Večina inženirjev misli, da dodajanje plasti na tiskano vezje pomeni le stlačiti več sledi na manj prostora. Narobe. Skok z dvoslojnih na štirislojne plošče spremeni električno delovanje celotnega vezja. Dobite namenske ravnine, ki delujejo kot ščiti. To je pomembnejše od 20-dolarske razlike v ceni med prototipi.
Kaj je standardni 4-plastni PCB stack-up?
Nekaj, česar vam nihče ne pove takoj: zlaganje plasti v 4-plastni plošči ni naključno. Bakrenih plošč ne morete kar tako zlagati, kakor želite, in pričakovati dobro delovanje.
Standardna konstrukcija sledi temu sendvič vzorcu:
Zgornja signalna plast → Prepreg → Ozemljitvena ravnina → Jedro → Napajalna ravnina → Prepreg → Spodnja signalna plast.
Plast 1Zgoraj
Vaša primarna signalna plast. Komponente se nahajajo tukaj. Sledi potekajo tukaj. Tukaj se zgodi večina vašega usmerjanja, ker potrebujete dostop do kontaktnih točk komponent.
Notranja plast 2
Ozemljitvena ravnina. Celotna bakrena plošča je povezana z ozemljitvijo (GND). Zakaj bi namenili celoten sloj ozemljitvi? Ker visokofrekvenčni signali potrebujejo trdno povratno pot tik pod seboj. Ko signal potuje po plasti 1, povratni tok teče neposredno pod njim po plasti 2. To ustvari majhno območje zanke, ki prepreči težave z elektromagnetnimi motnjami, še preden se začnejo.
Morda ste že videli zasnove, kjer so inženirji poskušali uporabiti ozemljitveno mrežo namesto ravnine. Katastrofa. Težave z integriteto signala so jih stale tri revizije plošče.
Notranja plast 3
Napajalna ravnina. Običajno se priključi na glavno VCC tirnico, ne glede na to, ali je to 3.3 V, 5 V ali 12 V, odvisno od vaše zasnove. Ta ravnina porazdeli napajanje po plošči z minimalno impedanco. Na vsakem integriranem vezju dobite stabilno napetost brez debelih napajalnih sledi, ki bi zaključile prostor za usmerjanje. Nekatere zasnove delijo to plast med več napetosti, na primer 3.3 V in 5 V. Deluje brezhibno, če med razdelitvami ohranite ustrezno razdaljo.
Spodnja plast 4
Sekundarna signalna plast. Sem usmerite signale, ko se plast 1 zapolni ali ko morate ubežati razpršitvi BGA. Spodnja plast vsebuje tudi konektorje in testne točke.
Jedro je na sredini. To je tog osnovni material FR-4, običajno debel 1.0 mm pri standardni 1.6 mm plošči. Lepilo so plasti preprega. Te polstrjene plošče iz steklenih vlaken med postopkom laminiranja, ko jih toplota in tlak spremenita v trdni dielektrik, vse skupaj povežejo.
Zdaj nekateri proizvajalci kot alternativo promovirajo razporeditev signal-ozemljitev-napajanje-signal. Tehnično gledano deluje. Vendar pa standardni sklad signal-ozemljitev-napajanje-signal deluje bolje pri zasnovah z mešanimi signali, ker obe signalni plasti ležita tik ob referenčnih ravninah. To zoži vaše elektromagnetne zanke.
Še nekaj o tej postavitvi: simetrija je pomembna za proizvodnjo. Če ves baker postavite na eno stran, se plošča med ponovnim nanosom ukrivi. Razporeditev tipa 1 uravnoteži porazdelitev bakra od zgoraj navzdol, kar prepreči upogibanje med sestavljanjem.
4-slojna tiskana vezja v primerjavi z 2-slojno tiskano vezjo: Zakaj nadgraditi?
Zasnujete dvoslojno ploščo. Deluje na preskusni mizi. Nato sestavite 500 enot in te ne opravijo EMC testov. Se vam sliši znano?
