Come selezionare scientificamente il numero di strati del PCB?

Concetti di base e importanza del conteggio dei livelli dei PCB

I PCB sono componenti essenziali dei moderni dispositivi elettronici e la scelta del numero di strati influisce direttamente sulle prestazioni, sull'affidabilità e sul costo del prodotto. Con l'aumentare della complessità dei dispositivi elettronici, sono nati i PCB multistrato (tipicamente a 4, 6, 8 o anche più strati) per soddisfare i requisiti di progettazione più complessi, aggiungendo internamente ulteriori strati conduttivi.

Perché i layer dei PCB sono sempre in numero pari?

Poiché il processo di produzione prevede che i fogli di rame siano laminati a coppie, la moderna tecnologia dei PCB di fascia alta consente persino di incorporare i componenti negli strati interni del PCB.Questo design innovativo migliora ulteriormente l'integrazione dei circuiti e le prestazioni.

L'impatto del numero di strati del PCB sulle prestazioni del prodotto

1. Prestazioni elettriche: Più strati significano migliore integrità del segnale e compatibilità elettromagnetica.
2. Densità di instradamentoI circuiti complessi richiedono un maggior numero di strati per le interconnessioni.
3. Struttura dei costi: L'aumento del numero di strati aumenta significativamente i costi di produzione.

Dall'elettronica di consumo alle apparecchiature aerospaziali, le diverse aree applicative hanno requisiti molto diversi per quanto riguarda il numero di strati del PCB.Una progettazione ragionevole degli strati può soddisfare i requisiti di prestazione controllando i costi, ma una scelta sbagliata può portare al fallimento del prodotto o all'aumento dei costi. Ad esempio, una semplice calcolatrice può richiedere un solo strato di PCB, mentre gli smartphone utilizzano in genere 8-10 strati e le schede madri per server ad alte prestazioni possono arrivare a 16 strati o più.

Fattori chiave nella determinazione del numero di strati del PCB

La scelta del numero di strati della scheda PCB è un processo decisionale che richiede una considerazione completa di molteplici fattori.Quando i clienti desiderano produrre schede PCB, i produttori devono comprendere chiaramente i requisiti degli utenti e fornire le raccomandazioni corrispondenti da parte degli ingegneri per trovare l'equilibrio ottimale tra i requisiti di prestazione e i vincoli di costo, fornendo così ai clienti prodotti soddisfacenti e un servizio eccellente.

Campo di applicazione e requisiti di frequenza operativa

I dispositivi elettronici di diversi settori hanno requisiti molto diversi per i PCB. Frequenza operativa è uno dei parametri fondamentali che determinano il numero di strati del PCB, con le applicazioni ad alta frequenza che in genere richiedono più strati per garantire l'integrità del segnale. Ad esempio:

• Elettronica di consumo (ad esempio, cuffie Bluetooth):Di solito schede a 4-6 strati
• Apparecchiature di telecomunicazione (ad esempio, stazioni base 5G):Possono essere necessari 12 o più livelli
• Elettronica automobilistica (ad esempio, unità di controllo ECU):Principalmente 6-8 strati
• Sistemi aerospaziali:10 o più strati per garantire un'affidabilità estremamente elevata

I circuiti ad alta frequenza (120 MHz) hanno requisiti più severi per quanto riguarda il numero di strati del PCB, poiché l'aumento della velocità di trasmissione dei segnali comporta maggiori rischi di interferenza elettromagnetica (EMI).I PCB multistrato forniscono piani di alimentazione e di terra dedicati, controllando efficacemente i percorsi di ritorno del segnale e riducendo la diafonia e la radiazione.

Valutazione della complessità del circuito e della densità dei componenti

Complessità del circuito influisce direttamente sui requisiti di numero di strati del PCB. La complessità può essere valutata in base alle seguenti dimensioni:

1. Numero di componenti:Soprattutto dispositivi ad alto numero di pin come i pacchetti BGA
2. Numero di reti di segnali:Totale interconnessioni necessarie
3. Requisiti speciali di progettazione:Come il controllo dell'impedenza, le coppie differenziali e l'accoppiamento della lunghezza

Densità dei componenti è un'altra metrica importante, calcolabile attraverso la formula della densità PIN:

Densità PIN = Area della scheda (in²)/(Numero totale di pin sulla scheda/14)

Sulla base dei risultati dei calcoli, si può fare riferimento ai seguenti valori empirici:

• Posizionamento dei componenti su un solo lato: Densità PIN>1.0 può utilizzare 2 strati; 0.6-1.0 suggerisce 4 strati; <0.6 richiede 6 strati o più
• Posizionamento dei componenti su due lati:Gli standard di densità possono essere allentati, ma devono considerare la dissipazione del calore e i fattori di assemblaggio.

