สิ่งที่อันตรายที่สุดเกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น ไม่ใช่ความซับซ้อนของการออกแบบ แต่เป็นการสันนิษฐานว่าโครงสร้างชั้นมาตรฐานของโรงงานผลิตนั้นปลอดภัย การสันนิษฐานเช่นนั้นทำให้โครงการจริงโครงการหนึ่งต้องเสียค่าใช้จ่ายไป 13,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ล่าช้าไป 18 วัน และการสาธิตให้ลูกค้าดูก็ล่าช้าไปด้วย ทั้งหมดนี้เป็นเพราะชั้นสัญญาณภายในสองชั้นอยู่ติดกันโดยไม่มีระนาบคั่นกลาง
คู่มือทุกเล่มเกี่ยวกับ 6 ชั้น การออกแบบ PCB ผู้เชี่ยวชาญจะบอกให้คุณเพิ่มเลเยอร์เมื่อแผงวงจร 4 เลเยอร์ของคุณเริ่มแน่นเกินไป คำแนะนำนั้นได้ก่อให้เกิดคำตอบที่ผิดพลาดมานับพันครั้งแล้ว จำนวนเลเยอร์เป็นการตัดสินใจด้านสถาปัตยกรรมไฟฟ้าที่มีผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ ผลผลิต และต้นทุนโดยรวม ซึ่งผลกระทบเหล่านี้มักซับซ้อนและยากที่นักออกแบบแผงวงจร 6 เลเยอร์มือใหม่ส่วนใหญ่จะมองไม่เห็นจนกว่าพวกเขาจะพบกับความล้มเหลวในการเริ่มต้นใช้งาน
แผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น คืออะไร?
ความหมายและโครงสร้างพื้นฐาน
แผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น (6 layer PCB) คือแผงวงจรพิมพ์ที่สร้างจากชั้นทองแดงนำไฟฟ้า 6 ชั้นที่ประกบกันด้วยวัสดุฉนวนไดอิเล็กทริก ชั้นทองแดงทำหน้าที่นำสัญญาณ กระจายพลังงาน และเป็นระนาบอ้างอิงทางแม่เหล็กไฟฟ้า ชั้นไดอิเล็กทริก ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นวัสดุพรีเพรกและวัสดุแกนแข็ง จะแยกและเป็นฉนวนระหว่างชั้นทองแดงแต่ละชั้น ชั้นทั้งหกเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าผ่านรูที่เจาะและชุบโลหะเรียกว่า เวีย (vias)
แตกต่างจากแผงวงจร 2 ชั้น ที่การเดินสายและการกระจายพลังงานทั้งหมดต้องใช้พื้นผิวด้านนอกทั้งสองด้านร่วมกัน แผงวงจร 6 ชั้นช่วยให้สามารถเดินสายสัญญาณบนชั้นภายในที่ป้องกันด้วยระนาบอ้างอิง พลังงานและกราวด์จะอยู่บนชั้นภายในเฉพาะ และชั้นนอกจะสงวนไว้สำหรับการเชื่อมต่อส่วนประกอบและสัญญาณที่เข้าถึงได้
แผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น แตกต่างจากแผงวงจรพิมพ์ 2 ชั้น และ 4 ชั้น อย่างไร
| ลักษณะ | 2 ชั้น | 4 ชั้น | 6 ชั้น |
| เลเยอร์การกำหนดเส้นทาง | 2 | 2 3- | 3 4- |
| ระนาบภาคพื้นดินเฉพาะ | ไม่ | 1 ทั่วไป | 1–2 ทั่วไป |
| ระนาบพลังงานเฉพาะ | ไม่ | 1 ทั่วไป | 1 ทั่วไป |
| การป้องกันสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ของสัญญาณภายใน | ไม่มี | เป็นบางส่วน | เต็ม |
| ควบคุมอิมพีแดนซ์ได้ง่าย | ยาก | ปานกลาง | ดี |
| การแยกสัญญาณผสม | ต่ำสุด | เฉพาะระนาบแยกเท่านั้น | สามารถแยกคู่เครื่องบินได้ |
| ตัวคูณต้นทุนเทียบกับ 2 ชั้น | 1x | ~1.4–1.7 เท่า | ราคาที่แจ้งไว้ประมาณ 1.8–2.2 เท่า ราคาจริงประมาณ 2.8–3.5 เท่า |
ส่วนประกอบสำคัญของแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
โครงสร้างทางกายภาพประกอบด้วยแผ่นรองพื้นหลักสามแผ่นประกบด้วยแผ่นพรีเพรกสองชั้น โดยทั้งหมดถูกอัดด้วยความร้อนและแรงดัน ชั้นนอกสุดจะเคลือบด้วยฟอยล์ทองแดง จากนั้นจึงทำการกัดลายทองแดงลงบนแต่ละชั้นโดยใช้กระบวนการโฟโตลิโทกราฟี มีการเคลือบมาสก์บัดกรีที่ด้านนอกทั้งสองด้านเพื่อป้องกันลายทองแดงและกำหนดตำแหน่งแผ่นบัดกรี และเคลือบผิวทองแดงที่เปิดโล่งเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและช่วยให้สามารถบัดกรีได้
คำอธิบายโครงสร้าง PCB 6 ชั้น
PCB Stackup คืออะไร?