Celovitost signala
Visokohitrostni signali sovražijo dvoslojne plošče. Ko na dvoslojni zasnovi uporabljate 100 MHz SPI vodilo ali diferencialni par USB 2.0, mora povratni tok najti pot nazaj skozi ozemljitveno pot, ki ste mu jo določili. Običajno to pomeni dolgo, potujočo pot skozi ozemljitvene sledi. To ustvari veliko zančno anteno, ki oddaja šum in je motena.
Na štirislojni plošči povratni tok teče neposredno pod signalno sledjo skozi ozemljitveno ravnino. Površina zanke se skrči skoraj na nič. Vaše signalne oči se na osciloskopu odprejo čisto.
Zaščita EMI
Te notranje ozemljitvene in napajalne ravnine delujejo kot ščiti. Ujamejo elektromagnetna polja med plastmi, namesto da bi jih pustili sevati v vesolje. Identična vezja bi morali preizkusiti na dvoslojnih in štirislojnih ploščah. Štirislojna različica običajno kaže 15–20 dB boljše sevane emisije. To je razlika med tem, ali ustrezajo in ne ustrezajo omejitvam FCC Del 15 za razred B.
Gostota
Namesto dveh dobite štiri plasti usmerjanja. Očitno vam to omogoča zmanjšanje dimenzij plošče. Toda prava prednost je izogibanje gostim komponentam, kot so BGA ali ohišja QFN z razmikom 0.5 mm. Na dvoslojni plošči ste omejeni na usmerjanje med ploščicami. Na štirislojni plošči preluknjate prehode in se spustite v notranje plasti, da se izognete podganjemu gnezdu.
Zasnova, ki potrebuje 80 mm × 60 mm v 2 slojih, se pogosto prilega 60 mm × 45 mm s 4 sloji. To zmanjšanje površine plošče lahko izravna višje stroške na ploščo, ko jih gradite na tisoče.
Toplotno upravljanje
Baker prevaja toploto 200-krat bolje kot FR-4. Te notranje ravnine razpršijo toploto po plošči, namesto da bi jo pustili, da se koncentrira pod regulatorjem napetosti ali MOSFET-om. Za napajalnike, ki prenašajo 3 A ali več, je to pomembno. Včasih lahko odstranite hladilnik z uporabo termičnih prehodov na notranji bakreni ravnini. Prihranil sem 1.50 $ stroškov BOM pri 12V napajalniku, tako da sem toploto odvajal v 3. plast namesto privijanja na aluminij.
Razlika v stroških? Količine prototipov so pri večini kitajskih tovarn za 15–30 dolarjev višje na ploščo za 4-slojne v primerjavi z 2-slojnimi. Proizvodna cena pri 1000+ kosih doda morda 2–4 dolarje na ploščo. Medtem en sam neuspešen EMC test stane 3000–5000 dolarjev samo za ponovno testiranje. Izračunajte.
Ključne specifikacije zasnove in izbira materiala
FR-4 je standardni material. Pika. Približno 95 % štirislojnih plošč ga uporablja, ker FR-4 stane desetino cene specializiranih materialov.
FR-4 boste videli z različnimi ocenami Tg: TG130, TG150, TG170. To je temperatura steklastega prehoda, pri kateri se material zmehča. Standardna TG130-140 je primerna za potrošniške izdelke. Za avtomobilsko ali industrijsko opremo, ki je nameščena v vročih ohišjih ali blizu motorjev, potrebujete TG170. Visoka Tg stane 15-20 % več, vendar vam zagotavlja zanesljivost pri sobni temperaturi 130 °C namesto le 105 °C.
Rogersovi materiali so primerni za RF zasnove nad 1 GHz. Rogers 4350B je približno 8-12-krat dražji od FR-4. Uporabljate ga, kadar potrebujete natančen nadzor dielektrične konstante za mikrotrakaste antene ali impedančno kritične daljnovode.
