Sebagian besar insinyur berpikir menambahkan lapisan pada PCB hanya tentang memasukkan lebih banyak jalur ke dalam ruang yang lebih kecil. Salah. Lompatan dari papan 2 lapis ke 4 lapis mengubah cara seluruh sirkuit Anda berperilaku secara elektrik. Anda mendapatkan bidang khusus yang berfungsi sebagai pelindung. Ini jauh lebih penting daripada perbedaan harga $20 antara prototipe.

Apa itu susunan PCB 4 lapis standar?

Ini sesuatu yang tidak pernah diberitahu siapa pun di awal: susunan lapisan pada papan 4 lapis tidak acak. Anda tidak bisa begitu saja menumpuk lembaran tembaga sesuka hati dan mengharapkan kinerja yang baik.

Konstruksi standar mengikuti pola sandwich ini: 

Lapisan Sinyal Atas → Prepreg → Bidang Ground → Inti → Bidang Daya → Prepreg → Lapisan Sinyal Bawah.

Lapisan 1 Atas

 Lapisan sinyal utama Anda. Komponen ditempatkan di sini. Jalur sirkuit berjalan di sini. Di sinilah sebagian besar perutean terjadi karena Anda memerlukan akses ke bantalan komponen.

Lapisan 2 Bagian Dalam

 Bidang pentanahan. Seluruh lembaran tembaga ini terhubung ke GND. Mengapa seluruh lapisan dikhususkan untuk pentanahan? Karena sinyal frekuensi tinggi membutuhkan jalur balik yang kuat tepat di bawahnya. Ketika sinyal merambat pada Lapisan 1, arus balik mengalir langsung di bawahnya pada Lapisan 2. Ini menciptakan area loop kecil, menghentikan masalah EMI sebelum dimulai.

 Anda mungkin pernah melihat desain di mana para insinyur mencoba menggunakan grid ground sebagai pengganti bidang datar. Hasilnya bencana. Masalah integritas sinyal menyebabkan mereka harus melakukan tiga revisi papan sirkuit.

Lapisan 3 Bagian Dalam

Bidang daya. Biasanya terhubung ke jalur VCC utama Anda, baik itu 3.3V, 5V, atau 12V, tergantung pada desain Anda. Bidang ini mendistribusikan daya di seluruh papan dengan impedansi minimal. Anda mendapatkan tegangan stabil di setiap IC tanpa jalur daya yang tebal yang memenuhi ruang perutean. Beberapa desain membagi lapisan ini antara beberapa tegangan, seperti 3.3V dan 5V. Berfungsi dengan baik jika Anda menjaga jarak yang tepat antara pembagian tersebut.

Lapisan 4 Bawah

 Lapisan sinyal sekunder. Anda melakukan routing di sini ketika Lapisan 1 penuh atau ketika Anda perlu menghindari fanout BGA. Lapisan paling bawah juga menampung konektor dan titik uji.

Intinya terletak di tengah. Ini adalah material dasar FR-4 yang kaku, umumnya setebal 1.0 mm pada papan standar 1.6 mm. Lapisan prepreg berfungsi sebagai perekat. Lembaran fiberglass setengah mengeras ini merekatkan semuanya selama proses laminasi ketika panas dan tekanan mengubahnya menjadi dielektrik padat.

Sekarang, beberapa produsen menawarkan susunan Signal-Ground-Power-Signal sebagai alternatif. Secara teknis, susunan ini berfungsi. Namun, susunan Signal-Ground-Power-Signal standar berkinerja lebih baik untuk desain sinyal campuran karena kedua lapisan sinyal berada tepat di sebelah bidang referensi. Hal ini memperketat loop elektromagnetik Anda.

Satu hal lagi tentang susunan ini: simetri sangat penting untuk proses manufaktur. Jika semua tembaga diletakkan di satu sisi, papan akan melengkung selama proses reflow. Susunan Tipe 1 menyeimbangkan distribusi tembaga dari atas ke bawah, yang mencegah kelengkungan selama perakitan. 

PCB 4 Lapis vs. PCB 2 Lapis: Mengapa Harus Upgrade?

Anda mendesain papan sirkuit 2 lapis. Papan tersebut berfungsi dengan baik di meja uji. Kemudian Anda membuat 500 unit, dan semuanya gagal dalam pengujian EMC. Kedengarannya familiar?

