Как научно выбрать количество слоев печатной платы?

Основные понятия и важность подсчета слоев печатной платы

Печатные платы являются важнейшими компонентами современных электронных устройств, и выбор количества слоев напрямую влияет на производительность, надежность и стоимость изделия. По мере усложнения электронных устройств появились многослойные печатные платы (обычно 4-, 6-, 8- и даже более слоев), которые отвечают более сложным требованиям к конструкции за счет добавления дополнительных проводящих слоев внутри.

Почему слоев печатной платы всегда четное количество?

Поскольку процесс производства требует попарного ламинирования медной фольги, современная технология печатных плат высокого класса позволяет даже встраивать компоненты во внутренние слои печатной платы.Этот инновационный дизайн еще больше повышает интеграцию и производительность схемы.

Влияние количества слоев печатной платы на производительность изделия

1. Электрические характеристики: Большее количество слоев означает лучшую целостность сигнала и электромагнитную совместимость.
2. Плотность маршрутизацииСложные схемы требуют большего количества слоев для межсоединений.
3. Структура затрат: Увеличение количества слоев значительно повышает производственные затраты.

В различных областях применения - от бытовой электроники до аэрокосмического оборудования - предъявляются совершенно разные требования к количеству слоев печатной платы.Разумная конструкция слоев может удовлетворить требования к производительности при одновременном контроле затрат, но неправильный выбор может привести к отказу продукта или увеличению затрат. Например, для простого калькулятора может потребоваться только однослойная печатная плата, тогда как в смартфонах обычно используется 8-10 слоев, а в высокопроизводительных материнских платах для серверов может быть даже 16 слоев и более.

Ключевые факторы при определении количества слоев печатной платы

Выбор количества слоев печатной платы - это процесс принятия решения, требующий всестороннего рассмотрения множества факторов.Когда клиенты хотят изготовить печатные платы, производители должны четко понимать требования пользователей’ и предоставлять соответствующие рекомендации от инженеров, чтобы найти оптимальный баланс между требованиями к производительности и ограничениями по стоимости, тем самым предоставляя клиентам удовлетворительную продукцию и отличный сервис.

Область применения и требования к рабочей частоте

Электронные устройства в различных отраслях промышленности предъявляют совершенно разные требования к печатным платам. Рабочая частота является одним из основных параметров, определяющих количество слоев печатной платы, причем для высокочастотных приложений обычно требуется больше слоев для обеспечения целостности сигнала. Например:

• Потребительская электроника (например, гарнитуры Bluetooth):Обычно 4-6-слойные платы
• Телекоммуникационное оборудование (например, базовые станции 5G):Может потребоваться 12 и более уровней
• Автомобильная электроника (например, блоки управления ECU):В основном 6-8 слоев
• Аэрокосмические системы:10 и более слоев для обеспечения чрезвычайно высокой надежности

К высокочастотным схемам (>120 МГц) предъявляются более жесткие требования по количеству слоев печатной платы, поскольку увеличение скорости передачи сигнала приводит к повышению риска электромагнитных помех (ЭМП).Многослойные печатные платы обеспечивают выделенные плоскости питания и заземления, эффективно контролируя пути возврата сигнала и снижая перекрестные наводки и излучение.

Оценка сложности схемы и плотности компонентов

Сложность схемы напрямую влияет на требования к количеству слоев печатной платы. Сложность может быть оценена по следующим параметрам:

1. Количество компонентов:Особенно устройства с большим количеством выводов, такие как корпуса BGA
2. Количество сигнальных сетей:Общее количество необходимых соединений
3. Специальные требования к конструкции:Например, контроль импеданса, дифференциальные пары и согласование длины.

