus lyhentää toimitusaikoja.

Nastojen tiheys ja signaalikerroksen vaatimukset

Piirilevyn kerrosluvun valinta liittyy myös läheisesti nastatiheyteen ja signaalikerroksen tarpeisiin.Esimerkiksi nastatiheys 0 vaatii tyypillisesti 2 signaalikerrosta, kun taas pienemmät nastatiheydet vaativat enemmän kerroksia.Kun nastatiheys on 2 tai pienempi, voidaan tarvita vähintään 10 kerrosta.

PCB-kerroksen valintamenetelmä

Varsinaisessa teknisessä suunnittelussa piirilevyn kerroslukujen valinta edellyttää tieteellistä päätöksentekoa, joka perustuu hankkeen erityisvaatimuksiin ja teknisiin rajoituksiin.Seuraavassa on Topfastin yhteenveto käytännön menetelmistä ja nyrkkisäännöistä, jotka perustuvat yli kymmenen vuoden kokemukseen piirilevyjen valmistuksesta.

Kerrosten lukumäärän arviointi nastojen tiheyden perusteella

Nastojen tiheys on tehokas mittari PCB-kerrosten lukumäärää koskevien vaatimusten arvioimiseksi, ja se lasketaan seuraavasti:

Nastatiheys = piirilevyn pinta-ala (in²)/(piirilevyn nastojen kokonaismäärä/14).

Käytä tulosten perusteella seuraavia valintaperusteita:

Pöytä: Nastatiheys vs. kerrosluku yksipuolisessa komponenttien sijoittelussa

Pöytä: Nastatiheys vs. kerrosten lukumäärä kaksipuolisessa sijoittelussa: Taulukko: Nastatiheys vs. kerrosten lukumäärä kaksipuolisessa sijoittelussa

Taajuus-kerroslukumäärää koskevat nyrkkisäännöt

Prosessorin taajuus on toinen keskeinen näkökohta, sillä korkeataajuuspiirit vaativat tyypillisesti enemmän kerroksia signaalin eheyden varmistamiseksi:

• <50MHz: Yleensä riittää 2 kerrosta
• 50- 120MHz: Suosittelemme 4 kerrosta (signaali-maa-virta-signaali).
• 120MHz-1GHz: 6 kerrosta (paras kustannustehokkuus)
• >1 GHz: Vaatii 8+ kerrosta ja tiukan SI-analyysin

Erityistapaukset, joissa tarvitaan useampia kerroksia matalammista taajuuksista huolimatta:

1. Useita jännitealueita (≥3 riippumatonta virtalähdettä)
2. Nopeat sarjaliitännät (PCIe, USB3.0+)
3. Herkät analogiset piirit (korkean tarkkuuden ADC/DAC)

Muistityypin ja kerrosten lukumäärän strategiat

Muistin osajärjestelmä ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi PCB-kerrosten määrään:

Staattiset muistijärjestelmät:

• SRAM/paralleeli NOR Flash: 2 kerrosta voi riittää.
• Keskeinen seikka: Varmista tehon vakaus

Dynaamiset muistijärjestelmät:

• SDRAM/DDR: vähintään 4 kerrosta
• DDR2/3: Suositellaan 6 kerrosta (joissa on omat vertailutasot).
• DDR4/5: Vaaditaan 8+ kerrosta ja tiukka pituuksien yhteensovittaminen.

NAND Flash -järjestelmät:

• Perinteinen NAND: 4 kerrosta riittää
• eMMC/UFS: Määritetään taajuuden mukaan (yleensä 6 kerrosta).

BGA-pakkaus ja kerrosten lukumäärän mukauttaminen

BGA-laite pakkaus vaikuttaa suoraan PCB-kerrosten määrään:

Pin pitch vs. kerrosluku:

• ≥1.0mm pitch: 2 kerrosta voi toimia.
• 0,8 mm:n jako: Ehdotan 4 kerrosta
• 0,65 mm:n jako:Suositellaan 6 kerrosta
• ≤0,5 mm jako:Vaadi 8+ kerrosta

Nastojen lukumäärää koskevat ohjeet:

• <100 nastaa: Harkitse vähemmän kerroksia
• 100-300 nastaa:Suositeltavat vakiokerrokset
• >300 nastaa:Lisää 1-2 kerrosta

Erityiset BGA-tyypit:

• Flip-chip BGA: Lisää 2 kerrosta.
• Erittäin hienojakoinen BGA (≤0,4 mm): Vaatii HDI-tekniikkaa

