Как точно определить количество слоев печатной платы

Печатные платы (ПП) состоят от одного до множества слоев диэлектрических и проводящих материалов. При соединении в плату эти слои несут цепи, питающие широкий спектр бытовой электроники: будильники, кухонные приборы, канцелярские товары, компьютеры и мобильные устройства.

ПП также используются в промышленных инструпах и станках, медицинских приборах, правительственных компьютерах и системах хранения, аэрокосмической технике. Количество слоев и размеры платы определяют распределение питания.

Что такое многослойные печатные платы?

Количество слоев — определяющий фактор мощности и емкости печатной платы. Часто спрашивают: достаточно ли однослойной платы, или лучше двух- или четырехслойной? (Подсказка: трехслойных плат не существует) — или чего-то из многослойного диапазона.

Хотя число слоев зависит от бюджета и функциональных требований, возникает вопрос: что именно такое многослойные ПП? По сути, «многослойные» — это всё, что имеет более двух слоев: 4-слойная плата или диапазон 6–12 и более слоев.

5 вопросов для определения числа слоев в многослойных ПП

Выбирая идеальное количество слоев для заказа ПП, нужно учитывать факторы, делающие многослойную плату предпочтительнее одно- или двухслойной, и наоборот.

1. Как будет использоваться моя печатная плата?

При расчете требований к ПП учитывайте типы машин и устройств, в которых будут применяться ваши платы, и нагрузки, которые эти машины/устройства возложат на цепи платы. Будут ли эти ПП использоваться в сложной высокотехнологичной электронике или в более простых изделиях с минимальными функциями?

2. Какая рабочая частота требуется?

Её параметры определяют функции и емкость ПП. Для более высокой скорости и рабочей емкости многослойные ПП необходимы.

3. Какой у меня бюджет на проект?

Нужно учитывать затраты на производство одно- и двухслойных ПП против многослойных. Если вам нужна максимальная емкость в современных технологиях печатных плат, придется заплатить за высокие затраты на производство.

4. Как быстро мне нужны ПП?

Время производства (lead time) — время изготовления партии одно- или многослойных ПП — также важно при заказе большой поставки. Для одно- и двухслойных плат оно может составлять 8–14 дней в зависимости от площади платы. При желании заплатить больше или меньше срок может сократиться до 5 дней или увеличиться до месяца.

Время производства увеличивается с каждым добавленным слоем. ПП в диапазоне 4–20 слоев могут иметь срок 12–32 дня в зависимости от габаритов.

5. Какая плотность и количество сигнальных слоев нужны?

Число слоев ПП также зависит от плотности выводов (pin density) и количества сигнальных слоев. Как показывает таблица ниже, плотность выводов 1,0 требует 2 сигнальных слоя, а число необходимых слоев растет с падением плотности. При плотности 0,2 или меньше нужны ПП минимум с 10 слоями.

Плотность выводов	Число сигнальных слоев	Число слоев многослойной ПП
>1,0	2	2
0,6–1,0	2	4
0,4–0,6	4	6
0,3–0,4	6	8
0,2–0,3	8	12
<0,2	10	>14

Однослойные печатные платы

Однослойная ПП состоит из одного ламинированного и паянного слоя диэлектрика и проводящего материала. Как ранний компонент электронной аппаратуры, однослойные ПП используются с конца 1950-х. Даже сегодня, несмотря на относительную примитивность по современным стандартам бытовой электроники, однослойные ПП остаются распространенными во всем мире.

Конструкция однослойной ПП проста: один термопроводящий диэлектрик, покрытый медной ламинацией сверху и паяльной маской. Иллюстрации обычно показывают три полосы цвета: серый для диэлектрика, коричневый для меди, зеленый для паяльной маски.

Благодаря простой конструкции однослойные ПП легко производить большими партиями — они самые экономичные. Несмотря на технологическое ограничение, они дают преимущества:

• Простая конструкция, понятная большинству производителей
• Отсутствие производственных проблем
• Низкая стоимость и удобство массового производства

Сегодня однослойные ПП производят с толщиной медной ламинации 1–20 унций. Рабочий диапазон температур: 130–230 °C.

Раньше однослойные ПП использовались в большинстве электроустройств. Сейчас большинство высокотехнологичной бытовой электроники перешло на многослойные ПП, оптимизированные для сложных требований. Тем не менее, однослойные ПП все еще встречаются в простых устройствах:

• Калькуляторы — самые базовые модели работают на однослойных ПП.
• Радио — дешевые радиобудильники часто используют однослойные ПП.
• Кофемолки/кофемашины — часто на однослойных ПП.

