Hur väljer man antalet PCB-lager på ett vetenskapligt sätt?
Innehållsförteckning
Grundläggande begrepp och betydelsen av PCB-lagerantal
Kretskort är viktiga komponenter i moderna elektroniska apparater, och valet av antal lager påverkar direkt produktens prestanda, tillförlitlighet och kostnad. I takt med att de elektroniska enheterna blir alltmer komplexa har flerskiktskretskort (vanligtvis 4-, 6-, 8- eller ännu fler skikt) utvecklats för att uppfylla mer komplexa designkrav genom att lägga till ytterligare ledande skikt internt.
Varför är kretskortsskikten alltid jämna nummer?
Eftersom tillverkningsprocessen kräver att kopparfolien lamineras i par tillåter modern avancerad mönsterkortsteknik till och med att komponenter bäddas in i mönsterkortets inre lager.Denna innovativa design förbättrar kretsintegrationen och prestandan ytterligare.
Inverkan av antalet lager på mönsterkortet på produktens prestanda
- Elektrisk prestanda: Fler lager innebär bättre signalintegritet och elektromagnetisk kompatibilitet.
- Routingdensitet: Komplexa kretsar kräver fler lager för sammankopplingar.
- Kostnadsstruktur: Ökat antal lager ökar tillverkningskostnaderna avsevärt.
Olika applikationsområden, från konsumentelektronik till flygutrustning, har mycket olika krav på antalet mönsterkortslager.En rimlig lagerdesign kan uppfylla prestandakraven och samtidigt kontrollera kostnaderna, men fel val kan leda till produktfel eller kostnadseskalering. Till exempel kan en enkel miniräknare bara kräva ett enda lager kretskort, medan smartphones vanligtvis använder 8-10 lager och högpresterande servermoderkort till och med kan nå 16 lager eller mer.

Nyckelfaktorer vid bestämning av antalet PCB-lager
Att välja antalet PCB-lager är en beslutsprocess som kräver omfattande överväganden av flera faktorer.När kunder vill tillverka PCB-kort måste tillverkarna tydligt förstå användarnas krav och ge motsvarande rekommendationer från ingenjörer för att hitta den optimala balansen mellan prestandakrav och kostnadsbegränsningar och därigenom ge kunderna tillfredsställande produkter och utmärkt service.
Krav på applikationsområde och driftsfrekvens
Elektroniska enheter i olika branscher har mycket olika krav på mönsterkort. Frekvens för drift är en av de viktigaste parametrarna som bestämmer antalet lager på mönsterkortet, och högfrekvensapplikationer kräver vanligtvis fler lager för att säkerställa signalintegriteten. Ett exempel:
- Konsumentelektronik (t.ex. Bluetooth-headset):Vanligtvis 4-6 lager kretskort
- Telekommunikationsutrustning (t.ex. 5G-basstationer):Kan kräva 12 lager eller mer
- Fordonselektronik (t.ex. ECU-styrenheter):Huvudsakligen 6-8 lager
- System för flyg- och rymdindustrin:10 lager eller mer för att säkerställa extremt hög tillförlitlighet
Högfrekventa kretsar (120 MHz) har strängare krav på antalet lager på mönsterkortet eftersom ökad signalöverföringshastighet medför större risker för elektromagnetisk interferens (EMI).Flerskiktskretskort ger dedikerade kraft- och jordplan, vilket effektivt kontrollerar signalens returvägar och minskar överhörning och strålning.
Utvärdering av kretskomplexitet och komponenttäthet
Kretsens komplexitet direkt påverkar kraven på antal lager på mönsterkortet. Komplexiteten kan bedömas utifrån följande dimensioner:
- Antal komponenter:Speciellt enheter med högt stiftantal som BGA-paket
- Antal signalnätverk:Totalt antal sammankopplingar som krävs
- Särskilda konstruktionskrav:Till exempel impedansreglering, differentiella par och längdmatchning
Komponentdensitet är ett annat viktigt mått som kan beräknas med hjälp av PIN-densitetsformeln:
PIN-densitet = Korts yta (in²)/(Totalt antal stift på kortet/14)
Baserat på beräkningsresultaten kan följande empiriska värden åberopas:
- Enkelsidig placering av komponenter: PIN-densitet>1,0 kan använda 2 lager; 0,6-1,0 föreslår 4 lager; 0,6 kräver 6 lager eller mer
- Dubbelsidig placering av komponenter:Densitetsstandarderna kan lättas men hänsyn måste tas till värmeavledning och monteringsfaktorer
Budget och tidsramar för tillverkning
När man överväger antalet lager på mönsterkort är tillverkningskostnaden en faktor som inte kan ignoreras.Kostnadsskillnaden mellan mönsterkort med ett eller två lager och flerlagers mönsterkort ligger främst i design- och tillverkningskomplexitet. Högre kapacitet innebär ofta en högre kostnad.