Integritas Sinyal

 Sinyal berkecepatan tinggi tidak cocok untuk papan 2 lapis. Saat Anda menjalankan bus SPI 100MHz atau pasangan diferensial USB 2.0 pada desain 2 lapis, arus balik harus menemukan jalannya kembali melalui jalur ground apa pun yang Anda berikan. Biasanya, itu berarti rute yang panjang dan berliku-liku melalui jalur ground. Ini menciptakan antena loop besar yang memancarkan noise dan menimbulkan interferensi. 

Pada papan 4 lapis, arus balik mengalir langsung di bawah jalur sinyal melalui bidang ground. Luas loop menyusut hingga hampir nol. Mata sinyal Anda terbuka dengan jelas pada osiloskop.

Perisai EMI

Bidang ground dan daya internal tersebut bertindak seperti perisai. Mereka memerangkap medan elektromagnetik di antara lapisan-lapisan tersebut, alih-alih membiarkannya memancar ke ruang angkasa. Anda harus menguji sirkuit yang identik pada papan 2 lapis dibandingkan dengan papan 4 lapis. Versi 4 lapis biasanya menunjukkan emisi radiasi 15-20 dB lebih baik. Itulah perbedaan antara lulus dan gagal memenuhi batas FCC Bagian 15 Kelas B.

Kepadatan

Anda mendapatkan empat lapisan perutean, bukan dua. Jelas, ini memungkinkan Anda untuk memperkecil dimensi papan. Tetapi manfaat sebenarnya adalah menghindari komponen padat seperti BGA atau paket QFN dengan jarak antar pin 0.5 mm. Pada papan 2 lapis, Anda terbatas pada perutean di antara pad. Pada papan 4 lapis, Anda membuat via dan turun ke lapisan dalam untuk menghindari kerumitan komponen.

 Desain yang membutuhkan ukuran 80mm × 60mm pada 2 lapisan seringkali dapat muat dalam ukuran 60mm × 45mm pada 4 lapisan. Pengurangan luas papan tersebut dapat mengimbangi biaya per papan yang lebih tinggi ketika Anda memproduksi ribuan unit.

Manajemen Termal

Tembaga menghantarkan panas 200 kali lebih baik daripada FR-4. Bidang internal tersebut menyebarkan panas ke seluruh papan alih-alih membiarkannya terkonsentrasi di bawah regulator tegangan atau MOSFET Anda. Untuk catu daya yang mendorong arus 3A atau lebih, ini penting. Terkadang Anda dapat menghilangkan heatsink dengan menggunakan thermal vias ke bidang tembaga internal. Ini menghemat biaya BOM sebesar $1.50 pada desain PSU 12V dengan membuang panas ke Layer 3 alih-alih memasang aluminium.

Perbedaan biaya? Jumlah prototipe biasanya lebih mahal $15-30 per papan untuk 4 lapis dibandingkan 2 lapis dari sebagian besar pabrik di Tiongkok. Harga produksi untuk 1000+ unit mungkin menambah biaya $2-4 per papan. Sementara itu, satu kali uji EMC yang gagal saja membutuhkan biaya $3000-5000 untuk pengujian ulang. Hitung sendiri.

Spesifikasi Desain Utama & Pemilihan Material

FR-4 adalah material standar. Titik. Sekitar 95% papan 4 lapis menggunakannya karena FR-4 harganya sepersepuluh dari harga material khusus.

Anda akan melihat FR-4 terdaftar dengan berbagai peringkat Tg: TG130, TG150, TG170. Ini adalah suhu transisi kaca di mana material melunak. TG130-140 standar berfungsi dengan baik untuk produk konsumen. Anda membutuhkan TG170 untuk peralatan otomotif atau industri yang berada di dalam wadah panas atau di dekat mesin. Tg yang tinggi harganya 15-20% lebih mahal tetapi memberikan keandalan pada suhu lingkungan 130°C, bukan hanya 105°C.

Material Rogers berperan penting dalam desain RF di atas 1 GHz. Rogers 4350B harganya sekitar 8-12 kali lipat dari FR-4. Anda menggunakannya ketika membutuhkan kontrol konstanta dielektrik yang ketat untuk antena mikrostrip atau saluran transmisi yang sangat sensitif terhadap impedansi. 

