Hoe kies je wetenschappelijk het aantal PCB-lagen?

Basisconcepten en belang van het aantal PCB-lagen

PCB's zijn essentiële onderdelen van moderne elektronische apparaten en de keuze van het aantal lagen heeft een directe invloed op de prestaties, betrouwbaarheid en kosten van het product. Naarmate elektronische apparaten complexer worden, zijn er meerlagige PCB's gekomen (meestal 4-lagig, 6-lagig, 8-lagig of zelfs meer) om aan complexere ontwerpeisen te voldoen door intern extra geleidende lagen toe te voegen.

Waarom zijn PCB-lagen altijd even getallen?

Omdat het productieproces vereist dat koperfolie paarsgewijs wordt gelamineerd, kunnen met de moderne high-end PCB-technologie zelfs componenten worden ingebed in de binnenste lagen van de PCB.Dit innovatieve ontwerp verbetert de circuitintegratie en -prestaties nog verder.

De invloed van het aantal PCB-lagen op de productprestaties

1. Elektrische prestaties: Meer lagen betekent betere signaalintegriteit en elektromagnetische compatibiliteit.
2. RoutingdichtheidComplexe circuits vereisen meer lagen voor onderlinge verbindingen.
3. Kostenstructuur: Een hoger aantal lagen verhoogt de productiekosten aanzienlijk.

Van consumentenelektronica tot ruimtevaartapparatuur, verschillende toepassingsgebieden stellen zeer uiteenlopende eisen aan het aantal PCB-lagen.Een redelijk laagontwerp kan voldoen aan de prestatievereisten en tegelijkertijd de kosten in de hand houden, maar een verkeerde keuze kan leiden tot productuitval of kostenescalatie. Voor een eenvoudige rekenmachine is bijvoorbeeld misschien maar één laag PCB nodig, terwijl smartphones meestal 8-10 lagen gebruiken en krachtige server moederborden zelfs 16 lagen of meer kunnen bereiken.

Belangrijke factoren bij het bepalen van het aantal PCB-lagen

Het kiezen van het aantal PCB-lagen is een besluitvormingsproces dat uitgebreide overweging van meerdere factoren vereist.Wanneer klanten printplaten willen produceren, moeten fabrikanten de vereisten van de gebruikers duidelijk begrijpen en de overeenkomstige aanbevelingen van ingenieurs geven om de optimale balans te vinden tussen prestatievereisten en kostenbeperkingen, zodat klanten bevredigende producten en een uitstekende service krijgen.

Toepassingsgebied en vereisten voor werkfrequentie

Elektronische apparaten in verschillende industrieën stellen zeer uiteenlopende eisen aan PCB's. Werkfrequentie is een van de belangrijkste parameters voor het bepalen van het aantal PCB-lagen, waarbij hoogfrequente toepassingen meestal meer lagen vereisen om de signaalintegriteit te garanderen. Bijvoorbeeld:

• Consumentenelektronica (bijv. Bluetooth-headsets):Meestal 4-6 lagen printplaten
• Telecommunicatieapparatuur (bijv. 5G-basisstations):Kan 12 lagen of meer vereisen
• Automobielelektronica (bijv. ECU-regeleenheden):Voornamelijk 6-8 lagen
• Ruimtevaartsystemen:10 lagen of meer om extreem hoge betrouwbaarheid te garanderen

Hoogfrequente schakelingen (>120MHz) stellen strengere eisen aan het aantal PCB-lagen omdat hogere signaaltransmissiesnelheden grotere risico's op elektromagnetische interferentie (EMI) met zich meebrengen.Meerlagige PCB's bieden speciale voedings- en massaplaten, waardoor signaalretourpaden effectief worden gecontroleerd en overspraak en straling worden verminderd.

Evaluatie van circuitcomplexiteit en componentdichtheid

Complexiteit circuit heeft een directe invloed op de vereisten voor het aantal PCB-lagen. Complexiteit kan beoordeeld worden aan de hand van de volgende dimensies:

1. Aantal componenten:Vooral apparaten met een hoog aantal pinnen, zoals BGA-pakketten
2. Aantal signaalnetwerken:Totaal aantal vereiste onderlinge verbindingen
3. Speciale ontwerpvereisten:Zoals impedantieregeling, differentiële paren en lengteaanpassing

Dichtheid van componenten is een andere belangrijke metriek die berekend kan worden met de PIN-dichtheidsformule:

PIN-dichtheid = Oppervlak printplaat (in²)/(Totaal aantal pinnen op printplaat/14)

Op basis van de berekeningsresultaten kan naar de volgende empirische waarden worden verwezen:

• Enkelzijdige plaatsing van componenten: PIN-dichtheid>1,0 kan 2 lagen gebruiken; 0,6-1,0 stelt 4 lagen voor; <0,6 vereist 6 lagen of meer
• Dubbelzijdige plaatsing van componenten:Dichtheidsnormen kunnen worden versoepeld, maar er moet rekening worden gehouden met warmteafvoer en assemblagefactoren

Overwegingen voor budget en productietijdlijn

Wanneer we het aantal lagen van PCB's in overweging nemen, zijn de productiekosten een factor die niet kan worden genegeerd.Het kostenverschil tussen enkel- en dubbellaagse en meerlaagse PCB's zit voornamelijk in de complexiteit van het ontwerp en de productie. Een hogere capaciteit gaat vaak gepaard met hogere kosten.

Bovendien is er een evenredige relatie tussen het aantal PCB-lagen en de prijs: meer lagen betekent hogere prijzen.Dit komt voornamelijk omdat het ontwerp en de productie van PCB's met meerdere lagen complexer zijn, waardoor de kosten natuurlijk stijgen.Om de PCB kosten nauwkeuriger te beoordelen kunt u PCB offerte websites gebruiken die u helpen de kosten te schatten op basis van verschillende parameters zoals geleidertype, grootte, hoeveelheid en aantal lagen. Online calculators kunnen ook helpen bij het selecteren van geschikte isolatiematerialen en -diktes voor een beter begrip van de PCB kostenstructuur.

Levertijd is een andere kritieke factor bij de productie van PCB's, vooral bij de productie van grote volumes. Levertijden variëren per aantal lagen, voornamelijk afhankelijk van het PCB-oppervlak. Verhoogde investeringen kunnen soms de levertijden verkorten.

Vereisten voor pindichtheid en signaallaag

De keuze van het aantal PCB-lagen hangt ook nauw samen met de pindichtheid en de behoefte aan signaallagen.Bijvoorbeeld, een pindichtheid van 0 vereist meestal 2 signaallagen, terwijl lagere pindichtheden meer lagen vereisen.Bij een pindichtheid van 2 of lager zijn er mogelijk minstens 10 lagen nodig.

PCB Laag Selectie Methode

In de werkelijke engineering ontwerp, de selectie van PCB laag nummers vereist wetenschappelijke besluitvorming op basis van specifieke eisen van het project en technische beperkingen.Hieronder volgen praktische methoden en vuistregels die Topfast heeft samengevat op basis van meer dan tien jaar PCB productie-ervaring.

Schatting van het aantal lagen op basis van pindichtheid

Dichtheid van pennen is een effectieve metriek voor het beoordelen van de vereisten voor het aantal PCB-lagen, berekend als:

Pindichtheid = Oppervlak printplaat (in²)/(Totaal aantal pinnen op printplaat/14)

Raadpleeg de volgende selectiecriteria op basis van de resultaten:

Tabel: Pindichtheid vs. aantal lagen voor enkelzijdige componentplaatsing

Tabel: Pindichtheid vs. aantal lagen voor dubbelzijdige plaatsing

Vuistregels frequentie-naar-laagtelling

Processorfrequentie Een andere belangrijke overweging is dat hoogfrequente schakelingen meestal meer lagen nodig hebben voor signaalintegriteit:

• 50 MHz: Meestal voldoende met 2 lagen
• 50- 120MHz: Beveel 4 lagen aan (signaal-aarde-voeding-signaal)
• 120 MHz-1 GHz: 6 lagen (beste kosten-prestatie)
• >1 GHz: Vereist 8+ lagen met strikte SI-analyse

Speciale gevallen waarin meer lagen nodig zijn ondanks lagere frequenties:

1. Meerdere spanningsdomeinen (≥3 onafhankelijke voedingen)
2. Snelle seriële interfaces (PCIe, USB3.0+)
3. Gevoelige analoge circuits (zeer nauwkeurige ADC/DAC)

Strategieën voor geheugentype en aantal lagen

Geheugensubsysteem eigenschappen het aantal PCB-lagen aanzienlijk beïnvloeden:

Statische geheugensystemen:

• SRAM/parallelle NOR Flash: 2 lagen kan voldoende zijn
• Belangrijkste punt: Zorg voor vermogensstabiliteit