Considerazioni sul budget e sui tempi di produzione

Quando si considera il numero di strati del PCB, il costo di produzione è un fattore che non può essere ignorato.La differenza di costo tra PCB a singolo/doppio strato e PCB multistrato risiede principalmente nella complessità della progettazione e della produzione. Una maggiore capacità spesso comporta un costo più elevato.

Inoltre, esiste una relazione proporzionale tra il numero di strati del PCB e il prezzo: in generale, più strati significano prezzi più alti.Ciò è dovuto principalmente al fatto che i processi di progettazione e produzione dei PCB multistrato sono più complessi, con un conseguente aumento dei costi.Per valutare con maggiore precisione i costi dei PCB, è possibile utilizzare siti web di quotazione dei PCB che aiutano a stimare i costi in base a diversi parametri come il tipo di conduttore, le dimensioni, la quantità e il numero di strati. I calcolatori online possono anche aiutare a selezionare i materiali e gli spessori di isolamento appropriati per una comprensione più completa della struttura dei costi dei PCB.

Tempi di consegna è un altro fattore critico nella produzione di PCB, soprattutto per la produzione di grandi volumi. I tempi di consegna variano in base al numero di strati, soprattutto in funzione dell'area del PCB. Un maggiore investimento può talvolta ridurre i tempi di consegna.

Densità dei pin e requisiti dello strato di segnale

La selezione del numero di strati del PCB è strettamente correlata alla densità di pin e alle esigenze di strato di segnale.Ad esempio, una densità di pin pari a 0 richiede in genere 2 strati di segnale, mentre densità di pin inferiori richiedono più strati.Quando la densità di pin raggiunge 2 o meno, possono essere necessari almeno 10 strati.

Metodo di selezione degli strati del PCB

Nella progettazione vera e propria, la selezione del numero di strati del PCB richiede un processo decisionale scientifico basato sui requisiti specifici del progetto e sui vincoli tecnici.Di seguito sono riportati i metodi pratici e le regole empiriche riassunte da Topfast sulla base di oltre dieci anni di esperienza nella produzione di PCB.

Stima del conteggio degli strati in base alla densità dei pin

Densità dei pin è una metrica efficace per valutare i requisiti di numero di strati del PCB, calcolata come:

Densità di pin = Area della scheda (in²)/(Numero totale di pin sulla scheda/14)

In base ai risultati, fare riferimento ai seguenti criteri di selezione:

Tabella: Densità dei pin rispetto al numero di strati per il posizionamento dei componenti su un solo lato

Tabella: Densità dei pin rispetto al numero di strati per il posizionamento su due lati

Regole empiriche per il conteggio della frequenza e dello strato

Frequenza del processore è un'altra considerazione fondamentale: i circuiti ad alta frequenza richiedono in genere più strati per l'integrità del segnale:

• 50MHz: Di solito è sufficiente con 2 strati
• 50- 120MHz: Raccomandare 4 strati (segnale-terra-alimentazione-segnale)
• 120MHz-1GHz6 strati (miglior rapporto costo/prestazioni)
• >1GHz: Richiede 8+ strati con un'analisi SI rigorosa

Casi speciali in cui sono necessari più strati nonostante le frequenze più basse:

1. Domini di tensione multipli (≥3 alimentatori indipendenti)
2. Interfacce seriali ad alta velocità (PCIe, USB3.0+)
3. Circuiti analogici sensibili (ADC/DAC ad alta precisione)

Tipo di memoria e strategie di conteggio degli strati

Sottosistema di memoria caratteristiche influenzano in modo significativo il numero di strati del PCB:

Sistemi di memoria statica:

• SRAM/parallelo NOR Flash: 2 strati possono essere sufficienti
• Punto chiave: Garantire la stabilità dell'alimentazione

Sistemi di memoria dinamica:

• SDRAM/DDR: minimo 4 strati
• DDR2/3: consiglia 6 strati (con piani di riferimento dedicati)
• DDR4/5: richiede più di 8 strati con una corrispondenza rigorosa delle lunghezze

Sistemi NAND Flash:

• NAND convenzionale: sono sufficienti 4 strati
• eMMC/UFS: Determinare in base alla frequenza (in genere 6 strati)

Confezionamento BGA e adattamento del numero di strati

Dispositivo BGA L'imballaggio influisce direttamente sul numero di strati del PCB:

Passo dei pin vs. numero di strati:

• Passo ≥1,0 mm: 2 strati possono funzionare
• Passo di 0,8 mm: Suggerisce 4 strati
• Passo di 0,65 mm:Raccomandiamo 6 strati
• Passo ≤0,5 mm:Richiede più di 8 strati

Linee guida per il conteggio dei pin:

• 100 pin: Considerare meno strati
• 100-300 pin:Strati standard consigliati
• >300 pin:Aggiungere 1-2 strati

Tipi speciali di BGA:

• Flip-chip BGA: aggiungere 2 strati
• BGA a passo ultrafine (≤0,4 mm): Richiede la tecnologia HDI

Considerazioni sul conteggio dei livelli specifiche del settore

I diversi settori industriali hanno requisiti speciali che influenzano il numero di strati:

Elettronica per autoveicoli:

• Base: minimo 4 strati (affidabilità)
• Propulsore: 6 strati + materiali ad alta temperatura
• Sistemi ADAS: 8 strati + materiali ad alta frequenza

Dispositivi medici:

• Apparecchiatura diagnostica: 6 strati (basso rumore)
• Dispositivi impiantabili:4 strati (miniaturizzazione)

Controlli industriali:

• PLC standard: 4 strati
• Controllo del movimento: 6 strati (resistenza EMI)

Elettronica di consumo:

• Oggetti indossabili: 4 strati (miniaturizzazione)
• Casa intelligente:Varia in base alla funzionalità

Ottimizzazione dei costi e compromessi sul conteggio dei livelli

In caso di pressione sul budget, considerate questi strategie di ottimizzazione del numero di strati:

• “Pseudo-multi-layer” design:

• Utilizzare 2 strati + ponticelli per simulare la funzionalità multistrato
• Adatto per progetti a bassa frequenza e bassa densità

• Tecnologia di laminazione ibrida:

• Strati ad incremento locale (ad esempio, sotto le aree BGA)
• Bilanciamento tra costi e prestazioni

• Impilamento asimmetrico degli strati:

• Riduzione degli strati di segnale ma mantenimento dei piani di alimentazione/terra
• Ad esempio, scheda a 6 strati in configurazione 1-2-2-1

• Sostituzione della tecnologia HDI:

• Utilizzare interconnessioni ad alta densità per ridurre gli strati totali
• Ideale per progetti ad alto numero di pin ma di superficie ridotta

Considerando in modo esaustivo tutti i fattori di cui sopra, insieme ai requisiti e ai vincoli specifici del progetto, gli ingegneri possono effettuare selezioni scientificamente fondate del numero di strati di PCB che bilanciano in modo ottimale prestazioni, affidabilità e costi.

Domande frequenti (FAQ)

Nel processo di selezione dei numeri di layer dei PCB, si incontrano spesso alcuni problemi e confusioni tipici. Per queste domande comuni vengono fornite risposte professionali.

Come determinare quando un progetto necessita di più strati di PCB?

Diversi indicatori chiari suggeriscono la necessità di aumentare gli strati del PCB:

• Completamento insufficiente dell'instradamento:

• Impossibile completare l'instradamento dopo aver raggiunto il 90%.
• Ampio uso di ponticelli per risolvere i crossover

• Problemi di integrità del segnale:

• I segnali critici mostrano un forte ringing
• I test dei diagrammi oculari falliscono
• Il tasso di errore di bit del sistema supera i limiti

• Problemi di stabilità dell'alimentazione:

• Le fluttuazioni di tensione superano le tolleranze
• Notevole rumore di commutazione simultanea (SSN)

• Fallimenti dei test EMC:

• Le emissioni irradiate superano gli standard
• I test di immunità non hanno avuto successo

• Difficoltà di gestione termica:

• Il surriscaldamento locale è irrisolvibile con gli strati attuali
• Necessità di strati termici o vias aggiuntivi

Metodi di verifica pratici:

• Il Design Rule Check (DRC) mostra numerose violazioni.
• La vista 3D rivela un percorso estremamente congestionato
• L'analisi di simulazione indica parametri critici non soddisfatti

Quali sono i potenziali problemi derivanti dall'aumento degli strati di PCB?

