Painetut piirilevyt (PCB) ovat nykyaikaisten elektroniikkalaitteiden ydinkomponentteja, ja ne voidaan luokitella yksikerroksisiin, kaksikerroksisiin ja monikerroksisiin PCB-levyihin johtavien kerrosten lukumäärän perusteella.Näistä yksikerroksiset ja kaksikerroksiset piirilevyt ovat perustavanlaatuisimpia ja laajimmin käytettyjä tyyppejä. Niiden erojen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää elektroniikan suunnitteluinsinööreille, hankintapäättäjille ja harrastajille. Tässä artikkelissa analysoidaan perusteellisesti yksikerroksisten ja kaksikerroksisten piirilevyjen välisiä eroja materiaalikoostumuksen, valmistusprosessien, suunnitteluun liittyvien näkökohtien ja tyypillisten sovellusalueiden osalta, mikä auttaa lukijoita tekemään tietoon perustuvia valintoja projektin vaatimusten perusteella.
Materiaalikoostumuksen erot
Yksikerroksisten piirilevyjen materiaalirakenne
Yksikerroksiset piirilevyt (yksipuoliset piirilevyt) ovat yksinkertaisin piirilevytyyppi, jonka materiaalirakenne on suhteellisen yksinkertainen:
- Alustan materiaali: Tyypillisesti FR-4-lasiepoksihartsi, joka on yleisimmin käytetty perusmateriaali, tarjoaa hyvän mekaanisen lujuuden ja eristysominaisuudet. Edullisissa sovelluksissa voidaan käyttää myös fenolihartsia (FR-1 tai FR-2).
- Johtava kerros: Vain substraatin toinen puoli on laminoitu 35μm (1oz) tai 18μm (0.5oz) paksulla elektrolyyttisellä kuparifoliolla, joka muodostaa piirikuvion perustan.
- Suojakerros: Kuparifolion pinta on peitetty juotosmaskilla (yleensä vihreä) hapettumisen ja oikosulkujen estämiseksi. Pintakerros on silkkipaino, jota käytetään komponenttien paikkojen ja tarrojen merkitsemiseen.
- Pinnan viimeistelyYleisiä vaihtoehtoja ovat HASL (Hot Air Solder Leveling), OSP (Organic Solderability Preservative) tai pelkkä kolofonin suojaus.
Kaksikerroksisten piirilevyjen materiaalikoostumus
Kaksikerroksisilla piirilevyillä (kaksipuolisilla piirilevyillä) on monimutkaisempi materiaalirakenne:
- Alustan materiaali: Myös enimmäkseen FR-4, mutta korkeammat vaatimukset mittapysyvyydelle, jotta voidaan varmistaa kahden puolen kohdistustarkkuus.
- Johtava kerrosSubstraatin molemmat puolet on laminoitu kuparifoliolla, joka on tyypillisesti 35 tai 18 μm paksu. Korkealuokkaisissa sovelluksissa voidaan kuitenkin käyttää paksumpaa kuparifoliota (esim. 2 oz) suuremman virransietokyvyn saavuttamiseksi.
- Kerrosten välinen yhteys: Kullattuja läpivientireikiä (PTH) käytetään sähköisten yhteyksien luomiseen ylä- ja alakerrosten välille, mikä on merkittävin ero yksikerroksisiin piirilevyihin verrattuna.
- Eristyskerros: Ydin on itse substraatti, mutta huomiota on kiinnitettävä läpivientien ja substraatin välisen eristyksen luotettavuuteen.
- Suojaus ja viimeistely: Molemmilla puolilla on juotosmaski ja silkkipainokerrokset. Pintakäsittelyt voivat sisältää tarkempia vaihtoehtoja, kuten ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) tai Immersion Silver.
Materiaalikustannusten vertailu: Kaksikerroksisten piirilevyjen materiaalikustannukset ovat tyypillisesti 30-50% korkeammat kuin yksikerroksisten piirilevyjen, mikä johtuu pääasiassa ylimääräisestä läpivientiprosessista ja kaksipuolisesta käsittelystä.
Valmistusprosessin vertailu
Yksikerroksisten piirilevyjen tuotantoprosessi
Yksikerroksisten piirilevyjen valmistusprosessi on suhteellisen yksinkertainen:
- Substraatin valmistelu: Kuparipäällysteisen laminaatin leikkaaminen haluttuun kokoon.
- Poraus: Tarvitaan vain kiinnitysreiät; reikiä ei tarvita.
- Kuvion siirto: Piirikuvio siirretään kuparin pintaan silkkipainolla tai fotolitografialla.