Однослойные ПП также распространены в датчиках, светодиодах, принтерах, камерах наблюдения и таймерных схемах.

Двухслойные печатные платы

Двухслойная ПП — следующий шаг технологии. С большей емкостью она поддерживает шире современные электронные устройства, чем однослойная. При этом двухслойные ПП намного менее сложны в производстве, чем многослойные, поэтому являются самым широко используемым вариантом.

Двухслойная ПП похожа на однослойную, но с инвертированным зеркальным нижним полуслоем. Диэлектрик толще, ламинирован медью с обеих сторон и покрыт паяльной маской с обеих сторон. Иллюстрации выглядят как трехслойный сэндвич: толстый серый слой посередине (диэлектрик), два коричневых выше и ниже (медь), тонкие зеленые сверху и снизу (паяльная маска).

Благодаря равным верхней и нижней сторонам двухслойная ПП позволяет больше трассировочных путей. Преимущества:

• Гибкость проектирования для широкого спектра устройств
• Плотная трассировка для современных приложений
• Низкая стоимость, удобство массового производства
• Простая конструкция, понятная производителям по всему миру
• Малые габариты, помещается в разные устройства

Двухслойные ПП применяются в широком спектре простой и сложной электроники:

• HVAC-системы — бытовые отопление и охлаждение различных брендов.
• Усилители — используются музыкантами.
• Принтеры — компьютерные периферийные устройства.

Также в реле управления, блоках питания, светодиодном освещении, линейных реакторах, измерительном оборудовании и торговых автоматах.

Четырехслойные печатные платы

Четырехслойная плата имеет более сложную структуру слоев, чем одно- или двухслойная. Если в одно- и двухслойных один ряд диэлектрика, то в четырехслойной — несколько. Как и все многослойные ПП, четырехслойная включает несколько слоев проводящего материала и меди между верхней и нижней паяльными масками.

Структура 4-слойной ПП:

• Четыре полосы проводящей меди
• Три внутренних диэлектрических слоя — два препрега и один кор
• Два диэлектрических слоя паяльной маски сверху и снизу

В 4-слойном проектировании 4 медные полосы разделены внутри 3 внутренними диэлектриками и запечатаны сверху и снизу паяльной маской. Обычно иллюстрируются 9 полос и 3 цвета: коричневый для меди, серый для коров и препрегов, зеленый для паяльной маски.

Хотя на иллюстрациях препрег и кор кажутся одинаковым материалом, препрег не полностью отвердевает и мягче кора. При производстве тепло и давление заставляют препрег и кор плавиться и связывать слои вместе.

Преимущества четырехслойных ПП:

• Прочность — сильнее одно- и двухслойных плат
• Компактность — малые габариты помещаются в множество устройств
• Гибкость — работают в разного типа электронике, простой и сложной
• Безопасность — при правильном выравнивании слоев питания и земли экранируют электромагнитные помехи
• Легкость — устройства с 4-слойными ПП требуют меньше внутренней проводки и часто весят меньше

Хотя производство многослойных плат требует большей экспертизы, дополнительные затраты на 4-слойную ПП окупаются десятьюкратно за счет более ценных продуктов. Основные современные устройства на 4-слойных ПП:

• Спутниковые системы — многослойные ПП в орбитальных спутниках для глобальной связи
• Портативные устройства — телефоны и планшеты часто на 4-слойных ПП
• Космические зонды — многослойные ПП питали аппараты для исследования галактики

Четырехслойные ПП также в рентгеновском оборудовании, файл-серверах, атомных ускорителях, КТ и системах ядерного обнаружения. Больше чем одно- и двухслойные, они полезны там, где проблема переговоров (crosstalk).

Шестислойные печатные платы

Шестислойная ПП — где технология вступает в более продвинутые аспекты современной электроники. С 6-слойной ПП производители могут питать коммерческие технические изделия, медицинские приборы и промышленные станки.

Структура 6-слойной ПП похожа на 4-слойную, но с двумя дополнительными медными слоями и двумя дополнительными рядами диэлектрика. Во 2-й и 4-й диэлектрических рядах — «кор», 1-й, 3-й и 5-й — препрег. Из 6 медных рядов 2-й и 5-й — полигоны (plane), остальные — сигнальные.