การเรียงซ้อนของชั้นทองแดงและฉนวนไฟฟ้า คือการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบของชั้นทองแดงและฉนวนไฟฟ้า ซึ่งเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกลของแผ่นวงจร โดยจะกำหนดค่าอิมพีแดนซ์ ความจุระหว่างระนาบ การแยกสัญญาณ ประสิทธิภาพการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และความเรียบของพื้นผิว การเรียงซ้อนที่ไม่ถูกต้องเป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของความล้มเหลวในการใช้งานแผ่นวงจร 6 ชั้น เนื่องจากไม่สามารถแก้ไขได้หากไม่ทำการออกแบบใหม่ทั้งหมด
โครงสร้างชั้น PCB มาตรฐาน 6 ชั้น
โครงสร้างชั้นอ้างอิงที่ถูกต้องสำหรับแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้นอเนกประสงค์ที่มีสัญญาณความเร็วสูงคือโครงสร้างแบบสมมาตร 3 แกน:
| ชั้น | ฟังก์ชัน | อ้างอิง / หมายเหตุ |
| L1 — สัญญาณสูงสุด | การเดินสายด้านส่วนประกอบ, ช่องเสียบ BGA ที่มีระยะห่างแคบ | อ้างอิงถึง L2 GND — ไมโครสตริป |
| L2 — ระนาบพื้นดิน | สายดินแข็ง — เกราะป้องกัน EMI หลัก | อ้างอิง L1 ด้านบนและ L3 ด้านล่าง |
| L3 — สัญญาณภายใน | คู่ดิฟเฟอเรนเชียลความเร็วสูง อิมพีแดนซ์ควบคุม | อ้างอิงถึง L2 ด้านบน, L4 ด้านล่าง — สไตรป์ไลน์ |
| L4 — เครื่องบินพลังงาน | ระบบจ่ายไฟหลัก ได้แก่ VCC, VDDIO เป็นต้น | อ้างอิง L3 ด้านบนและ L5 ด้านล่าง |
| L5 — สัญญาณภายใน | การกำหนดเส้นทางรอง สัญญาณความเร็วต่ำ หรือสัญญาณแยกเดี่ยว | อ้างอิงถึง L4 ด้านบน, L6 ด้านล่าง — สไตรป์ไลน์ |
| L6 — สัญญาณกราวด์ / สัญญาณด้านล่าง | การเดินสายด้านล่างหรือการต่อสายกราวด์แบบแข็ง | อ้างอิงถึง L5 ด้านบน — ไมโครสตริป |
ประเภทของการจัดเรียงชั้น PCB 6 ชั้น
ไม่ใช่ว่าแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้นทุกแผงจะใช้การจัดสรรชั้นแบบเดียวกันเสมอไป การกำหนดค่าควรขึ้นอยู่กับข้อจำกัดด้านการออกแบบที่สำคัญที่สุด:
• มาตรฐาน SIG/GND/SIG/PWR/SIG/GND: ตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานทั่วไป เลเยอร์สัญญาณทั้งหมดมีระนาบอ้างอิงที่อยู่ติดกัน เหมาะสำหรับงานออกแบบดิจิทัลแบบผสมส่วนใหญ่
• สายส่งไฟฟ้าความเร็วสูง: กำหนดเส้นทางคู่สายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลที่สำคัญทั้งหมดบนเลเยอร์ L3 และ L5 โดยคงเลเยอร์ L1 และ L6 ไว้สำหรับการเชื่อมต่อความเร็วต่ำกว่า เพิ่มประสิทธิภาพการป้องกัน EMI ให้สูงสุดสำหรับอินเทอร์เฟซที่มีความเร็วมากกว่า 5 Gbps