- Etsaus: Kemialliset liuokset poistavat ei-toivotun kuparifolion piirijälkien muodostamiseksi.
- Juotosmaskin käyttö: Juotosmaskin muste painetaan ja kovetetaan.
- Pinnan viimeistelyHASL, OSP tai muita käsittelyjä käytetään tarpeen mukaan.
- Silkkipainomerkintä: Komponenttien sijaintimerkinnät on lisätty.
- Testaus ja tarkastus: Rajoittuu yleensä silmämääräiseen tarkastukseen ja perusjatkuvuustestiin.
Kaksikerroksisten piirilevyjen valmistusprosessi
Kaksikerroksisten piirilevyjen prosessi on monimutkaisempi, ja keskeisiä eroja ovat muun muassa seuraavat:
- Kaksipuolisen alustan valmistelu: Varmistetaan kuparifolion tasainen alkuperäinen laatu molemmin puolin.
- Kohdistusreikien käsittely: Tarkkuusreikiä porataan, jotta varmistetaan kerros kerrokselta toiselle -rekisteröinti.
- PorausSekä läpivienti- että asennusreiät porataan, ja niiden halkaisija voi olla pienempi.
- Reiän metallisointi: Kriittinen vaihe, jossa reiän seinämiin muodostetaan johtavia kerroksia kemiallisella laskeutumisella ja galvanoinnilla.
- Kaksipuolinen kuvion siirto: Kuviot siirretään molemmille puolille samanaikaisesti tai peräkkäin, mikä edellyttää suurta kohdistustarkkuutta (tyypillisesti ±0,05 mm).
- EtsausMolemmat puolet syövytetään samanaikaisesti, mikä edellyttää yhtenäistä syövytyksen hallintaa.
- Juotosmaskin käyttöMolemmat puolet käsitellään erikseen.
- Pinnan viimeistely: Tarkempia pintakäsittelyjä voidaan käyttää.
- Kattava testaus: Sähköinen testaus (esim. lentävän koettimen testaus) suoritetaan yleensä johtavuuden ja eristyskyvyn varmistamiseksi.
Prosessin monimutkaisuuden ero: Kaksikerroksiset piirilevyt vaativat ylimääräisiä keskeisiä vaiheita, kuten reikien metallointia ja kaksipuolista kohdistusta, mikä johtaa tuotantosykliin, joka on tyypillisesti 20-30% pidempi kuin yksikerroksiset piirilevyt, ja suhteellisen korkeampi virheiden määrä.
Suunnittelua koskevat näkökohdat
Yksikerroksisten piirilevyjen tärkeimmät suunnittelukohdat
Yksikerroksisia piirilevyjä suunniteltaessa on otettava huomioon seuraavat tekijät:
- Reititysstrategia: Kaikki jäljet on tehtävä yhdelle kerrokselle, mikä saattaa vaatia hyppääjiä ristiinkytkentöjen ratkaisemiseksi.
- Komponentin sijoittaminenKomponentit voidaan asentaa vain yhdelle puolelle, mikä edellyttää optimoitua asettelua ahtauden välttämiseksi.
- Maadoitussuunnittelu: Usein käytetään “maataso” -konseptia, jossa käytetään suuria kuparialueita vakauden varmistamiseksi.
- Jäljen leveyden säätö: Riittävä jäljen leveys on laskettava nykyisen kuormituksen perusteella ylikuumenemisen estämiseksi.
- Tyhjennys: Varmista riittävä väli jälkien ja tyynyjen välillä (tyypillisesti ≥0,2 mm).
- Valmistusrajat: Ymmärrä valmistajan vähimmäispituus/-väli (yleensä 0,15 mm/0,15 mm).
Kaksikerroksisten piirilevyjen suunnitteluohjeet
Kaksikerroksiset piirilevyt tarjoavat enemmän suunnittelun joustavuutta, mutta tuovat mukanaan uusia näkökohtia:
- Kerroksen jakaminen: Tyypillisesti päällimmäistä kerrosta käytetään komponenteille ja pääsignaalijohdoille, kun taas alinta kerrosta käytetään maatasoille ja tehonjakeluun.
- Käytön kautta: Suunnittele sijainnit ja määrät järkevästi, jotta vältetään epätasainen tiheys.
- Signaalin eheys: Kiinnitä huomiota suurnopeussignaalien paluureitteihin, jotta vähennät kerrosten välistä ristikkäishäirintää.
- Lämmönhallinta: Ota huomioon lämmön johtuminen kerrosten välillä ja lisää tarvittaessa lämpöläpivientejä.