Ketebalan papan

Ketebalan standar adalah 1.6 mm. Ini sesuai dengan slot PCB standar di dalam wadah dan memberikan kekakuan mekanis yang baik untuk perakitan manual. Anda dapat memesan ketebalan 0.8 mm untuk perangkat ultra-tipis seperti perangkat wearable, 1.0 mm untuk desain yang sensitif terhadap biaya, atau 2.0 mm untuk papan daya arus tinggi. Perlu diketahui bahwa menggunakan ketebalan di bawah 1.6 mm akan membuat papan lebih lentur selama perakitan, yang dapat menyebabkan retaknya sambungan solder pada komponen besar.

Berat Tembaga

Lapisan terluar biasanya menggunakan 1 ons tembaga. Ini mampu menangani arus 3-4A per jalur dengan lebar jalur yang wajar. Bidang daya dan bidang ground bagian dalam biasanya juga menggunakan spesifikasi 1 ons, meskipun beberapa produsen menggunakan 0.5 ons pada lapisan dalam untuk menghemat biaya. Perhatikan hal ini pada penawaran harga Anda. 

Untuk desain dengan arus tinggi yang mencapai 10A+, Anda dapat memesan tembaga 2oz atau bahkan 3oz, tetapi harganya lebih mahal dan membatasi lebar jalur minimum Anda karena tembaga yang lebih tebal lebih sulit untuk diukir fitur-fitur halusnya.

Kontrol Impedansi

Di sinilah papan 4 lapis unggul. Anda membutuhkan impedansi terkontrol untuk USB, Ethernet, HDMI, atau memori DDR. Kalkulator akan menghasilkan lebar jalur berdasarkan geometri susunan lapisan Anda. Microstrip 50Ω tipikal pada papan 4 lapis dengan tembaga 1oz dan jarak dielektrik 10mil memiliki lebar sekitar 12-15 mil. Produsen mengenakan biaya tambahan $50-150 untuk kontrol impedansi karena mereka perlu menguji sampel dan mensertifikasi hasilnya.

Anda perlu memberikan spesifikasi susunan lapisan (stackup) kepada pabrik fabrikasi Anda jika Anda menginginkan impedansi terkontrol. Memberi tahu mereka bahwa saya membutuhkan 50 ohm tanpa menentukan ketebalan dielektrik dan nilai Er membuat mereka hanya menebak-nebak. Seringkali tebakan mereka salah.

Kemampuan Manufaktur

Desain Anda hanya akan sebagus apa yang sebenarnya mampu diproduksi oleh pabrik. Berikut adalah gambaran kemampuan standar pencetakan 4 lapis di pabrik-pabrik Tiongkok yang mumpuni pada tahun 2026:

Jejak Minimum

 Ukuran 4mil/4mil dapat dicapai di sebagian besar toko tanpa harga premium. Ini memungkinkan Anda untuk membuat jalur di antara bantalan BGA dengan jarak antar pin 0.5mm. Anda dapat meningkatkan ke 3mil/3mil atau bahkan 2.5mil/2.5mil, tetapi perkirakan biaya tambahan dan waktu tunggu yang lebih lama. Untuk sebagian besar desain, 5mil/5mil atau 6mil/6mil sudah cukup dan menekan biaya.

Ukuran Lubang Minimum

 Pengeboran mekanis dapat dilakukan hingga diameter 0.2 mm. Ukuran yang lebih kecil membutuhkan pengeboran laser, yang akan melipatgandakan biaya via Anda. Via standar menggunakan lubang 0.3 mm dengan bantalan 0.6 mm. Ini murah dan andal.

Permukaan selesai

 HASL harganya paling murah tetapi menghasilkan permukaan yang tidak rata yang menyebabkan masalah untuk komponen dengan jarak antar pin yang sangat rapat di bawah 0.5 mm. ENIG menambah biaya prototipe sebesar $15-25 tetapi memberikan permukaan yang rata dan tahan oksidasi yang baik untuk masa simpan lebih dari 12 bulan. 

Anda dapat menggunakan ENIG untuk apa pun yang memiliki QFN atau BGA. OSP berada di tengah-tengah antara biaya dan daya tahan, baik untuk 6 bulan. Immersion Silver memiliki kinerja yang mirip dengan ENIG dengan biaya sedikit lebih rendah tetapi lebih cepat kusam.