Плотность компонентов еще одна важная метрика, вычисляемая по формуле плотности PIN:

Плотность выводов = Площадь платы (дюйм²)/(Общее количество выводов на плате/14)

По результатам расчетов можно получить следующие эмпирические значения:

• Одностороннее размещение компонентов: Плотность PIN>1,0 может использовать 2 слоя; 0,6-1,0 предполагает 4 слоя; <0,6 требует 6 слоев или более
• Двустороннее размещение компонентов:Стандарты плотности могут быть смягчены, но при этом необходимо учитывать факторы теплоотвода и сборки

Бюджет и сроки изготовления

При рассмотрении количества слоев печатной платы стоимость производства является фактором, который нельзя игнорировать.Разница в стоимости между однослойными/двухслойными и многослойными печатными платами в основном заключается в сложности конструкции и производства. Более высокая производительность часто обходится дороже.

Более того, существует пропорциональная зависимость между количеством слоев печатной платы и ценой - как правило, больше слоев означает более высокую цену.Это связано в первую очередь с тем, что процессы проектирования и производства многослойных печатных плат более сложны, что, естественно, увеличивает затраты.Для более точной оценки стоимости печатных плат можно использовать веб-сайты с предложениями печатных плат, которые помогают оценить стоимость на основе различных параметров, таких как тип проводника, размер, количество и количество слоев. Онлайн-калькуляторы также могут помочь выбрать подходящие материалы и толщину изоляции для более полного понимания структуры затрат на печатные платы.

Срок поставки является еще одним критическим фактором при производстве печатных плат, особенно при крупносерийном производстве. Сроки поставки зависят от количества слоев, в основном от площади печатной платы. Увеличение инвестиций иногда может сократить сроки поставки.

Требования к плотности выводов и сигнальному слою

Выбор количества слоев печатной платы также тесно связан с плотностью выводов и потребностями в сигнальных слоях.Например, при плотности выводов 0 обычно требуется 2 сигнальных слоя, в то время как при более низкой плотности выводов требуется больше слоев.Когда плотность выводов достигает 2 и ниже, может потребоваться не менее 10 слоев.

Метод выбора слоев печатной платы

В реальном инженерном проектировании выбор количества слоев печатной платы требует принятия научного решения, основанного на конкретных требованиях проекта и технических ограничениях.Ниже приведены практические методы и правила, обобщенные компанией Topfast на основе более чем десятилетнего опыта производства печатных плат.

Оценка количества слоев на основе плотности выводов

Плотность контактов является эффективной метрикой для оценки требований к количеству слоев печатной платы и рассчитывается как:

Плотность выводов = Площадь платы (дюйм²)/(Общее количество выводов на плате/14)

Исходя из полученных результатов, руководствуйтесь следующими критериями выбора:

Таблица: Плотность выводов в сравнении с количеством слоев при одностороннем размещении компонентов

Таблица: Плотность выводов в зависимости от количества слоев при двухстороннем размещении

Правила соотношения частоты и количества слоев

Частота процессора Это еще один ключевой момент, поскольку для высокочастотных схем обычно требуется больше слоев для обеспечения целостности сигнала:

• <50 МГц: Обычно достаточно 2 слоев
• 50- 120 МГц: Рекомендуется 4 слоя (сигнал-земля-питание-сигнал)
• 120 МГц-1 ГГц: 6 слоев (наилучшее соотношение цены и качества)
• >1 ГГц: Требуется 8+ слоев со строгим анализом SI

Особые случаи, когда требуется больше слоев, несмотря на более низкие частоты:

1. Несколько доменов напряжения (≥3 независимых источника питания)
2. Высокоскоростные последовательные интерфейсы (PCIe, USB3.0+)
3. Чувствительные аналоговые схемы (высокоточные АЦП/ЦАП)

Тип памяти и стратегии подсчета слоев

Подсистема памяти характеристики существенно влияют на количество слоев печатной платы:

Системы статической памяти:

• SRAM/параллельная NOR Flash: может быть достаточно 2 слоев
• Ключевой момент: Обеспечьте стабильность электропитания

Системы динамической памяти:

• SDRAM/DDR: минимум 4 уровня
• DDR2/3: рекомендуется 6 слоев (с выделенными опорными плоскостями)
• DDR4/5: требуется 8+ слоев со строгим соответствием длины

Системы флэш-памяти NAND:

• Обычная NAND: достаточно 4 слоев
• eMMC/UFS: зависит от частоты (обычно 6 слоев).