Debelina plošče
Standardna debelina je 1.6 mm. To ustreza standardnim režam za tiskana vezja v ohišjih in zagotavlja dobro mehansko togost za ročno sestavljanje. Za ultra tanke naprave, kot so nosljive naprave, lahko naročite 0.8 mm, za cenovno ugodne zasnove 1.0 mm ali 2.0 mm za visokotokovne napajalne plošče. Vedite le, da se plošča, tanjša od 1.6 mm, med sestavljanjem bolj upogne, kar lahko povzroči razpoke v spajkanih spojih na velikih komponentah.
Teža bakra
Zunanje plasti običajno porabijo 1 g bakra. To z razumno širino sledi prenese 3–4 A. Notranje napajalne in ozemljitvene ravnine običajno prav tako porabijo 1 g, čeprav nekateri proizvajalci privzeto uporabljajo 0.5 oz na notranjih plasteh, da prihranijo stroške. To bodite pozorni na svojo ponudbo.
Za visokotokovne modele, ki dosegajo 10A+, lahko naročite 2 ml ali celo 3 ml bakra, vendar je to dražje in omejuje minimalno širino sledi, saj je debelejši baker težje jedkati fine značilnosti.
Nadzor impedance
Tukaj se izkažejo 4-slojne plošče. Za USB, Ethernet, HDMI ali DDR pomnilnik potrebujete nadzorovano impedanco. Kalkulator izračuna širino sledi glede na geometrijo vašega zlaganja. Tipična 50-Ω mikrotrakasta žica na 4-slojni plošči z 1 oz bakra in dielektričnim razmikom 10 mil je široka približno 12-15 mil. Proizvajalci zaračunajo 50-150 dolarjev več za nadzor impedance, ker morajo preizkusiti kupone in potrditi rezultate.
Če želite nadzorovano impedanco, morate svojemu proizvajalcu zagotoviti specifikacijo skladanja. Če jim povem, da potrebujem 50 ohmov, ne da bi definiral debelino dielektrika in vrednost Er, jih pustim v ugibanju. Velikokrat ugibajo narobe.
proizvodne zmogljivosti
Vaša zasnova je le toliko dobra, kolikor je to, kar lahko tovarna dejansko izdela. Takole izgledajo standardne 4-slojne zmogljivosti pri spodobnih kitajskih proizvajalcih od leta 2026:
Minimalna sled
4mil/4mil je dosegljiv v večini trgovin brez višjih cen. To vam omogoča usmerjanje med BGA ploščicami z razmikom 0.5 mm. Lahko dosežete 3mil/3mil ali celo 2.5mil/2.5mil, vendar pričakujte doplačila in daljše dobavne roke. Za večino modelov je 5mil/5mil ali 6mil/6mil v redu in ohranja nizke stroške.
Najmanjša velikost luknje
Mehansko vrtanje se zmanjša na premer 0.2 mm. Za vse manjše je potrebno lasersko vrtanje, kar potroji stroške prehoda. Standardni prehodi imajo luknje premera 0.3 mm z 0.6 mm ploščicami. Ti so poceni in zanesljivi.
Površinska obdelava
HASL stane najmanj, vendar pušča neenakomerno površino, kar povzroča težave pri komponentah z drobnim korakom pod 0.5 mm. ENIG poveča stroške prototipa za 15–25 dolarjev, vendar vam zagotovi ravno, proti oksidaciji odporno površino, ki je uporabna več kot 12 mesecev.
ENIG lahko uporabite za karkoli s QFN-ji ali BGA-ji. OSP je nekje vmes glede na ceno in rok trajanja, saj zdrži 6 mesecev. Immersion Silver deluje podobno kot ENIG, vendar je nekoliko cenejši, vendar hitreje potemni.
Barve spajkalne maske
Zelena je standardna in brezplačna. Črna izgleda profesionalno, vendar otežuje pregled, saj pod masko ni videti sledi. Bela se odlično obnese za LED plošče, ker odbija svetlobo. Modra in rdeča sta estetski izbiri, ki prototipom dodata 10–20 dolarjev. Mat črna je zdaj trendovska za potrošniške izdelke, vendar stane še več.
