Skillnad mellan enkelskikts-PCB och dubbelskikts-PCB

Kretskort (PCB) är kärnkomponenterna i moderna elektroniska apparater och kan kategoriseras i enkelskikts-, dubbelskikts- och flerskiktskretskort baserat på antalet ledande skikt. Bland dessa är enkelskikts- och dubbelskiktskretskort de mest grundläggande och allmänt använda typerna. Att förstå deras skillnader är avgörande för elektronikdesigningenjörer, beslutsfattare för upphandling och hobbyister. Den här artikeln ger en djupgående analys av skillnaderna mellan enkelskikts- och dubbelskiktskretskort när det gäller materialsammansättning, tillverkningsprocesser, designöverväganden och typiska tillämpningsområden, vilket hjälper läsarna att göra välgrundade val baserat på projektkrav.

Skillnader i materialsammansättning

Materialstruktur för kretskort i ett lager

Enlagers kretskort (enkelsidiga kretskort) är den enklaste typen av kretskort, med en relativt enkel materialstruktur:

• Substratmaterial: Det vanligaste basmaterialet är FR-4 glasepoxiharts, som har god mekanisk hållfasthet och goda isoleringsegenskaper. För lågkostnadsapplikationer kan fenolharts (FR-1 eller FR-2) också användas.
• Ledande skikt: Endast ena sidan av substratet är laminerat med 35 μm (1 oz) eller 18 μm (0,5 oz) tjock elektrolytisk kopparfolie, som utgör grunden för kretsmönstret.
• Skyddande skikt: Kopparfoliens yta är täckt med lödmask (vanligtvis grön) för att förhindra oxidation och kortslutning. Det översta lagret är silkscreen, som används för att markera komponentpositioner och etiketter.
• YtfinishVanliga alternativ är HASL (Hot Air Solder Leveling), OSP (Organic Solderability Preservative) eller enkelt kolofoniumskydd.

Materialsammansättning för dubbelskiktade mönsterkort

Dubbelskiktade mönsterkort (dubbelsidiga mönsterkort) har en mer komplex materialstruktur:

• Substratmaterial: Också mestadels FR-4, men med högre krav på dimensionsstabilitet för att säkerställa noggrannheten i anpassningen mellan de två sidorna.
• Ledande skiktBåda sidorna av substratet är laminerade med kopparfolie, vanligtvis 35 μm eller 18 μm tjock. Avancerade applikationer kan dock använda tjockare kopparfolie (t.ex. 2 oz) för högre strömförande kapacitet.
• Anslutning mellan lager: Pläterade genomgående hål (PTH) används för att upprätta elektriska anslutningar mellan de övre och undre lagren, vilket är den mest betydande skillnaden mot enskiktade mönsterkort.
• Isoleringsskikt: Kärnan är själva substratet, men man måste vara uppmärksam på isoleringssäkerheten mellan viorna och substratet.
• Skydd och finish: Båda sidorna har lödmask och silkscreenlager. Ytbehandlingarna kan omfatta mer exakta alternativ som ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) eller Immersion Silver.

Jämförelse av materialkostnader: Materialkostnaden för dubbelskiktskretskort är vanligtvis 30-50% högre än för enkelskiktskretskort, främst på grund av den extra via-processen och dubbelsidig bearbetning.

Jämförelse av tillverkningsprocesser

Tillverkningsprocess för enskikts mönsterkort

Tillverkningsprocessen för enskiktskretskort är relativt enkel:

1. Förberedelse av substrat: Kapning av det kopparbeklädda laminatet till önskad storlek.
2. Borrning: Endast monteringshål behövs; inga genomgående hål behövs.
3. Mönsteröverföring: Kretsmönstret överförs till kopparytan via screentryck eller fotolitografi.
4. Etsning: Kemiska lösningar avlägsnar oönskad kopparfolie för att bilda kretsspår.
5. Applicering av lödmask: Lödmaskens bläck trycks och härdas.
6. YtfinishHASL, OSP eller andra behandlingar appliceras efter behov.
7. Märkning med silkscreen: Komponenternas positionsetiketter har lagts till.
8. Testning och inspektion: Vanligtvis begränsad till visuell inspektion och grundläggande kontinuitetstest.

Tillverkningsprocess för dubbelskiktade mönsterkort

Processen för dubbelskiktskretskort är mer komplex, med viktiga skillnader som t.ex:

1. Förberedelse av dubbelsidigt substrat: Säkerställer enhetlig initial kopparfoliekvalitet på båda sidor.
2. Bearbetning av inriktningshål: Precisionsinriktningshål borras för att säkerställa lager-till-lager-registrering.
3. BorrningBåde genomgångshål och monteringshål borras, med potentiellt mindre diametrar.
4. Metallisering av hål: Ett kritiskt steg där ledande skikt bildas på hålväggarna genom kemisk deponering och elektroplätering.
5. Dubbelsidig mönsteröverföring: Mönster överförs till båda sidor samtidigt eller sekventiellt, vilket kräver hög noggrannhet (typiskt ±0,05 mm).
6. EtsningBåda sidorna etsas samtidigt, vilket kräver enhetlig etsningskontroll.
7. Applicering av lödmaskBåda sidorna behandlas separat.
8. Ytbehandling: Mer exakta ytbehandlingar kan användas.
9. Omfattande testerElektrisk provning (t.ex. provning med flygande sond) utförs vanligtvis för att säkerställa ledningsförmåga och isolering.