Se da un lato l'aggiunta di strati risolve molti problemi di progettazione, dall'altro può introdurre i seguenti problemi nuovi problemi:

• Aumento dei costi:

• Aumento dei costi del 30-50% per 2 strati aggiuntivi
• Maggiori spese di ingegneria non ricorrenti (NRE)

• Rese produttive inferiori:

• Maggiore difficoltà nell'allineamento dei livelli
• Tassi di difettosità dello strato interno più elevati

• Tempi di consegna prolungati:

• Altri 3-5 giorni per 2 strati aggiuntivi
• Opzioni limitate per le spedizioni urgenti

• Difficoltà di riparazione:

• Difficile individuare i difetti dello strato interno
• Tassi di successo di rilavorazione più bassi

• Aumento del peso e dello spessore:

• Impatto dei progetti di dispositivi portatili
• Può superare i limiti meccanici

Strategie di mitigazione:

• Utilizzare disegni a strati graduali (variando il numero di strati in base all'area)
• Adottare l'HDI per ridurre i requisiti di livello totale
• Ottimizzare gli accatastamenti per migliorare i rendimenti

Come bilanciare costi e prestazioni per un numero ottimale di strati?

Metodi di bilanciamento costi-prestazioni:

• Approccio di verifica per fasi:

• Avviare prototipi con meno strati
• Decidere se aggiungere strati in base ai risultati dei test.

• Analisi del percorso critico:

• Identificare i percorsi del segnale più critici
• Aggiungere livelli solo per queste sezioni

• Matrice di valutazione costi-benefici:

4. Approccio di progettazione modulare:

• I moduli principali utilizzano un sistema multistrato
• I circuiti periferici utilizzano un sistema a 2 strati.

Regole pratiche:

• Prodotti di consumo: ≤6 strati
• Attrezzature industriali: 4-8 strati ideali
• Apparecchiature di rete: 6-12 strati comuni
• Informatica di alto livello: 12+ strati

Quali sono le applicazioni tipiche per i diversi numeri di strati dei PCB?

Applicazioni caratteristiche per numero di strati:

2 strati:

• Schede di controllo degli apparecchi
• Circuiti di potenza semplici
• Moduli industriali di base
• Giocattoli elettronici

4 strati:

• Smartphone
• Router
• Centraline per autoveicoli
• Monitor medici

6 strati:

• Schede grafiche di fascia alta
• PLC industriali
• Switch di rete
• Controllori di droni

8 strati:

• Schede madri per server
• Stazioni base 5G
• ADAS avanzato
• Strumenti di test premium

Strato 10+:

• Supercomputer
• Elettronica aerospaziale
• Sistemi radar di fascia alta
• Piani dorsali complessi

Errori comuni nella selezione del numero di strati dei PCB

• “Più strati sono sempre meglio”.:

• Fatto: l'eccessiva ingegnerizzazione comporta uno spreco di costi
• Verità: soddisfare adeguatamente i requisiti

• “2 strati non possono fare l'alta velocità”:

• Fatto: è possibile realizzare semplici circuiti ad alta velocità
• Verità: Richiede una progettazione accurata

• “I piani di potenza devono essere solidi.”:

• Fatto: gli aerei divisi possono essere migliori
• Verità: dipende dalle esigenze attuali

• “I segnali dello strato interno sono più scarsi”:

• Fatto: i segnali interni sono più stabili
• Verità: influenzata dai piani di riferimento

• “L'aggiunta di strati risolve sempre l'EMC.”:

• Fatto: gli stackup scadenti possono peggiorare l'EMC
• Verità: la progettazione dello stackup è più critica

Pratiche corrette:

• Basare le decisioni sui requisiti del sistema
• Convalidare attraverso le simulazioni
• Consultare i consigli del produttore del PCB&#8217.
• Riferimento a progetti simili di successo

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