Dessutom finns det ett proportionellt förhållande mellan antalet lager på mönsterkort och priset - generellt sett innebär fler lager högre priser.Detta beror främst på att design- och tillverkningsprocesser för flerskikts-kretskort är mer komplexa, vilket naturligtvis ökar kostnaderna.För att mer exakt bedöma PCB-kostnader kan du använda PCB-offertwebbplatser som hjälper till att uppskatta kostnader baserat på olika parametrar som ledartyp, storlek, kvantitet och lagerantal. Onlinekalkylatorer kan också hjälpa till att välja lämpliga isoleringsmaterial och tjocklekar för en mer omfattande förståelse av PCB-kostnadsstrukturer.
Leveranstid är en annan kritisk faktor vid tillverkning av mönsterkort, särskilt vid produktion av stora volymer. Leveranstiderna varierar beroende på antalet lager, främst beroende på mönsterkortets yta. Ökade investeringar kan ibland förkorta leveranstiderna.
Krav på stifttäthet och signalskikt
Valet av PCB-lagerantal är också nära relaterat till stifttäthet och behov av signalskikt.Till exempel kräver en stifttäthet på 0 vanligtvis 2 signalskikt, medan lägre stifttätheter kräver fler lager.När stifttätheten når 2 eller lägre kan det behövas minst 10 lager.

Metod för val av PCB-lager
I den faktiska tekniska konstruktionen kräver valet av PCB-lagerantal vetenskapligt beslutsfattande baserat på specifika projektkrav och tekniska begränsningar. Följande är praktiska metoder och tumregler som sammanfattats av Topfast baserat på mer än tio års erfarenhet av mönsterkortstillverkning.
Uppskattning av antal lager baserat på stiftdensitet
Stiftdensitet är ett effektivt mått för att bedöma kraven på antal PCB-lager, beräknat som:
Stifttäthet = Korts yta (in²)/(Totalt antal stift på kortet/14)
Baserat på resultaten, hänvisa till följande urvalskriterier:
Tabell: Stifttäthet kontra antal lager för enkelsidig komponentplacering
Stiftdensitetsintervall | Rekommenderade lager | Tillämpningar |
---|---|---|
>1,0 | 2 | Enkel konsumentelektronik |
0.7-1.0 | 4 | Allmän industriell styrning |
0.5-0.7 | 6 | Nätverksutrustning |
<0,5 | 8+ | Avancerade servrar |
Tabell: Stifttäthet vs. antal lager för dubbelsidig placering
Stiftdensitetsintervall | Rekommenderade lager | Tillämpningar |
---|---|---|
>1,5 | 2 | Produkter med medelhög och låg komplexitet |
1.0-1.5 | 4 | Kringutrustning för smartphones |
0.7-1.0 | 6 | Elektronik för fordonsindustrin |
<0,7 | 8+ | Högpresterande datorsystem |
Tumregler för frekvens-till-lager-antal
Processorfrekvens är en annan viktig faktor, eftersom högfrekventa kretsar normalt kräver fler lager för signalintegritet:
- <50MHz: Vanligtvis tillräckligt med 2 lager
- 50- 120 MHz: Rekommendera 4 lager (signal-jord-kraft-signal)
- 120MHz-1GHz: 6 lager (bästa kostnads-/prestandaförhållande)
- >1GHz: Kräver 8+ lager med strikt SI-analys
Specialfall där fler lager behövs trots lägre frekvenser:
- Flera spänningsdomäner (≥3 oberoende nätaggregat)
- Seriella höghastighetsgränssnitt (PCIe, USB3.0+)
- Känsliga analoga kretsar (ADC/DAC med hög precision)
Strategier för minnestyp och antal lager
Subsystem för minne egenskaper påverkar PCB-lagerantalet avsevärt:
System med statiskt minne:
- SRAM/parallell NOR Flash: 2 lager kan räcka
- Viktig punkt: Säkerställ stabil strömförsörjning
Dynamiska minnessystem:
- SDRAM/DDR: Minst 4 lager
- DDR2/3: Rekommenderar 6 lager (med dedikerade referensplan)
- DDR4/5: Kräver 8+ lager med strikt längdmatchning
NAND Flash-system:
- Konventionell NAND: 4 lager räcker
- eMMC/UFS: Bestäms av frekvens (vanligtvis 6 lager)
BGA-emballering och anpassning av antalet lager
BGA-enhet förpackningen påverkar direkt antalet lager på kretskortet:
Stifthöjd kontra antal lager:
- ≥1,0 mm pitch: 2 lager kan fungera
- 0,8 mm tonhöjd: Föreslå 4 lager
- 0,65 mm tonhöjd:Rekommendera 6 lager
- ≤0,5 mm tonhöjd:Kräver 8+ lager
Riktlinjer för stiftantal:
- 100 stift: Tänk på färre lager
- 100-300 stift:Standard rekommenderade lager
- >300 stift:Lägg till 1-2 lager
Speciella BGA-typer:
- Flip-chip BGA: Lägg till 2 lager
- BGA med ultrafin pitch (≤0,4 mm): Kräver HDI-teknik
Branschspecifika överväganden om antal lager
Olika branscher har speciella krav som påverkar antalet lager:
Elektronik för fordonsindustrin:
- Basic: Minst 4 lager (tillförlitlighet)
- Drivlina: 6 lager + högtempererade material
- ADAS-system: 8 lager + högfrekventa material
Medicintekniska produkter:
- Diagnostisk utrustning: 6 lager (låg ljudnivå)
- Implanterbara enheter:4 lager (miniatyrisering)
Industriella kontroller:
- Standard PLC: 4 lager
- Rörelsestyrning: 6 lager (EMI-motstånd)
Konsumentelektronik:
- Bärbara produkter: 4 lager (miniatyrisering)
- Smarta hem:Varierar beroende på funktionalitet
Kostnadsoptimering och kompromisser med antalet lager
Under budgetpress bör du överväga följande strategier för optimering av antalet lager:
- “Pseudo-multi-layer” design:
- Använd 2 lager + byglar för att simulera flerlagersfunktionalitet
- Lämplig för lågfrekventa konstruktioner med låg densitet
- Hybridlamineringsteknik:
- Lokalt ökade lager (t.ex. under BGA-områden)
- Balans mellan kostnad och prestanda
- Asymmetrisk stapling av lager:
- Minska antalet signalskikt men behåll ström-/jordplan
- T.ex. 6-lagers kort i 1-2-2-1 konfiguration
- HDI teknikutbyte:
- Använd högdensitetsinterkonnektorer för att minska antalet lager
- Idealisk för konstruktioner med högt stiftantal men liten yta
Genom att ta hänsyn till alla ovanstående faktorer tillsammans med specifika projektkrav och begränsningar kan ingenjörer göra vetenskapligt välgrundade val av PCB-lagerantal som optimalt balanserar prestanda, tillförlitlighet och kostnad.
Ofta ställda frågor (FAQ)
I processen att välja PCB-lagernummer uppstår ofta några typiska problem och förvirringar. Professionella svar ges på dessa vanliga frågor.
Hur avgör man när en design behöver fler PCB-lager?
Flera tydliga indikatorer tyder på att det finns ett behov av att öka antalet PCB-lager:
- Otillräcklig komplettering av rutten:
- Det går inte att slutföra routningen efter att ha nått 90%.
- Omfattande användning av byglar för att lösa övergångar
- Problem med signalintegritet:
- Kritiska signaler visar allvarlig ringning
- Test av ögondiagram misslyckas
- Systemets bitfelsfrekvens överskrider gränsvärdena
- Problem med strömstabiliteten:
- Spänningsfluktuationerna överskrider toleranserna
- Märkbart brus vid samtidig växling (SSN)
- Misslyckade EMC-test:
- Strålningsemissioner överstiger standarderna
- Immunitetstester misslyckade
- Problem med värmehantering:
- Lokal överhettning är olöslig med de nuvarande lagren
- Behov av ytterligare termiska lager eller vias
Praktiska verifieringsmetoder:
- Design Rule Check (DRC) visar många överträdelser
- 3D-vy avslöjar extremt överbelastad vägsträckning
- Simuleringsanalys visar att kritiska parametrar inte uppfylls
Vilka potentiella problem uppstår när man ökar antalet PCB-lager?
