Печатные платы (ПП) являются основными компонентами современных электронных устройств и могут быть разделены на однослойные, двухслойные и многослойные в зависимости от количества проводящих слоев. Среди них однослойные и двухслойные печатные платы являются наиболее фундаментальными и широко используемыми типами. Понимание их различий крайне важно для инженеров-разработчиков электроники, лиц, принимающих решения о закупках, и любителей. В этой статье представлен глубокий анализ различий между однослойными и двухслойными печатными платами с точки зрения состава материала, производственных процессов, конструктивных соображений и типичных областей применения, что поможет читателям сделать обоснованный выбор в зависимости от требований проекта.
Различия в составе материалов
Структура материала однослойных печатных плат
Однослойные печатные платы (односторонние печатные платы) - это самый простой тип печатных плат, с относительно простой структурой материала:
- Материал подложки: Как правило, в качестве основного материала чаще всего используется стеклоэпоксидная смола FR-4, обладающая хорошей механической прочностью и изоляционными свойствами. Для недорогих применений может также использоваться фенольная смола (FR-1 или FR-2).
- Проводящий слой: Только одна сторона подложки ламинирована электролитической медной фольгой толщиной 35 мкм (1 унция) или 18 мкм (0,5 унции), которая составляет основу рисунка схемы.
- Защитный слой: Поверхность медной фольги покрывается паяльной маской (обычно зеленого цвета) для предотвращения окисления и коротких замыканий. Верхний слой - шелкография, используемая для маркировки расположения компонентов и этикеток.
- Отделка поверхности: Обычные варианты включают HASL (выравнивание горячим воздушным припоем), OSP (органический консервант паяемости) или простую защиту канифолью.
Состав материала двухслойных печатных плат
Двухслойные печатные платы (двухсторонние печатные платы) имеют более сложную структуру материала:
- Материал подложки: Также в основном FR-4, но с более высокими требованиями к стабильности размеров для обеспечения точности совмещения двух сторон.
- Проводящий слой: Обе стороны подложки ламинированы медной фольгой, обычно толщиной 35 мкм или 18 мкм. Однако в высокотехнологичных приложениях может использоваться более толстая медная фольга (например, 2 унции) для повышения пропускной способности по току.
- Межслойное соединение: Плакированные сквозные отверстия (PTH) используются для создания электрических соединений между верхним и нижним слоями, что является наиболее существенным отличием от однослойных печатных плат.
- Изоляционный слой: Основой является сама подложка, но необходимо обратить внимание на надежность изоляции между межслойными отверстиями и подложкой.
- Защита и отделка: Обе стороны имеют слои паяльной маски и шелкографии. Отделка поверхности может включать более точные варианты, такие как ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) или Immersion Silver.
Сравнение стоимости материалов: Стоимость материалов для двухслойных печатных плат обычно на 30-50% выше, чем для однослойных, в основном из-за дополнительных сквозных отверстий и двухсторонней обработки.
Сравнение производственных процессов
Процесс производства однослойных печатных плат
Процесс производства однослойных печатных плат относительно прост:
- Подготовка субстрата: Резка ламината с медным покрытием до необходимого размера.
- Бурение: Необходимы только монтажные отверстия; сквозные отверстия не требуются.
- Перенос выкройки: Рисунок схемы переносится на медную поверхность с помощью трафаретной печати или фотолитографии.
- Травление: Химические растворы удаляют ненужную медную фольгу для формирования дорожек схемы.
- Нанесение паяльной маски: Чернила для паяльной маски печатаются и отверждаются.
- Отделка поверхности: HASL, OSP или другие виды обработки применяются по мере необходимости.
- Маркировка шелкографией: Добавлены метки положения компонентов.
- Тестирование и инспекция: Обычно ограничивается визуальным осмотром и базовыми испытаниями на целостность.
Процесс производства двухслойных печатных плат
Процесс изготовления двухслойных печатных плат более сложен, и его основные отличия включают:
- Подготовка двусторонней подложки: Обеспечение одинакового качества исходной медной фольги с обеих сторон.
- Обработка выравнивающих отверстий: Прецизионные выравнивающие отверстия просверлены для обеспечения послойной регистрации.
- Бурение: Сверлятся как сквозные, так и монтажные отверстия с потенциально меньшим диаметром.
- Металлизация отверстий: Критический этап, на котором проводящие слои формируются на стенках отверстий с помощью химического осаждения и гальванического покрытия.
- Двусторонний перенос рисунка: Узоры переносятся на обе стороны одновременно или последовательно, что требует высокой точности совмещения (обычно ±0,05 мм).
- Травление: Обе стороны травятся одновременно, что требует равномерного контроля травления.