Warna Masker Solder

 Hijau adalah warna standar dan gratis. Hitam terlihat profesional, tetapi mempersulit inspeksi karena Anda tidak dapat melihat jejak di bawah lapisan pelindung. Putih sangat cocok untuk papan LED karena memantulkan cahaya. Biru dan merah adalah pilihan estetika yang menambah biaya $10-20 pada prototipe. Hitam matte sedang tren untuk produk konsumen, tetapi harganya bahkan lebih mahal.

Vias yang Buta dan Terkubur

 Sebagian besar desain 4 lapis menggunakan vias tembus standar yang menembus seluruhnya. Vias buta atau vias terpendam memungkinkan Anda untuk merute desain yang lebih padat, tetapi menambah biaya yang signifikan. Perkirakan harga 3-5 kali lebih tinggi. Hindari penggunaan vias buta kecuali Anda benar-benar tidak dapat menghindari penggunaan BGA 0.4 mm.

Aplikasi Utama PCB 4 Lapis

Anda dapat menemukan papan 4 lapis di mana-mana dalam perangkat elektronik modern.

Power Supplies

 Catu daya mode switching di atas 15W hampir selalu menggunakan konstruksi 4 lapis. Bidang ground mengurangi noise switching, dan bidang daya mendistribusikan arus tinggi tanpa jalur yang tebal. Kami pernah mendesain driver LED 80W pada papan 2 lapis. Driver tersebut berfungsi, tetapi memancarkan noise yang sangat besar sehingga mengganggu radio AM di fasilitas pelanggan.

Pengguna Elektronik

 Perangkat rumah pintar, router WiFi, speaker Bluetooth, dan apa pun yang memiliki konektivitas nirkabel memerlukan desain 4 lapis agar lolos uji FCC. Kinerja antena saja sudah membenarkan biayanya karena penempatan bidang ground secara langsung memengaruhi pola radiasi dan efisiensi.

Pengontrol Otomotif

Elektronik otomotif menghadapi lingkungan EMI yang keras dengan kebisingan alternator, lonjakan pengapian, dan interferensi komutasi motor. Papan empat lapis dengan bidang ground yang tepat dapat bertahan dari badai listrik ini. Selain itu, spesifikasi suhu otomotif menuntut material TG170 yang berkinerja dari -40°C hingga +125°C.

Kontrol Industri

PLCPerangkat seperti penggerak motor dan HMI industri menggunakan papan 4 lapis untuk kekebalan terhadap gangguan. Saat memasang peralatan di pabrik di dekat VFD dan mesin las, Anda membutuhkan perlindungan sebaik mungkin.

Driver LED

Driver LED daya tinggi mendapat manfaat dari penyebaran panas pada lapisan tembaga internal. Driver LED 50W pada struktur 4 lapis dapat mendistribusikan panas melalui Lapisan 3, mengurangi suhu titik panas sebesar 15-20°C dibandingkan dengan struktur 2 lapis.

Cara Mengurangi Harga PCB 4 Lapis Anda

Penetapan harga prototipe membuat orang khawatir. Anda melihat penawaran harga $180 untuk lima papan dan bertanya-tanya apakah produksi massal akan membuat Anda bangkrut. Tidak, itu tidak akan terjadi.

Jumlah

Lima prototipe papan dari pabrik di Tiongkok harganya berkisar antara $100-200, tergantung ukuran dan fitur. Tetapi 100 papan mungkin harganya mencapai $300-400 secara total. Biaya pengaturan akan diamortisasi. Pada saat Anda mencapai 1000 unit, Anda akan mengeluarkan biaya $3-6 per papan untuk desain standar 100mm × 100mm. Jangan mengambil keputusan produksi berdasarkan harga prototipe.

Melalui Teknologi

 Via tembus (through-hole vias) hampir tidak memerlukan biaya. Via buta (blind vias) atau via terpendam (buried vias) akan melipatgandakan biaya Anda hingga 3-5 kali lipat karena memerlukan beberapa siklus laminasi. Kecuali Anda mendesain telepon atau perangkat wearable ultra-kompak, sebaiknya tetap gunakan via tembus.