Dynamische geheugensystemen:

• SDRAM/DDR: minimaal 4 lagen
• DDR2/3: 6 lagen aanbevelen (met specifieke referentievlakken)
• DDR4/5: 8+ lagen vereisen met strikte afstemming op lengte

NAND Flash systemen:

• Conventionele NAND: 4 lagen voldoende
• eMMC/UFS: Bepalen per frequentie (meestal 6 lagen)

BGA-verpakking en aanpassing van het aantal lagen

BGA-apparaat verpakking heeft een directe invloed op het aantal PCB-lagen:

Pin pitch vs. aantal lagen:

• ≥1,0 mm hoogte: 2 lagen kunnen werken
• 0,8 mm steek: Stel 4 lagen voor
• 0,65 mm steek:Adviseer 6 lagen
• ≤0,5 mm hoogte:Vereisen 8+ lagen

Richtlijnen voor pin-aantal:

• <100 pinnen: Overweeg minder lagen
• 100-300 pinnen:Standaard aanbevolen lagen
• >300 pinnen:1-2 lagen toevoegen

Speciale BGA-types:

• Flip-chip BGA: 2 lagen toevoegen
• BGA met ultrafijne pitch (≤0,4 mm): Vereist HDI-technologie

Industriespecifieke overwegingen met betrekking tot het aantal lagen

Verschillende industrieën hebben speciale vereisten die het aantal lagen beïnvloeden:

Automobielelektronica:

• Basis: minimaal 4 lagen (betrouwbaarheid)
• Aandrijflijn: 6 lagen + hoge temperatuur materialen
• ADAS-systemen: 8 lagen + hoogfrequente materialen

Medische apparaten:

• Diagnostische apparatuur: 6 lagen (met weinig ruis)
• Implanteerbare apparaten:4 lagen (miniaturisatie)

Industriële besturingen:

• Standaard PLC: 4 lagen
• Bewegingsbesturing: 6 lagen (EMI-bestendigheid)

Consumentenelektronica ~4,3-4,8):

• Draagbaar: 4 lagen (miniaturisatie)
• Smart home:Varieert per functionaliteit

Kostenoptimalisatie en laagtellingcompromissen

Als het budget onder druk staat, overweeg dan deze optimalisatiestrategieën voor het aantal lagen:

• “Pseudo-multi-layer” design:

• Gebruik 2 lagen + jumpers om meerlaagse functionaliteit te simuleren
• Geschikt voor ontwerpen met een lage frequentie en lage dichtheid

• Hybride lamineertechnologie:

• Lokaal verhoogde lagen (bijv. onder BGA-gebieden)
• Kosten en prestaties in evenwicht

• Asymmetrisch stapelen van lagen:

• Signaallagen verkleinen maar voedings-/aardelagen behouden
• Bv. 6-lagig bord in 1-2-2-1 configuratie

• HDI-technologiesubstitutie:

• Interconnects met hoge dichtheid gebruiken om het aantal lagen te verminderen
• Ideaal voor ontwerpen met veel pennen maar een klein oppervlak

Door uitgebreid rekening te houden met alle bovenstaande factoren, samen met specifieke projectvereisten en beperkingen, kunnen ingenieurs wetenschappelijk verantwoorde PCB laagtelling selecties maken die prestaties, betrouwbaarheid en kosten optimaal in balans brengen.

Veelgestelde vragen (FAQ)

Bij het selecteren van PCB laagnummers komen vaak enkele typische problemen en verwarringen voor. Op deze veel voorkomende vragen worden professionele antwoorden gegeven.

Hoe bepaal je wanneer een ontwerp meer PCB-lagen nodig heeft?

Verschillende duidelijke indicatoren wijzen op de noodzaak om PCB-lagen verhogen:

• Onvoldoende routing voltooid:

• Kan routering niet voltooien nadat 90% is bereikt
• Uitgebreid gebruik van jumpers om crossovers op te lossen

• Problemen met signaalintegriteit:

• Kritische signalen vertonen ernstige ringing
• Oogdiagramtests mislukken
• De bitfoutmarge van het systeem overschrijdt de limieten

• Problemen met vermogensstabiliteit:

• Spanningsschommelingen overschrijden toleranties
• Merkbare gelijktijdige schakelruis (SSN)

• EMC-test mislukt:

• Stralingsemissies overschrijden de normen
• Immuniteitstesten niet succesvol

• Problemen met thermisch beheer:

• Lokale oververhitting is onoplosbaar met de huidige lagen
• Extra thermische lagen of vias nodig

Praktische verificatiemethoden:

• Design Rule Check (DRC) toont talrijke overtredingen
• 3D-weergave toont extreem overbelaste routing
• Simulatieanalyse geeft aan dat aan kritieke parameters niet wordt voldaan

Welke potentiële problemen kunnen ontstaan door meer PCB-lagen?