Упаковка BGA и адаптация количества слоев

Устройство BGA упаковка напрямую влияет на количество слоев печатной платы:

Шаг выводов в сравнении с количеством слоев:

• Шаг ≥1,0 мм: могут работать 2 слоя
• Шаг 0,8 мм: Предложите 4 слоя
• Шаг 0,65 мм:Рекомендуется 6 слоев
• Шаг ≤0,5 мм:Требуется 8+ слоев

Рекомендации по количеству выводов:

• <100 контактов: Рассмотрите меньшее количество слоев
• 100-300 булавок:Стандартные рекомендуемые слои
• >300 булавок:Добавьте 1-2 слоя

Специальные типы BGA:

• Flip-chip BGA: добавьте 2 слоя
• BGA с ультрамелким шагом (≤0,4 мм): Требуется технология HDI

Учет количества слоев в зависимости от отрасли

В различных отраслях промышленности существуют особые требования, влияющие на количество слоев:

Автомобильная электроника:

• Базовый: минимум 4 слоя (надежность)
• Силовой агрегат: 6 слоев + высокотемпературные материалы
• Системы ADAS: 8 слоев + высокочастотные материалы

Медицинские приборы:

• Диагностическое оборудование: 6 слоев (низкий уровень шума)
• Имплантируемые устройства:4 слоя (миниатюризация)

Промышленные средства управления:

• Стандартный ПЛК: 4 слоя
• Управление движением: 6 слоев (устойчивость к электромагнитным помехам)

Потребительская электроника:

• Носимые устройства: 4 слоя (миниатюризация)
• Умный дом:Зависит от функциональности

Оптимизация затрат и компромиссы с количеством уровней

В условиях дефицита бюджета рассмотрите следующие варианты стратегии оптимизации количества слоев:

• “Pseudo-multi-layer” design:

• Используйте 2 слоя + перемычки для имитации многослойной функциональности
• Подходит для низкочастотных и низкоплотных конструкций

• Гибридная технология ламинирования:

• Локальное увеличение слоев (например, под областями BGA)
• Баланс между стоимостью и производительностью

• Асимметричная укладка слоев:

• Уменьшение количества сигнальных слоев, но сохранение плоскостей питания/заземления
• Например, 6-слойная плата в конфигурации 1-2-2-1

• Технологическое замещение ИРЧП:

• Использование межсоединений высокой плотности для уменьшения общего количества слоев
• Идеально подходит для конструкций с большим количеством выводов, но малой площадью

Всесторонне учитывая все вышеперечисленные факторы, а также конкретные требования и ограничения проекта, инженеры могут сделать научно обоснованный выбор количества слоев печатной платы, который оптимально сбалансирует производительность, надежность и стоимость.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В процессе выбора номеров слоев печатных плат часто возникают некоторые типичные проблемы и путаница. На эти распространенные вопросы даются профессиональные ответы.

Как определить, когда дизайн нуждается в большем количестве слоев печатной платы?

Несколько четких показателей указывают на необходимость увеличение количества слоев печатной платы:

• Недостаточное завершение маршрутизации:

• Невозможно завершить маршрутизацию после достижения 90 %
• Широкое использование перемычек для устранения кроссоверов

• Проблемы целостности сигнала:

• Критические сигналы показывают сильные звонки
• Тесты на глазную диаграмму не работают
• Коэффициент битовых ошибок системы превышает допустимые пределы

• Проблемы стабильности электропитания:

• Колебания напряжения превышают допустимые пределы
• Заметный одновременный коммутационный шум (SSN)

• Сбои в испытаниях на ЭМС:

• Излучение превышает стандарты
• Тесты на иммунитет оказались безуспешными

• Сложности с терморегулированием:

• Локальный перегрев невозможно устранить с помощью существующих слоев
• Необходимы дополнительные тепловые слои или прокладки

Практические методы проверки:

• Проверка правил проектирования (DRC) показывает многочисленные нарушения
• 3D-обзор показывает чрезвычайно перегруженные маршруты
• Анализ моделирования показывает, что критические параметры не соблюдены

Какие потенциальные проблемы возникают при увеличении количества слоев печатной платы?