- Нанесение паяльной маски: Обе стороны обрабатываются отдельно.
- Отделка поверхности: Можно использовать более точную обработку поверхности.
- Комплексное тестирование: Электрические испытания (например, испытания с помощью летающего зонда) обычно проводятся для обеспечения электропроводности и изоляции.
Разница в сложности процессов: Двухслойные печатные платы требуют дополнительных ключевых этапов, таких как металлизация отверстий и двустороннее выравнивание, в результате чего производственный цикл обычно на 20-30% дольше, чем у однослойных печатных плат, и относительно более высокий процент брака.
Конструктивные соображения
Ключевые моменты проектирования однослойных печатных плат
При проектировании однослойных печатных плат необходимо учитывать следующие факторы:
- Стратегия маршрутизации: Все трассы должны быть выполнены в один слой, что может потребовать перемычек для устранения пересечений.
- Размещение компонентов: Компоненты могут быть установлены только с одной стороны, что требует оптимизированного расположения, чтобы избежать перегруженности.
- Конструкция заземления: Часто использует концепцию "земляной плоскости", используя большие медные участки для обеспечения стабильности.
- Управление шириной трассировки: Для предотвращения перегрева необходимо рассчитать достаточную ширину трассы в зависимости от токовой нагрузки.
- Очистка: Обеспечьте достаточное расстояние между трассами и площадками (обычно ≥0,2 мм).
- Производственные лимиты: Уточните минимальную ширину/расстояние между трассами, установленные производителем (обычно 0,15 мм/0,15 мм).
Руководство по проектированию двухслойных печатных плат
Двухслойные печатные платы обеспечивают большую гибкость при проектировании, но при этом возникают новые соображения:
- Распределение слоев: Как правило, верхний слой используется для компонентов и основных сигнальных трасс, а нижний - для заземляющих плоскостей и распределения питания.
- Через использование: Разумно планируйте расположение и количество, чтобы избежать неравномерной плотности.
- Целостность сигнала: Уделите внимание обратным путям для высокоскоростных сигналов, чтобы уменьшить перекрестные помехи между слоями.
- Терморегулирование: Учитывайте теплопроводность между слоями и при необходимости добавляйте тепловые проходы.
- Проектирование ЭМС: Используйте заземляющие плоскости для экранирования чувствительных сигналов и снижения электромагнитного излучения.
- Требования к производству: Укажите соотношение сторон (толщина плиты: диаметр отверстия, обычно ≤8:1) и минимальные требования к кольцевому кольцу.
Различия в инструментах для проектирования: Для создания двухслойных печатных плат обычно требуются более профессиональные инструменты EDA, такие как Altium Designer или Cadence, в то время как простые однослойные печатные платы часто можно спроектировать с помощью Eagle или KiCad.
Области применения
Типичные области применения однослойных печатных плат
Благодаря своим преимуществам в стоимости и базовой функциональности однослойные печатные платы широко используются в:
- Потребительская электроника: Простые игрушки, калькуляторы и пульты дистанционного управления.
- Осветительные приборы: Светодиодные драйверы, платы управления энергосберегающими лампами.
- Основные приборы: Панели управления для рисоварки, стиральной машины и т.д.
- Модули питания: Маломощные AC/DC-преобразователи, линейные регуляторы.
- Образовательные инструменты: Электронные обучающие наборы, базовые экспериментальные платы.
- Автомобильная электроника: Простые сенсорные интерфейсы, управление внутренним освещением.
Критерии пригодности: Однослойные печатные платы обычно являются экономически эффективным выбором, если схема содержит менее 20 компонентов, не имеет плотной кроссоверной маршрутизации и работает на частотах ниже 10 МГц.
Основные области применения двухслойных печатных плат
Двухслойные печатные платы играют важную роль в более сложных электронных системах:
- Промышленный контроль: Модули ПЛК, драйверы двигателей.
- Оборудование связи: Базовые платы для маршрутизаторов, коммутаторов.
- Компьютерное оборудование: Модули памяти, карты расширения.
- Медицинское оборудование и принадлежности: Основные схемы для мониторов пациента, диагностического оборудования.
- Автомобильная электроника: ЭБУ (блок управления двигателем), информационно-развлекательные системы.
- IoT-устройства: Сенсорные узлы, модули беспроводной связи.
- Аудиотехника: Усилители, микшеры.
Соображения по модернизации: Рассмотрите возможность перехода от однослойных к двухслойным печатным платам, если столкнетесь со следующими сценариями:
- Одноуровневая маршрутизация не может завершить все соединения.
- Необходимо улучшить заземление и распределение энергии.