- EMC-suunnittelu: Käytä maatasoja suojaamaan herkkiä signaaleja ja vähentämään sähkömagneettista säteilyä.
- Tuotantovaatimukset: Määritä sivusuhteet (levyn paksuus: reiän halkaisija yleensä ≤8:1) ja rengasrenkaan vähimmäisvaatimukset.
Suunnittelutyökalujen erot: Kaksikerroksiset piirilevyt vaativat yleensä ammattimaisempia EDA-työkaluja, kuten Altium Designer tai Cadence, kun taas yksinkertaiset yksikerroksiset piirilevyt voidaan usein suunnitella Eaglen tai KiCadin avulla.
Sovellusalueet
Yksikerroksisten piirilevyjen tyypilliset sovellukset
Kustannusetujensa ja perustoimintojensa ansiosta yksikerroksisia piirilevyjä käytetään laajalti:
- Viihde-elektroniikka: Yksinkertaiset lelut, laskimet ja kaukosäätimet.
- Valaistuslaitteet: LED-ajurit, energiansäästölamppujen ohjauskortit.
- Peruskoneet: Riisinkeittimien, pesukoneiden jne. ohjauspaneelit.
- Tehomoduulit: Pienitehoiset AC/DC-muuntimet, lineaariset säätimet.
- Koulutustyökalut: Elektroniset oppimissarjat, peruskoetaulut.
- Autoteollisuuden elektroniikkaYksinkertaiset anturiliitännät, sisävalaistuksen ohjaukset.
Soveltuvuusperusteet: Yksikerroksiset piirilevyt ovat yleensä kustannustehokas valinta, kun piirissä on alle 20 komponenttia, ei tiheää ristikkoreititystä ja se toimii alle 10 MHz: n taajuudella.
Kaksikerroksisten piirilevyjen ensisijaiset sovellukset
Kaksikerroksisilla piirilevyillä on tärkeä rooli monimutkaisemmissa elektronisissa järjestelmissä:
- Teollinen ohjaus: PLC-moduulit, moottorinohjaimet.
- Viestintälaitteet: Reitittimien ja kytkimien peruslevyt.
- Tietokonelaitteisto: Muistimoduulit, laajennuskortit.
- Lääkinnälliset laitteetPeruspiirit potilasvalvontalaitteita, diagnostisia laitteita varten.
- Autoteollisuuden elektroniikkaECU:t (moottorinohjausyksikkö), infotainment-järjestelmät.
- IoT-laitteet: Sensorisolmut, langattomat viestintämoduulit.
- Äänentoistolaitteet: Vahvistimet, mikserit.
Päivitystä koskevat näkökohdat: Harkitse siirtymistä yksikerroksisesta kaksikerroksiseen PCB:hen, kun kohtaat seuraavat skenaariot:
- Yksikerroksinen reititys ei pysty toteuttamaan kaikkia yhteyksiä.
- Maadoitusta ja sähkönjakelua on parannettava.
- Signaalin taajuus ylittää 10 MHz.
- EMI/EMC-suorituskykyä on valvottava.
- Tilaa on rajoitetusti, mutta tarvitaan suuri komponenttitiheys.
Keskeinen suorituskykyvertailu
Sähköisen suorituskyvyn erot
- Signaalin eheys: Kaksikerroksiset piirilevyt voivat vähentää kohinaa maatasojen kautta ja tarjota vakaampia vertailutasoja.
- Impedanssin säätö: Kaksikerroksiset piirilevyt helpottavat kontrolloidun impedanssin suunnittelua (esim. mikroliuska-rakenteet).
- Ristiriitojen vaimentaminen: Oikea kerrosjärjestely kaksikerroksisissa piirilevyissä voi vähentää ristikkäisviestinnän riskejä.
- Virran eheys: Kaksikerroksiset piirilevyt voivat omistaa yhden kerroksen virranjakeluverkoille.
Mekaaninen ja terminen suorituskyky
- Rakenteellinen lujuus: Kaksikerroksisilla piirilevyillä on yleensä parempi mekaaninen lujuus päällystettyjen läpivientireikien ansiosta.
- Lämmön johtuminen: Kaksikerroksiset piirilevyt mahdollistavat kerrosten välisen lämmönsiirron läpivientien kautta, mikä parantaa lämmönhukkaa.
- Mittapysyvyys: Kaksikerroksiset piirilevyt asettavat suurempia vaatimuksia substraatin CTE:lle (lämpölaajenemiskerroin).