Hoewel het toevoegen van lagen veel ontwerpuitdagingen oplost, kan het deze introduceren nieuwe problemen:

• Kostenstijgingen:

• 30-50% kostenstijging per extra 2 lagen
• Hogere eenmalige engineeringkosten (NRE)

• Lagere productieopbrengsten:

• Meer moeite met het uitlijnen van lagen
• Hogere defectpercentages binnenlaag

• Langere levertijden:

• 3-5 extra dagen per extra 2 lagen
• Beperkte opties voor dringende verzending

• Problemen met repareren:

• Moeilijk te detecteren fouten in de binnenlaag
• Lagere succespercentages voor herbewerking

• Gewichts- en diktetoename:

• Invloed draagbare apparaatontwerpen
• Kan mechanische grenzen overschrijden

Matigingsstrategieën:

• Gebruik getrapte laagontwerpen (variërend aantal lagen per gebied)
• HDI gebruiken om de totale laagvereisten te verlagen
• Optimaliseer stapelingen om de opbrengst te verbeteren

Hoe balanceer je kosten en prestaties voor een optimale laagtelling?

Kosten-prestatiebalanceringsmethoden:

• Gefaseerde verificatieaanpak:

• Begin prototypes met minder lagen
• Beslissen of lagen moeten worden toegevoegd op basis van testresultaten

• Kritieke pad analyse:

• De meest kritieke signaalpaden identificeren
• Voeg alleen lagen toe voor deze secties

• Matrix voor kosten-batenanalyse:

4. Modulaire ontwerpbenadering:

• Kernmodules gebruiken meerlaagse
• Perifere circuits gebruiken een 2-laags

Praktische vuistregels:

• Consumentenproducten: ≤6 lagen
• Industriële apparatuur: 4-8 lagen ideaal
• Netwerkapparatuur: 6-12 lagen gebruikelijk
• High-end computergebruik: 12+ lagen

Wat zijn typische toepassingen voor verschillende PCB-laagtellingen?

Karakteristieke toepassingen door het aantal lagen:

2-laags:

• Besturingskaarten voor apparaten
• Eenvoudige stroomcircuits
• Industriële basismodules
• Elektronisch speelgoed

4-laags:

• Smartphones
• Routers
• ECU's
• Medische monitoren

6-lagig:

• Hoogwaardige grafische kaarten
• Industriële PLC's
• Netwerkschakelaars
• Dronebesturingen

8-laag:

• Server moederborden
• 5G-basisstations
• Geavanceerd ADAS
• Eersteklas testinstrumenten

10+ laag:

• Supercomputers
• Ruimtevaart elektronica
• Hoogwaardige radarsystemen
• Complexe achterwanden

Veelvoorkomende misvattingen bij het kiezen van het aantal PCB-lagen

• “Meer lagen zijn altijd beter”.:

• Feit: Over-engineering verspilt kosten
• Waarheid: Voldoe voldoende aan de vereisten

• “2-laags kan’niet op hoge snelheid”:

• Feit: Eenvoudige hogesnelheidscircuits zijn mogelijk
• Waarheid: Vereist zorgvuldig ontwerp

• “Krachtvlakken moeten solide zijn.”:

• Feit: Gesplitste vliegtuigen kunnen beter zijn
• Waarheid: Afhankelijk van de huidige behoeften

• “Signalen van de binnenste laag zijn slechter”:

• Feit: Binnensignalen zijn stabieler
• Waarheid: beïnvloed door referentievlakken

• “Lagen toevoegen lost altijd EMC op.”:

• Feit: Slechte stackups kunnen EMC verslechteren
• Waarheid: Stackup-ontwerp is kritischer

Juiste praktijken:

• Beslissingen baseren op systeemvereisten
• Valideren door simulaties
• Raadpleeg het advies van de fabrikant van de printplaat’s
• Referentie vergelijkbare succesvolle ontwerpen

Gerelateerde lezen

Wanneer moet je kiezen voor een 2-laags PCB of een 4-laags PCB?