- Частота сигнала превышает 10 МГц.
- Необходимо контролировать характеристики EMI/EMC.
- Пространство ограничено, но требуется высокая плотность компонентов.
Сравнение ключевых показателей
Различия в электрических характеристиках
- Целостность сигнала: Двухслойные печатные платы позволяют снизить уровень помех через плоскости заземления, обеспечивая более стабильные опорные плоскости.
- Контроль импеданса: Двухслойные печатные платы облегчают проектирование с контролируемым импедансом (например, микрополосковых структур).
- Подавление перекрестных помех: Правильное расположение слоев в двухслойных печатных платах может снизить риск перекрестных наводок.
- Целостность питания: Двухслойные печатные платы могут выделять один слой для сетей распределения питания.
Механические и тепловые характеристики
- Структурная прочность: Двухслойные печатные платы обычно обладают большей механической прочностью благодаря сквозным отверстиям с гальваническим покрытием.
- Теплопроводность: Двухслойные печатные платы обеспечивают межслойную передачу тепла через отверстия, что улучшает теплоотвод.
- Устойчивость размеров: Двухслойные печатные платы предъявляют повышенные требования к CTE (коэффициенту теплового расширения) подложки.
Надежность и срок службы
- Адаптация к окружающей среде: В двухслойных печатных платах обычно используется более строгая отделка поверхности для повышения коррозионной стойкости.
- Устойчивость к вибрации: Двухсторонняя пайка и сквозные отверстия с гальваническим покрытием обеспечивают более надежное крепление компонентов.
- Долгосрочная надежность: Избыточная маршрутизация в двухслойных печатных платах повышает отказоустойчивость.
Анализ затрат и выгод
Сравнение первоначальных затрат
- Стоимость материала: Двухслойные печатные платы 30-50% более дорогие по материалам.
- Стоимость изготовления: Из-за сложности процесса стоимость обработки двухслойных печатных плат может быть в 1,5-2 раза выше, чем однослойных.
- Стоимость проектирования: Двухслойные печатные платы обычно требуют более длительных циклов проектирования и проверки.
Соображения, касающиеся долгосрочной стоимости
- Эффективность сборки: Более высокая плотность компонентов в двухслойных печатных платах позволяет уменьшить общий размер изделия.
- Расходы на содержание: Двухслойные печатные платы, как правило, более надежны, что снижает частоту послепродажного ремонта.
- Потенциал обновления: Двухслойные печатные платы предоставляют больше возможностей для будущего расширения функциональности.
Влияние объема: При крупносерийном производстве (>1000 единиц) относительное увеличение стоимости двухслойных печатных плат значительно снижается.
Тенденции будущего развития
Инновационные направления для однослойных печатных плат
- Гибкие однослойные платы: Расширенное применение в носимых устройствах.
- Более высокая плотность: Улучшенная емкость однослойных плат благодаря технологии тонких линий (например, ширина трассировки 3 mil).
- Экологически чистые материалы: Использование подложек, не содержащих галогенов, и материалов, подлежащих вторичной переработке.
Технологические достижения в области двухслойных печатных плат
- Технология Microvia: Лазерное сверление позволяет повысить плотность межсоединений.
- Встраиваемые компоненты: Пассивные компоненты встраиваются между слоями для экономии места.
- Гибридные материалы: Сочетание высокочастотных материалов со стандартным FR-4.
Заключение и рекомендации по выбору
Однослойные и двухслойные печатные платы обладают уникальными преимуществами и сценариями применения. Однослойные печатные платы по-прежнему важны для базовой электроники благодаря своей чрезвычайно низкой стоимости и простоте изготовления. В то же время двухслойные печатные платы отвечают потребностям более сложных электронных систем, обеспечивая дополнительные слои маршрутизации и лучшие электрические характеристики.
Дерево принятия решений при выборе:
- Оцените сложность схемы - простые схемы предпочитают однослойные.
- Проанализируйте требования к сигналам - высокочастотные или чувствительные сигналы нуждаются в двухслойном покрытии.
- Рассчитайте ограничения по стоимости - строгие бюджеты склоняются к однослойному покрытию.
- При рассмотрении изделий с ограниченным пространством выгодно использовать двухслойные конструкции.
- Оцените объем производства - большие объемы могут компенсировать дополнительные затраты на двухслойные печатные платы.
По мере развития электронных технологий двухслойные печатные платы становятся основными во многих областях, но однослойные печатные платы сохраняют преимущества по стоимости в конкретных приложениях. Проектировщики должны взвесить производительность, стоимость и технологичность, исходя из требований проекта, чтобы сделать оптимальный выбор.