Toimialakohtaiset kerrosten lukumäärää koskevat näkökohdat

Eri teollisuudenaloilla on erityisvaatimuksia, jotka vaikuttavat kerrosten määrään:

Autoelektroniikka:

• Basic: Vähintään 4 kerrosta (luotettavuus)
• Voimansiirto: 6 kerrosta + korkean lämpötilan materiaalit
• ADAS-järjestelmät: 8 kerrosta + korkeataajuuksiset materiaalit

Lääkinnälliset laitteet:

• Diagnoosilaitteet: 6 kerrosta (vähämeluinen): 6 kerrosta (vähämeluinen)
• Istutettavat laitteet:4 kerrosta (miniatyrisointi)

Teollisuuden ohjauslaitteet:

• Standardi PLC: 4 kerrosta
• Liikkeenohjaus: 6 kerrosta (EMI-kestävyys)

Viihde-elektroniikka:

• Puettavat laitteet: (miniatyrisointi)
• Älykäs koti:Vaihtelee toiminnallisuuden mukaan

Kustannusten optimointi ja kerrosten määrän kompromissit

Budjettipaineessa kannattaa harkita seuraavia kerrosten lukumäärän optimointistrategiat:

• “Pseudo-multi-layer” design:

• Käytä 2 kerrosta + hyppääjiä simuloidaksesi monikerrostoiminnallisuutta.
• Soveltuu matalataajuisille, pienitiheyksisille malleille.

• Hybridilaminointitekniikka:

• Paikallisesti kasvavat kerrokset (esim. BGA-alueiden alla).
• Tasapaino kustannusten ja suorituskyvyn välillä

• Epäsymmetrinen kerrospinoaminen:

• Vähennä signaalikerroksia, mutta säilytä virta- ja maatasot.
• Esim. 6-kerroksinen levy 1-2-2-1-kokoonpanossa.

• HDI-teknologian korvaaminen:

• Käytä tiheitä yhteenliitäntöjä kokonaiskerrosten vähentämiseksi.
• Ihanteellinen suuren nastamäärän mutta pienen pinta-alan malleihin

Ottamalla kattavasti huomioon kaikki edellä mainitut tekijät sekä erityiset projektin vaatimukset ja rajoitukset, insinöörit voivat tehdä tieteellisesti perusteltuja PCB-kerrosmäärän valintoja, jotka tasapainottavat optimaalisesti suorituskykyä, luotettavuutta ja kustannuksia.

Usein kysytyt kysymykset (FAQ)

PCB-kerrosnumeroiden valinnassa kohdataan usein joitakin tyypillisiä ongelmia ja sekaannuksia. Näihin yleisiin kysymyksiin annetaan ammattimaisia vastauksia.

Miten määritetään, milloin suunnittelu tarvitsee lisää PCB-kerroksia?

Useat selkeät indikaattorit viittaavat siihen, että on tarpeen lisätä PCB-kerroksia:

• Riittämätön reitityksen loppuunsaattaminen:

• Reititystä ei pystytä suorittamaan loppuun 90 %:n saavuttamisen jälkeen
• Jumppereiden laaja käyttö ristiinkytkentöjen ratkaisemiseksi

• Signaalin eheyteen liittyvät ongelmat:

• Kriittisissä signaaleissa esiintyy voimakasta soimista
• Silmäkaaviotestit epäonnistuvat
• Järjestelmän bittivirheiden määrä ylittää rajat

• Virran vakauteen liittyvät ongelmat:

• Jännitteen vaihtelut ylittävät toleranssit
• Huomattava samanaikainen kytkentäkohina (SSN)

• EMC-testin epäonnistumiset:

• Säteilypäästöt ylittävät standardit
• Immuniteettitestit epäonnistuvat

• Lämmönhallintaan liittyvät vaikeudet:

• Paikallista ylikuumenemista ei voida ratkaista nykyisillä kerroksilla.
• Tarvitaan lisää lämpökerroksia tai läpivientejä

Käytännön tarkastusmenetelmät:

• Suunnittelusääntöjen tarkistus (DRC) osoittaa lukuisia rikkomuksia.
• 3D-näkymä paljastaa erittäin ruuhkautuneen reitityksen.
• Simulaatioanalyysi osoittaa, että kriittiset parametrit eivät täyty

Mitä mahdollisia ongelmia syntyy PCB-kerrosten lisäämisestä?

Vaikka kerrosten lisääminen ratkaisee monia suunnitteluhaasteita, se voi myös aiheuttaa seuraavia ongelmia uudet ongelmat:

• Kustannusten nousu:

• 30-50 % kustannusten nousu 2 lisäkerrosta kohden
• Korkeammat kertaluonteiset suunnittelukustannukset (NRE).