Хотя добавление слоев решает многие проблемы проектирования, оно может привести к следующим новые проблемы:

• Увеличение расходов:

• Увеличение стоимости на 30-50% за 2 дополнительных слоя
• Увеличение единовременных расходов на инженерные работы (ЕРР)

• Снижение урожайности:

• Повышенная сложность выравнивания слоев
• Более высокие показатели дефектности внутреннего слоя

• Увеличенные сроки выполнения заказа:

• Еще 3-5 дней на 2 дополнительных слоя
• Ограниченные возможности для срочного ускорения

• Трудности ремонта:

• Трудно обнаружить дефекты внутреннего слоя
• Снижение числа успешных переделок

• Увеличение веса и толщины:

• Влияние дизайна портативных устройств
• Может превышать механические пределы

Стратегии смягчения последствий:

• Использование ступенчатых слоев (разное количество слоев в зависимости от площади)
• Внедрение HDI для снижения требований к общему уровню
• Оптимизация штабелей для повышения урожайности

Как найти баланс между стоимостью и производительностью для оптимального количества слоев?

Методы балансировки затрат и результатов:

• Поэтапный подход к проверке:

• Создавайте прототипы с меньшим количеством слоев
• Решите, стоит ли добавлять слои, основываясь на результатах тестирования

• Анализ критического пути:

• Определите наиболее важные пути прохождения сигналов
• Добавьте слои только для этих разделов

• Матрица оценки затрат и выгод:

4. Модульный подход к проектированию:

• В основных модулях используется многослойная
• Периферийные схемы используют двухслойную схему

Практические правила:

• Потребительские товары: ≤6 слоев
• Промышленное оборудование: 4-8 слоев идеально
• Сетевое оборудование: обычно 6-12 уровней
• Высокотехнологичные вычисления: 12+ уровней

Каковы типичные области применения различных количеств слоев печатной платы?

Характерные применения по количеству слоев:

2-слойный:

• Платы управления приборами
• Простые силовые цепи
• Основные промышленные модули
• Электронные игрушки

4-слойный:

• Смартфоны
• Маршрутизаторы
• Автомобильные ЭБУ
• Медицинские мониторы

6-слойный:

• Высококачественные видеокарты
• Промышленные ПЛК
• Сетевые коммутаторы
• Контроллеры для дронов

8-слойный:

• Материнские платы для серверов
• Базовые станции 5G
• Усовершенствованная система ADAS
• Испытательные приборы премиум-класса

10+ слой:

• Суперкомпьютеры
• Аэрокосмическая электроника
• Высокотехнологичные радиолокационные системы
• Сложные объединительные платы

Распространенные заблуждения при выборе количества слоев печатной платы

• “Больше слоев всегда лучше”.:

• Факт: чрезмерная инженерия приводит к пустой трате средств
• Истина: адекватное удовлетворение требований

• “Двухслойный не может работать на высокой скорости’;:

• Факт: Возможны простые высокоскоростные схемы
• Истина: Требует тщательного проектирования

• “Силовые плоскости должны быть прочными”:

• Факт: Раздельные самолеты могут быть лучше
• Правда: Зависит от текущих потребностей

• “Сигналы внутреннего слоя хуже”:

• Факт: Внутренние сигналы более стабильны
• Истина: Влияют опорные плоскости

• “Добавление слоев всегда решает проблему EMC”:

• Факт: Плохое штабелирование может ухудшить электромагнитную совместимость
• Истина: конструкция стека более критична

Правильная практика:

• Принимайте решения на основе системных требований
• Проверка с помощью симуляторов
• Проконсультируйтесь с производителем печатной платы’.
• Ссылки на аналогичные успешные проекты

Связанное чтение

Когда следует выбирать двухслойную или четырехслойную печатную плату?