Ukuran Papan dan Panelisasi

Produsen membuat PCB pada ukuran panel standar, biasanya 18″ × 24″. Jika dimensi papan Anda memungkinkan beberapa salinan per panel dengan limbah minimal, harganya akan turun. Papan berukuran 95mm × 95mm dapat memuat empat PCB per panel dengan pemanfaatan yang baik. Papan berukuran 110mm × 87mm akan terpasang dengan tidak pas dan membuang material. Terkadang, mengecilkan ukuran papan Anda sebesar 5mm dapat mengurangi biaya per unit hingga 15% hanya dari efisiensi panel yang lebih baik.

timbal Waktu

 Waktu tunggu standar dari produsen Tiongkok adalah 7-10 hari. Layanan kilat biayanya 2-3 kali lebih mahal. Kecuali Anda sedang terburu-buru menuju pameran dagang, gunakan waktu tunggu standar. 

Kompleksitas Desain

 Kontrol impedansi, jalur dengan jarak antar jalur yang sangat rapat di bawah 5 mil, atau tembaga tebal 2 ons ke atas semuanya akan memicu biaya tambahan. Pertahankan desain Anda agar dapat diproduksi dengan spesifikasi standar, dan harga yang ditawarkan akan tetap wajar.

Satu hal lagi tentang biaya: jangan berhemat pada kualitas permukaan hanya untuk menghemat $15 per papan. Seorang klien menghemat $200 untuk 200 papan dengan menggunakan HASL вместо ENIG. Kemudian mereka menghabiskan $4000 untuk mengerjakan ulang 30% papan karena permukaan yang tidak rata menyebabkan kerusakan pada resistor 0402 selama proses reflow. 

Ringkasan

PCB empat lapis lebih mahal daripada PCB dua lapis, tetapi memberikan integritas sinyal, kinerja EMI, dan kepadatan routing yang lebih baik. Susunan standar menempatkan bidang ground dan daya di bagian dalam dengan lapisan sinyal di bagian atas dan bawah. Konfigurasi ini menangani sinyal berkecepatan tinggi, lolos uji EMC, dan memungkinkan penempatan komponen yang lebih padat. Unggah file Gerber Anda untuk mendapatkan penawaran harga instan dan umpan balik DFM sebelum memulai produksi.

Tentang kami Wonderful PCB

Wonderful PCB Menangani segala hal mulai dari desain industri dan teknik elektronika hingga fabrikasi PCB 4 lapis. Kami bekerja sama dengan perusahaan global untuk memproduksi dan merakit papan sirkuit tercetak 4 lapis di Tiongkok.

Pertanyaan yang Sering Diajukan (FAQ) Tentang Papan Sirkuit 4 Lapis

Bisakah saya menggunakan papan 4 lapis untuk desain frekuensi tinggi?

Anda dapat menggunakan FR-4 standar untuk frekuensi 6 GHz. Di atas itu, Anda memerlukan material Rogers atau material lain dengan kerugian rendah. Yang penting adalah mengontrol konstanta dielektrik dan menjaga susunan lapisan tetap simetris. Untuk desain Wi-Fi 2.4 GHz, Bluetooth, atau pita ISM sub-1 GHz, FR-4 bekerja dengan baik. Saya telah membangun penerima GPS menggunakan FR-4 tanpa masalah.

Berapakah ketebalan standar inti bagian dalamnya?

Untuk papan sirkuit jadi setebal 1.6 mm, inti umumnya setebal 1.0 mm. Dua lapisan prepreg menambahkan masing-masing 0.3 mm. Anda kehilangan sekitar 0.07 mm ketebalan tembaga. Ini akan memberi Anda sekitar 10-12 mil dielektrik antara Lapisan 1 dan Lapisan 2, yang sangat cocok untuk jalur impedansi terkontrol 50Ω.

Bagaimana cara mengekspor file Gerber untuk PCB 4 lapis?

Anda memerlukan file Gerber terpisah untuk setiap lapisan, ditambah file pengeboran. Ekspor Lapisan Tembaga Atas, Bidang Ground, Bidang Daya, Lapisan Tembaga Bawah, Lapisan Soldermask Atas, Lapisan Soldermask Bawah, Lapisan Silkscreen Atas, Lapisan Silkscreen Bawah, dan garis luar papan. Tambahkan file pengeboran NC untuk lubang tembus. Sebagian besar perangkat lunak CAD modern, KiCad, Altium, dan EAGLE, memiliki templat 4 lapisan yang mengekspor semuanya dengan benar. Pabrikan perlu mengetahui lapisan dalam mana yang di-ground dan mana yang diberi daya. Sertakan gambar susunan lapisan atau file catatan yang menentukan Lapisan 2 = GND dan Lapisan 3 = VCC.