• Alhaisemmat tuotantotuotokset:

• Lisääntynyt vaikeus kerrosten kohdistamisessa
• Korkeampi sisäisen kerroksen vikojen määrä

• Pidennetyt toimitusajat:

• 3-5 lisävuorokautta kutakin kahta lisäkerrosta kohti
• Rajoitetut mahdollisuudet kiireelliseen pikalähetykseen

• Korjausvaikeudet:

• Sisäisen kerroksen vikoja on vaikea havaita
• Alhaisemmat uudelleenkäsittelyn onnistumisprosentit

• Painon ja paksuuden kasvu:

• Vaikutus kannettavien laitteiden suunnitteluun
• Saattaa ylittää mekaaniset rajat

Lieventämisstrategiat:

• Käytetään porrastettuja kerrosmalleja (vaihteleva kerrosluku alueittain).
• HDI:n käyttöönotto kokonaiskerrosvaatimusten vähentämiseksi
• Optimoi pinoamiset saantojen parantamiseksi

Miten tasapainottaa kustannukset ja suorituskyky optimaalisen kerrosluvun saavuttamiseksi?

Kustannustehokkuuden tasapainottamismenetelmät:

• Vaiheittainen tarkastusmenetelmä:

• Aloita prototyypit vähemmillä kerroksilla
• Päätä, lisätäänkö kerroksia testitulosten perusteella.

• Kriittisen polun analyysi:

• Kriittisimpien signaalireittien tunnistaminen
• Lisää kerroksia vain näihin osioihin

• Kustannus-hyötyarviointimatriisi:

4. Modulaarinen lähestymistapa suunnitteluun:

• Ydinmoduulit käyttävät monikerroksisia
• Perifeeriset piirit käyttävät 2-kerroksista

Käytännön nyrkkisäännöt:

• Kuluttajatuotteet: ≤6 kerrosta
• Teollisuuslaitteet: 4-8 kerrosta ihanteellinen
• Verkkolaitteet: 6-12 kerrosta yleistä
• High-end-laskenta: kerrokset: 12+ kerrosta

Mitkä ovat tyypillisiä sovelluksia eri PCB-kerrosmäärille?

Tyypilliset sovellukset kerrosten lukumäärän mukaan:

2-kerroksinen:

• Laitteiden ohjaustaulut
• Yksinkertaiset virtapiirit
• Teolliset perusmoduulit
• Elektroniset lelut

4-kerroksinen:

• Älypuhelimet
• Reitittimet
• Autoteollisuuden ECU:t
• Lääketieteelliset monitorit

6-kerroksinen:

• High-end-näytönohjaimet
• Teolliset PLC:t
• Verkkokytkimet
• Drone-ohjaimet

8-kerroksinen:

• Palvelinten emolevyt
• 5G-tukiasemat
• Kehittynyt ADAS
• Ensiluokkaiset testauslaitteet

10+ kerros:

• Supertietokoneet
• Ilmailu- ja avaruuselektroniikka
• Korkealuokkaiset tutkajärjestelmät
• Monimutkaiset taustalevyt

Yleiset väärinkäsitykset PCB-kerrosluvun valinnassa

• “Useampi kerros on aina parempi”.:

• Fakta: Ylisuunnittelu tuhlaa kustannuksia.
• Totuus: Täytä vaatimukset asianmukaisesti

• “2-kerros ei pysty suurnopeuteen’8221;:

• Fakta: Yksinkertaiset suurnopeuspiirit ovat mahdollisia.
• Totuus: Vaatii huolellista suunnittelua

• “Tehotasojen on oltava vakaita.”:

• Fakta: Jaetut lentokoneet voivat olla parempia
• Totuus: Riippuu nykyisistä tarpeista

• “Sisäisen kerroksen signaalit ovat heikompia”:

• Fakta: Sisäiset signaalit ovat vakaampia
• Totuus: Viitetasot vaikuttavat.

• “Kerrosten lisääminen ratkaisee aina EMC:n.”:

• Tosiasia: Huono pinoaminen voi heikentää EMC:tä.
• Totuus: pinoamisen suunnittelu on kriittisempää.

Oikeat käytännöt:

• Perusta päätökset järjestelmävaatimuksiin
• Validointi simulaatioiden avulla
• Kysy PCB-valmistajalta’ n neuvoja
• Viittaus samankaltaisiin onnistuneisiin malleihin

Aiheeseen liittyvä lukeminen

Milloin sinun pitäisi valita 2-kerroksinen PCB tai 4-kerroksinen PCB?