Skillnad i processkomplexitet: Dubbelskiktade mönsterkort kräver ytterligare viktiga steg som hålmetallisering och dubbelsidig inriktning, vilket resulterar i en produktionscykel som vanligtvis är 20-30% längre än enkelskiktade mönsterkort och en relativt högre defektfrekvens.

Överväganden om design

Viktiga designpunkter för kretskort med ett lager

Vid konstruktion av enskikts mönsterkort måste följande faktorer beaktas:

• Routing-strategi: Alla spår måste vara i ett enda lager, vilket kan kräva byglar för att lösa korsningar.
• KomponentplaceringKomponenterna kan bara monteras på en sida, vilket kräver en optimerad layout för att undvika trängsel.
• Design för jordning: Använder ofta ett “ground plane”-koncept, där stora kopparytor används för stabilitet.
• Kontroll av spårbredd: Tillräcklig spårvidd måste beräknas baserat på strömbelastningen för att förhindra överhettning.
• Rensning: Se till att det finns tillräckligt avstånd mellan spår och plattor (typiskt ≥0,2 mm).
• Tillverkningsgränser: Förstå tillverkarens minimikrav på spårbredd/avstånd (vanligtvis 0,15 mm/0,15 mm).

Riktlinjer för konstruktion av dubbelskiktade mönsterkort

Dubbelskiktade mönsterkort ger större designflexibilitet men medför nya överväganden:

• Tilldelning av lager: Vanligtvis används det översta lagret för komponenter och huvudsignalspår, medan det undre lagret används för jordplan och strömfördelning.
• Via användning: Planera placering och antal på ett rimligt sätt för att undvika ojämn täthet.
• SignalintegritetVar uppmärksam på returvägar för höghastighetssignaler för att minska överhörning mellan lager.
• Termisk hantering: Beakta värmeledning mellan skikten och lägg till termiska vior om det behövs.
• EMC-design: Använd jordplan för att skärma av känsliga signaler och minska elektromagnetisk strålning.
• Krav på tillverkning: Specificera via aspektförhållanden (skivtjocklek: håldiameter vanligtvis ≤8:1) och minimikrav på ringformade ringar.

Skillnader mellan designverktyg: Dubbelskiktskretskort kräver vanligtvis mer professionella EDA-verktyg som Altium Designer eller Cadence, medan enkla enkelskiktskretskort ofta kan konstrueras med Eagle eller KiCad.

Tillämpningsområden

Typiska tillämpningar av enskikts mönsterkort

På grund av sina kostnadsfördelar och grundläggande funktionalitet används kretskort i ett lager i stor utsträckning i

• Konsumentelektronik: Enkla leksaker, miniräknare och fjärrkontroller.
• Belysningsenheter: LED-drivdon, styrkort för energisparande lampor.
• Grundläggande vitvaror: Kontrollpaneler för riskokare, tvättmaskiner etc.
• Kraftmoduler: AC/DC-omvandlare med låg effekt, linjära regulatorer.
• Pedagogiska verktyg: Elektroniska inlärningssatser, grundläggande experimentkort.
• Elektronik för fordonsindustrinEnkla sensorgränssnitt, styrning av inomhusbelysning.

Kriterier för lämplighet: Enlagers mönsterkort är vanligtvis ett kostnadseffektivt val när kretsen har färre än 20 komponenter, ingen tät crossover-routing och arbetar under 10 MHz.

Primära användningsområden för dubbelskiktade mönsterkort

Dubbelskiktskretskort spelar en viktig roll i mer komplexa elektroniska system:

• Industriell kontroll: PLC-moduler, motorstyrningar.
• Kommunikationsutrustning: Grundkort för routrar, switchar.
• Datorhårdvara: Minnesmoduler, expansionskort.
• Medicintekniska produkterGrundläggande kretsar för patientmonitorer, diagnostisk utrustning.
• Elektronik för fordonsindustrinECU (Engine Control Unit), infotainmentsystem.
• IoT-enheterSensornoder, moduler för trådlös kommunikation.
• Ljudutrustning: Förstärkare, mixerbord.

Överväganden om uppgradering: Överväg att övergå från enkelskiktade till dubbelskiktade mönsterkort när du stöter på följande scenarier:

1. Routning i ett lager kan inte slutföra alla anslutningar.
2. Bättre jordning och strömfördelning behövs.
3. Signalfrekvensen överstiger 10 MHz.
4. EMI/EMC-prestanda måste kontrolleras.
5. Utrymmet är begränsat, men hög komponenttäthet krävs.