• สัญญาณผสม: กำหนดให้ L3 เป็นสัญญาณอนาล็อก โดยมีกราวด์อนาล็อกเฉพาะที่ L2 และตัวแยกกำลังไฟฟ้าอนาล็อกที่ L4 ส่วนสัญญาณดิจิทัลจะใช้ L5 และ L6 เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนจากการสวิตช์ดิจิทัลแทรกซึมเข้าสู่ส่วนหน้าของวงจรอนาล็อก
• จุดเน้นด้านความสมบูรณ์ของระบบไฟฟ้า: ระนาบพลังงานสองระนาบแยกกัน โดยมีแกนกลางหนาอยู่ตรงกลาง ช่วยเพิ่มค่าความจุระหว่างระนาบให้สูงสุดสำหรับวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งกระแสสูง
การเรียงซ้อนที่จะทำลายการเริ่มต้นของคุณ
รูปแบบความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดในการออกแบบ 6 เลเยอร์ครั้งแรกคือ: SIG / GND / SIG / SIG / PWR / GND ซึ่งทำให้ L3 และ L4 เป็นเลเยอร์สัญญาณสองชั้นที่อยู่ติดกันโดยตรง โดยมีเพียงแผ่นพรีเพรกบางๆ คั่นอยู่ระหว่างกัน และไม่มีระนาบอ้างอิงสำหรับทั้งสองเลเยอร์ กระแสไฟย้อนกลับที่จุดเชื่อมต่อแบบ vias จึงไม่มีที่ไป การรบกวนข้ามช่องสัญญาณระหว่าง L3 และ L4 จึงควบคุมไม่ได้ โครงการ PCIe Gen2 ปี 2022 ที่ใช้โครงสร้างแบบนี้ พบว่าค่าความต้านทานเชิงอนุพันธ์แปรผันไปถึง 92–108 โอห์ม แทนที่จะเป็น 85 โอห์มตามเป้าหมาย ซึ่งทำให้เกิดความล้มเหลวของช่องสัญญาณในบอร์ดที่ประกอบเสร็จแล้ว 50 บอร์ด
การจัดเรียงชั้น 6 ชั้นที่ดีที่สุดและแย่ที่สุด
แผงวงจร 6 ชั้นที่มีการจัดเรียงชั้นที่ไม่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งชั้นสัญญาณสองชั้นที่อยู่ติดกันตรงกลาง จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) มากกว่าแผงวงจร 4 ชั้นที่ออกแบบมาอย่างดีและมีกราวด์ที่แข็งแรงบนชั้นที่ 2 ชั้นระนาบเป็นกลไกหลักในการป้องกัน EMI ชั้นสัญญาณทุกชั้นต้องอยู่ติดกับระนาบอย่างน้อยหนึ่งด้าน การฝังไว้ระหว่างระนาบสองชั้นจะดีกว่า การจัดเรียงที่แย่ที่สุดคือการจัดเรียงใดๆ ที่ทำให้ชั้นสัญญาณไม่มีระนาบอ้างอิงอยู่ใกล้เคียง
วัสดุไดอิเล็กทริกที่ใช้ในแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
| วัสดุ | Dk | การสูญเสียสัมผัส | ที่ดีที่สุดสำหรับ |
| FR-4 | 4.2 4.5- | 0.018 0.025- | ระบบดิจิทัลทั่วไป, <5 Gbps |
| โรเจอร์ส RO4350B | 3.48 | 0.0037 | RF, >10 GHz, ควบคุม Dk |
| ไอโซลา FR408HR | 3.65 | 0.009 | ระบบดิจิทัลความเร็วสูง 5–25 Gbps |
| พานาโซนิค เมกะตรอน 6 | 3.4 | 0.004 | แบ็คเพลน, เซิร์ฟเวอร์ดีส >25 Gbps |
ความหนาและขนาดของแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
ตัวเลือกความหนา PCB มาตรฐาน 6 ชั้น