Slepe in zakopane poti
Večina 4-plastnih zasnov uporablja standardne skoznje odprtine, ki se izvrtajo do konca. Slepe ali zakopane odprtine omogočajo usmerjanje gostejših zasnov, vendar znatno povečajo stroške. Pričakujte 3–5-krat višjo ceno. Izogibajte se jim, razen če se 0.4 mm BGA absolutno ne morete izogniti drugače.
Glavne uporabe 4-plastnih tiskanih vezij
4-slojne plošče najdete povsod v sodobni elektroniki.
Napajalniki
Preklopni napajalniki nad 15 W skoraj vedno uporabljajo 4-plastno konstrukcijo. Ozemljitvena ravnina zmanjšuje šum pri preklapljanju, napajalna ravnina pa porazdeli visoke tokove brez debelih sledi. Nekoč smo zasnovali 80-vatni LED gonilnik na 2-plastni plošči. Deloval je, vendar je oddajal toliko šuma, da je motil AM radio v strankinem objektu.
Zabavna elektronika
Pametne domače naprave, usmerjevalniki WiFi, zvočniki Bluetooth in vse, kar ima brezžično povezljivost, potrebujejo 4-plastno zasnovo, da prestanejo testiranje FCC. Že sama zmogljivost antene upravičuje stroške, saj postavitev ozemljitvene ravnine neposredno vpliva na vzorce sevanja in učinkovitost.
Avtomobilski krmilniki
Avtomobilska elektronika se sooča z ostrim okoljem elektromagnetnih motenj s hrupom alternatorja, konicami vžiga in motnjami komutacije motorja. Štirislojne plošče z ustreznimi ozemljitvenimi ravninami preživijo to električno nevihto. Tudi temperaturne specifikacije za avtomobile zahtevajo material TG170, ki deluje od -40 °C do +125 °C.
Industrial Control
PLCVtičnice, motorni pogoni in industrijski HMI-ji uporabljajo 4-slojne plošče za odpornost proti šumu. Ko v tovarni nameščate opremo poleg VFD-jev in varilnih strojev, potrebujete vso možno zaščito.
LED gonilniki
Visokozmogljivi LED gonilniki imajo koristi od toplotnega razprševanja notranjih bakrenih ravnin. 50W LED gonilnik na 4-slojni izvedbi lahko porazdeli toploto skozi 3. plast, kar zmanjša temperature vročih točk za 15–20 °C v primerjavi z 2-slojno.
Kako znižati ceno 4-slojnega tiskanega vezja
Cene prototipov ljudi spravljajo ob živce. Vidite ponudbe za 180 dolarjev za pet plošč in se sprašujete, ali vas bo proizvodnja spravila v bankrot. Ne bo.
Količina
Pet prototipnih plošč iz kitajske tovarne stane od 100 do 200 dolarjev, odvisno od velikosti in lastnosti. Toda 100 plošč lahko skupaj stane 300 do 400 dolarjev. Stroški namestitve se amortizirajo. Ko dosežete 1000 kosov, boste za standardno zasnovo 100 mm × 100 mm plačali 3 do 6 dolarjev na ploščo. Ne sprejemajte proizvodnih odločitev na podlagi ponudb za prototipe.
Prek tehnologije
Skoznje odprtine skoraj nič ne stanejo. Slepe ali zakopane odprtine pomnožijo vaše stroške za 3-5, ker zahtevajo več ciklov laminiranja. Razen če načrtujete telefon ali ultrakompaktno nosljivo napravo, se držite skoznjih odprtin.
Velikost in panelizacija plošče
Proizvajalci izdelujejo tiskana vezja na standardnih velikostih plošč, običajno 18″ × 24″. Če dimenzije vaše plošče omogočajo več kopij na ploščo z minimalnimi odpadki, se cena zniža. Plošča velikosti 95 mm × 95 mm se prilega štirim na ploščo z dobrim izkoristkom. Plošča velikosti 110 mm × 87 mm se nerodno prilega in porabi material. Včasih krčenje plošče za 5 mm zmanjša stroške na enoto za 15 % samo zaradi boljše učinkovitosti plošče.