Своего развития 6-слойные ПП стали благом для электроники. С технологическим превосходством над одно- и двухслойными они позволили производителям выпустить множество инновационных устройств. Главные преимущества:

• Прочность — толще и сильнее предшественников
• Компактность — больше технологическая емкость при меньшей ширине
• Высокая емкость — оптимальная мощность, сильное снижение переговоров и ЭМИ

Многослойные ПП 6+ слоев позволили компьютерной технологии прыгнуть вперед за последние два десятилетия. Продвинулись:

• Компьютеры — 6-слойные ПП ускорили эволюцию ПК: компактнее, легче, быстрее
• Накопители данных — высокая емкость сделала хранилища все более ресурсными
• Пожарные сигнализации — с 6+ слоями стали точнее обнаруживать реальную опасность мгновенно

Также в сотовой передаче, волоконно-оптических приемниках, мониторах сердца, промышленном управлении и GPS.

Сложные многослойные печатные платы

По мере увеличения числа слоев сверх 4 и 6, в структуру добавляются новые слои проводящей меди и диэлектрика.

Например, 8-слойная ПП содержит 4 полигона и 4 сигнальных медных слоя — 8 всего — связанных 7 внутренними рядами диэлектрика. Запечатаны сверху и снизу диэлектрической паяльной маской. 8-слойная структура похожа на 6-слойную, но с дополнительными парами медных и препреговых колонн.

Тренд продолжается с 10-слойной ПП: добавляются 2 медных слоя — всего 6 сигнальных и 4 полигональных — 10 всего. 9 колонн диэлектрика — 5 препрег и 4 кор. Запечатаны диэлектрической паяльной маской.

К 12-слойной структуре: 4 полигона и 8 сигнальных проводящих слоев, связанных 6 сигнальными и 5 коровыми колоннами диэлектрика. Запечатаны диэлектрической паяльной маской. В общем, иллюстрации многослойных ПП изображают: коричневый для сигнальных/полигональных медных слоев, серый для препрег/кор диэлектрика, зеленый для верхней/нижней паяльной маски.

Многослойные ПП 8, 10, 12 слоев полезны во множестве высокотехнологичных устройств и компьютерных систем. За последние десятилетия развитие многослойных ПП привело к быстрому росту компьютерных технологий — от кГц систем прошлого до ГГц машин сегодня.

Машины и устройства в коммерческом, промышленном, медицинском, правительственном, аэрокосмическом секторах продолжают расти в скорости, емкости, компактности и удобстве благодаря все более сложным многослойным ПП.

Распределение слоев

Проще всего представить ПП как лазанью, где проводящие и диэлектрические материалы связаны в паяльной маске. 4-слойные платы обычно имеют равномерно распределенные слои с полигонами в центре. Хотя это выглядит симметрично, не обязательно дает лучшие эффекты для электромагнитной совместимости.

Другой вариант — близко сближенные два полигона в центре, пока сигнальный слой и полигоны сэндвичем с большими диэлектриками. Это позволяет накапливать заряд между полигонами, но может вызывать нежелательную передачу сигналов и электромагнитные эффекты. Поэтому эксперты сейчас выбирают платы минимум 4 слоя, а не две.

Для повышения ЭМС 4-слойной платы полигоны и сигнальные слои должны быть сближены максимально близко. Кор между полигоном земли и питания должен быть большим. Это снижает нежелательные передачи между трассами и поддерживает противодействие цепей и токов на допустимых уровнях.

Идеальный диапазон волнового сопротивления — 50–60 Ом. Помните: при низком импедансе ток скачет (нежелательно). Высокий импеданс генерирует больше ЭМИ и делает плату уязвимой к внешним помехам.

Выбирайте PCBCart для стандартных и многослойных ПП

Современный мир наполнен электронными устройствами с функциями, невообразимыми 50 лет назад. Многие достижения возможны благодаря возможностям ПП. ПП позволяют компактным устройствам выполнять сложные задачи, часто удаленно.

С 2005 года PCBCart производит печатные платы для более 10 000 компаний по всему миру. С более 99% удовлетворенностью клиентов наши платы широко применяются для поддержки огромного спектра продуктов. Узнайте больше о наших вариантах ПП на страницах:

• Преимущества и применение многослойных ПП
• Полный сервис производства ПП до 32 слоев
• Продвинутый сервис сборки ПП — много ценных опций
• Преимущества выбора PCBCart как партнера по ПП

Заинтересованы в заказе однослойной или многослойной ПП? Получите бесплатный расчет без обязательств уже сегодня!