Luotettavuus ja käyttöikä
- Ympäristön sopeutumiskyky: Kaksikerroksisissa piirilevyissä käytetään yleensä tiukempia pintakäsittelyjä korroosionkestävyyden parantamiseksi.
- Tärinänkestävyys: Kaksipuolinen juotos ja pinnoitetut läpivientireiät takaavat komponenttien kiinnityksen varmemman kiinnityksen.
- Pitkän aikavälin luotettavuus: Redundantti reititys kaksikerroksisissa piirilevyissä parantaa vikasietoisuutta.
Kustannus-hyötyanalyysi
Alkuperäisten kustannusten vertailu
- Materiaalikustannukset: Kaksikerroksiset piirilevyt ovat 30-50% kalliimpia materiaaleiltaan.
- Valmistuskustannukset: Prosessin monimutkaisuuden vuoksi kaksikerroksisen PCB: n käsittelymaksut voivat olla 1,5-2 kertaa korkeammat kuin yksikerroksinen.
- Suunnittelukustannukset: Kaksikerroksiset piirilevyt vaativat yleensä pidempiä suunnittelujaksoja ja verifiointiaikoja.
Pitkän aikavälin arvoon liittyvät näkökohdat
- Kokoonpanon tehokkuus: Suurempi komponenttitiheys kaksikerroksisissa piirilevyissä voi pienentää tuotteen kokonaiskokoa.
- Ylläpitokustannukset: Kaksikerroksiset piirilevymallit ovat yleensä luotettavampia, mikä alentaa myynnin jälkeisiä korjausmääriä.
- Päivityspotentiaali: Kaksikerroksiset piirilevyt tarjoavat enemmän tilaa tuleville toiminnallisille laajennuksille.
Volyymin vaikutus: Suuren mittakaavan tuotannossa (> 1000 yksikköä) kaksikerroksisten piirilevyjen suhteellinen kustannusten nousu vähenee merkittävästi.
Tulevat kehityssuuntaukset
Yksikerroksisten piirilevyjen innovaatiosuunnat
- Joustavat yksikerroksiset levyt: Laajennetut sovellukset puettavissa laitteissa.
- Suurempi tiheys: Parannettu yksikerroksisen piirilevyn kapasiteettia hienolinjatekniikan avulla (esim. 3 millimetrin jäljen leveys).
- Ympäristöystävälliset materiaalit: Halogeenittomien alustojen ja kierrätettävien materiaalien käyttö.
Kaksikerroksisten piirilevyjen tekninen kehitys
- Microvia Technology: Laserporaus mahdollistaa tiheämmät liitännät.
- Sulautetut komponentit: Passiiviset komponentit on upotettu kerrosten väliin tilan säästämiseksi.
- Hybridimateriaalit: Korkeataajuisten materiaalien yhdistäminen tavalliseen FR-4:ään.
Johtopäätökset ja valintasuositukset
Yksikerroksisilla ja kaksikerroksisilla piirilevyillä on kummallakin ainutlaatuisia etuja ja sovelluskohteita.Yksikerroksiset piirilevyt ovat edelleen tärkeitä peruselektroniikassa niiden erittäin alhaisen hinnan ja yksinkertaisen valmistuksen vuoksi. Kaksikerroksiset piirilevyt vastaavat puolestaan monimutkaisempien elektroniikkajärjestelmien tarpeisiin tarjoamalla lisää reitityskerroksia ja paremman sähköisen suorituskyvyn.
Valinta Päätöspuu:
- Arvioi piirin monimutkaisuutta - yksinkertaiset piirit suosivat yhtä kerrosta.
- Analysoi signaalivaatimukset - korkeataajuiset tai herkät signaalit tarvitsevat kaksoiskerroksen.
- Laske kustannusrajoitukset - tiukat budjetit suosivat yksikerroksisuutta.
- Harkitse tuotteen kokoa ja tilaa rajoittavia malleja, jotka hyötyvät kaksoiskerroksesta.
- Arvioi tuotantovolyymi - suuret volyymit voivat kompensoida kaksikerroksiset piirilevyt’ lisäkustannukset.
Elektroniikkatekniikan kehittyessä kaksikerroksisista piirilevyistä on tulossa valtavirtaa monilla aloilla, mutta yksikerroksiset piirilevyt säilyttävät kustannusetuja tietyissä sovelluksissa. Suunnittelijoiden tulisi punnita suorituskykyä, kustannuksia ja valmistettavuutta projektin vaatimusten perusteella, jotta he voivat tehdä optimaaliset valinnat.