Jämförelse av nyckeltal

Skillnader i elektrisk prestanda

• Signalintegritet: Dubbelskiktade kretskort kan minska brus genom jordplan och ger stabilare referensplan.
• ImpedansregleringPCB med dubbla lager gör det lättare att uppnå kontrollerad impedansdesign (t.ex. mikrostripstrukturer).
• Undertryckande av överhörning: Korrekt lagerarrangemang i dubbelskiktade kretskort kan minska risken för överhörning.
• Kraftintegritet: Kretskort med dubbla lager kan ägna ett lager åt kraftdistributionsnät.

Mekanisk och termisk prestanda

• Strukturell styrka: Dubbelskiktskretskort har i allmänhet bättre mekanisk hållfasthet på grund av pläterade genomgående hål.
• Termisk konduktion: Dubbelskiktade mönsterkort möjliggör värmeöverföring mellan skikten genom vior, vilket förbättrar värmeavledningen.
• Dimensionell stabilitet: Dubbelskiktade mönsterkort ställer högre krav på substratets CTE (värmeutvidgningskoefficient).

Tillförlitlighet och livslängd

• Anpassningsförmåga till miljön: Dubbelskiktade mönsterkort använder vanligtvis strängare ytbehandlingar för bättre korrosionsbeständighet.
• Vibrationsmotstånd: Dubbelsidig lödning och pläterade genomgående hål ger säkrare komponentmontering.
• Långsiktig tillförlitlighet: Redundant routing i dubbelskiktade kretskort förbättrar feltoleransen.

Kostnads- och intäktsanalys

Jämförelse av initiala kostnader

• Materialkostnad: Kretskort med dubbla lager är 30-50% dyrare i material.
• TillverkningskostnadPå grund av processkomplexitet kan PCB-bearbetningsavgifter med dubbla lager vara 1,5-2 gånger högre än enkelskikt.
• Designkostnad: Dubbelskiktade mönsterkort kräver vanligtvis längre konstruktionscykler och verifieringstider.

Överväganden om långsiktigt värde

• Monteringseffektivitet: Högre komponenttäthet i dubbelskiktskretskort kan minska den totala produktstorleken.
• Underhållskostnader: PCB-konstruktioner med dubbla lager är i allmänhet mer tillförlitliga, vilket sänker reparationsfrekvensen efter försäljning.
• Potential för uppgradering: Dubbelskiktade mönsterkort ger mer utrymme för framtida funktionsutvidgningar.

Påverkan på volym: För storskalig produktion (>1000 enheter) minskar den relativa kostnadsökningen för dubbelskiktade mönsterkort avsevärt.

Framtida utvecklingstrender

Innovationsriktningar för enskikts mönsterkort

• Flexibla enkelskiktskort: Utökade tillämpningar i bärbara enheter.
• Högre densitet: Förbättrad kapacitet för enskiktskort genom finlinjeteknik (t.ex. 3 mils spårbredd).
• Miljövänliga material: Användning av halogenfria substrat och återvinningsbara material.

Teknologiska framsteg inom dubbelskiktade mönsterkort

• Microvia-teknik: Laserborrning möjliggör sammankopplingar med högre densitet.
• Inbyggda komponenter: Passiva komponenter är inbäddade mellan lager för att spara utrymme.
• Hybridmaterial: Kombination av högfrekventa material med standard FR-4.

Slutsats och urvalsrekommendationer

Enskikts- och tvåskiktskretskort har var och en sina unika fördelar och användningsområden.Enskikts mönsterkort är fortfarande viktiga i grundläggande elektronik på grund av deras extremt låga kostnad och förenklade tillverkning. Dubbelskiktskretskort tillgodoser behoven hos mer komplexa elektroniska system genom att tillhandahålla ytterligare routinglager och bättre elektrisk prestanda.

Urval Beslutsträd:

1. Utvärdera kretsens komplexitet - enkla kretsar har ett enda lager.
2. Analysera signalkraven - högfrekventa eller känsliga signaler behöver ett dubbelt lager.
3. Beräkna kostnadsbegränsningar - strikta budgetar leder till enstaka lager.
4. Tänk på att konstruktioner med begränsad produktstorlek och begränsat utrymme kan dra nytta av ett dubbelskikt.
5. Uppskatta produktionsvolymen - stora volymer kan kompensera för dubbelskikts-PCB’ extra kostnader.

I takt med att elektroniktekniken utvecklas blir dubbelskiktade mönsterkort allt vanligare inom många områden, men enkelskiktade mönsterkort har fortfarande kostnadsfördelar i specifika applikationer. Konstruktörer bör väga prestanda, kostnad och tillverkningsbarhet utifrån projektkraven för att göra optimala val.