Att lägga till lager löser många designutmaningar, men kan också leda till följande nya problem:
- Kostnadsökningar:
- 30-50% kostnadsökning per ytterligare 2 lager
- Högre ingenjörskostnader av engångskaraktär (NRE)
- Lägre produktionsavkastning:
- Ökad svårighet vid justering av lager
- Högre defektfrekvens i det inre skiktet
- Förlängda ledtider:
- Ytterligare 3-5 dagar per ytterligare 2 lager
- Begränsade möjligheter till brådskande expediering
- Reparationssvårigheter:
- Svårt att upptäcka fel i det inre lagret
- Lägre andel lyckade omarbetningar
- Vikt- och tjockleksökning:
- Påverkar designen av bärbara enheter
- Kan överskrida mekaniska gränser
Strategier för begränsning:
- Använd stegvisa lagerkonstruktioner (varierande antal lager per område)
- Använder HDI för att minska det totala antalet lager
- Optimera staplingarna för att förbättra avkastningen
Hur balanserar man kostnad och prestanda för optimalt antal lager?
Metoder för balansering av kostnad och prestanda:
- Stegvis verifieringsmetod:
- Starta prototyper med färre lager
- Besluta om du vill lägga till lager baserat på testresultat
- Analys av kritisk väg:
- Identifiera de mest kritiska signalvägarna
- Lägg till lager endast för dessa sektioner
- Matris för utvärdering av kostnad och nytta:
Alternativ för lager | Prestanda poäng | Kostnadspoäng | Sammansatt värde |
---|---|---|---|
4-lagers | 70 | 90 | 78 |
6-lagers | 85 | 70 | 80 |
8 lager | 95 | 50 | 75 |
- Modulär designmetod:
- Kärnmoduler använder flera lager
- Perifera kretsar använder en 2-lagers
Praktiska tumregler:
- Konsumentprodukter: ≤6 lager
- Industriell utrustning: 4-8 lager idealisk
- Nätverksutrustning: 6-12 lager vanliga
- Högkvalitativ databehandling: 12+ lager
Vilka är de typiska applikationerna för olika antal PCB-lager?
Karakteristiska tillämpningar genom lagerräkning:
2-lagers:
- Kontrollpaneler för apparater
- Enkla strömkretsar
- Grundläggande industriella moduler
- Elektroniska leksaker
4-lagers:
- Smartphones
- Routrar
- ECU:er för bilar
- Medicinska monitorer
6-lagers:
- Avancerade grafikkort
- Industriella PLC:er
- Nätverksswitchar
- Styrenheter för drönare
8 lager:
- Moderkort för server
- 5G-basstationer
- Avancerad ADAS
- Premium testinstrument
10+ lager:
- Superdatorer
- Elektronik för flyg- och rymdindustrin
- Avancerade radarsystem
- Komplexa bakplan
Vanliga missuppfattningar vid val av lagerantal för mönsterkort
- “Fler lager är alltid bättre”.:
- Fakta: Överdriven ingenjörskonst slösar bort kostnader
- Sanning: Uppfyller kraven på ett adekvat sätt
- “2-lager kan’inte göra höghastighet”:
- Fakta: Enkla höghastighetskretsar är möjliga
- Sanning: Kräver noggrann design
- “Kraftplan måste vara solida.”:
- Fakta: Delade plan kan vara bättre
- Sanning: Beror på aktuella behov
- “Signalerna från det inre lagret är sämre”:
- Fakta: Inre signaler är mer stabila
- Sanning: Påverkas av referensplan
- “Att lägga till lager löser alltid EMC.”:
- Fakta: Dåliga stackups kan försämra EMC
- Sanning: Stackupens utformning är mer kritisk
Korrekta metoder:
- Basera beslut på systemkrav
- Validera genom simuleringar
- Rådgör med PCB-tillverkaren’s råd
- Referens till liknande framgångsrika konstruktioner
Relaterad läsning
När ska man välja ett 2-lagers kretskort eller ett 4-lagers kretskort?
Relaterade inlägg