Čas
Standardni dobavni rok pri kitajskih proizvajalcih je 7–10 dni. Hitra dostava stane 2–3-krat več. Razen če hitite na sejem, uporabite standardni dobavni rok.
Kompleksnost oblikovanja
Nadzor impedance, sledi finega tona pod 5 mil ali težka bakrena žica 2oz+ – vse to sproži dodatne polnjenje. Ohranite svojo zasnovo izvedljivo s standardnimi specifikacijami in ponudbe ostanejo razumne.
Še nekaj glede stroškov: ne varčujte pri površinski obdelavi, da bi prihranili 15 dolarjev na ploščo. Stranka prihrani 200 dolarjev pri 200 ploščah z uporabo HASL namesto ENIG. Nato je porabila 4000 dolarjev za predelavo 30 % plošč, ker je neravna površina med reflowom povzročila nagrobnike na upornikih 0402.
Povzetek
Štirislojne tiskane vezije stanejo več kot dvoslojne, vendar zagotavljajo boljšo integriteto signala, odpornost proti elektromagnetnim motnjam in gostoto usmerjanja. Standardno zlaganje namesti ozemljitvene in napajalne ravnine interno, signalne plasti pa na zgornji in spodnji strani. Ta konfiguracija obvladuje visokohitrostne signale, uspešno prestane testiranje EMC in omogoča gostejšo postavitev komponent. Naložite svoje datoteke Gerber, da dobite takojšnje ponudbe in povratne informacije DFM, preden se odločite za proizvodnjo.
O nas Wonderful PCB
Wonderful PCB Ukvarja se z vsem, od industrijskega oblikovanja in elektronskega inženiringa do izdelave 4-slojnih tiskanih vezij. Sodelujemo z globalnimi podjetji pri izdelavi in sestavljanju 4-slojnih tiskanih vezij na Kitajskem.
Pogosta vprašanja o 4-slojnih tiskanih vezjih
Ali lahko za visokofrekvenčne zasnove uporabim 4-slojno ploščo?
6 GHz lahko vgradite s standardnim FR-4. Poleg tega potrebujete Rogers ali druge materiale z nizkimi izgubami. Pomembno je nadzorovati dielektrično konstanto in ohranjati simetrijo skladanja. Za zasnove z 2.4 GHz Wi-Fi, Bluetooth ali ISM pasom pod 1 GHz FR-4 deluje dobro. Na FR-4 sem brez težav zgradil GPS sprejemnike.
Kakšna je standardna debelina notranjega jedra?
Pri plošči z debelino 1.6 mm je jedro običajno debelo 1.0 mm. Dve plasti preprega dodata vsaka po 0.3 mm. Debelina bakra se zmanjša za približno 0.07 mm. Med plastjo 1 in plastjo 2 bo tako približno 10-12 mil dielektrika, kar je idealno za sledi z nadzorovano impedanco 50 Ω.
Kako izvozim Gerber datoteke za 4-plastno tiskano vezje?
Za vsako plast potrebujete ločene datoteke Gerber ter datoteke za vrtanje. Izvozite zgornjo bakreno žico, ozemljitveno ravnino, napajalno ravnino, spodnjo bakreno žico, zgornjo spajkalno masko, spodnjo spajkalno masko, zgornji sitotisk, spodnji sitotisk in obris plošče. Dodajte datoteke NC za vrtanje za skoznje luknje. Večina sodobnih orodij CAD, KiCad, Altium in EAGLE, ima predloge s 4 plastmi, ki vse pravilno izvozijo. Proizvajalec mora vedeti, katera notranja plast je ozemljena in katera napajana. Priložite risbo zlaganja ali datoteko z opombami, ki določa, da je plast 2 = GND in plast 3 = VCC.