ความหนามาตรฐานสำหรับแผงวงจร 6 ชั้น คือ 1.0 มม., 1.2 มม., 1.6 มม. และ 2.0 มม. ความหนาแต่ละแบบต้องการการผสมผสานความหนาของแกนและวัสดุพรีเพรกที่เฉพาะเจาะจงเพื่อให้ได้ขนาดที่ต้องการ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อระยะห่างของฉนวนระหว่างชั้น และด้วยเหตุนี้จึงส่งผลต่อค่าความต้านทานที่สามารถทำได้
เหตุใดความหนา 1.6 มม. จึงเป็นความหนาที่พบได้บ่อยที่สุด
โครงสร้างขนาด 1.6 มม. เป็นที่นิยมในงานออกแบบ 6 ชั้น เนื่องจากรองรับการผสมผสานระหว่างแกนและวัสดุพรีเพรกมาตรฐานที่ให้โครงสร้างสมมาตรโดยไม่ต้องสั่งวัสดุพิเศษ เป็นวัสดุมาตรฐานที่โรงงานผลิตเชิงพาณิชย์เกือบทุกแห่งนำเสนอ ทำให้ระยะเวลานำส่งสั้นที่สุดและราคาสามารถแข่งขันได้มากที่สุด สำหรับงานออกแบบดิจิทัลและแบบผสมสัญญาณส่วนใหญ่ที่ไม่มีข้อจำกัดด้านตัวเรือนที่เข้มงวดมากนัก 1.6 มม. จึงเป็นจุดเริ่มต้นที่เหมาะสม
วิธีเลือกความหนาของแผ่น PCB ที่เหมาะสม
แผงวงจรที่บางลงต้องการชั้นฉนวนที่บางลง ซึ่งจะลดระยะห่างระหว่างระนาบและชั้นสัญญาณที่อยู่ติดกัน ส่งผลให้ความจุระหว่างระนาบเพิ่มขึ้น แต่ทำให้การควบคุมอิมพีแดนซ์ทำได้ยากขึ้นหากไม่มีการจัดเรียงชั้นฉนวนแบบกำหนดเอง ตัวอย่างจากโครงการจริง: การระบุอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมได้บนแผงวงจรขนาด 1.2 มม. ทำให้ต้องเปลี่ยนไปใช้แผงวงจรขนาด 1.6 มม. เนื่องจากความหนาของฉนวนที่จำเป็นสำหรับคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล 85 โอห์มไม่พอดีกับแผงวงจรที่บางลง ซึ่งเป็นการละเมิดข้อจำกัดด้านพื้นที่สำหรับตัวเครื่อง ดังนั้นควรตรวจสอบข้อจำกัดของตัวเครื่องก่อนที่จะกำหนดโครงสร้างชั้นฉนวนเสมอ
ข้อกำหนดเกี่ยวกับน้ำหนักและความกว้างของลายทองแดง
โดยทั่วไปแล้วแผงวงจร 6 ชั้นส่วนใหญ่ใช้ทองแดง 1 ออนซ์ที่ชั้นนอกและทองแดง 0.5 ออนซ์ที่ชั้นในเป็นค่าเริ่มต้น ทองแดงที่มีความหนาแน่นสูงกว่ามีให้เลือกใช้สำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าสูง แต่ต้องใช้ระยะห่างระหว่างลายวงจรที่กว้างขึ้นและการปรับวงแหวนเวียร์ขั้นต่ำ ความกว้างของลายวงจรขั้นต่ำในกระบวนการผลิต 6 ชั้นมาตรฐานโดยทั่วไปคือ 3–4 มิลลิเมตรที่ชั้นนอก และ 3.5–4 มิลลิเมตรที่ชั้นใน ระยะห่างขั้นต่ำจะสอดคล้องกับค่าเหล่านี้ การเดินสายแบบ BGA escape routing โดยทั่วไปต้องการระยะห่างระหว่างลายวงจร 3/3 มิลลิเมตรที่ระยะพิทช์ 0.8 มิลลิเมตร
แผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น เทียบกับ แผงวงจรพิมพ์ 4 ชั้น: ควรเปลี่ยนมาใช้แบบอัปเกรดเมื่อใด
ความเข้าใจผิดที่อันตรายที่สุด
เหตุผลที่พบบ่อยที่สุดในการเพิ่มเลเยอร์เป็น 6 ชั้น คือ การเดินสายสัญญาณบนแผงวงจร 4 ชั้นเริ่มคับแคบ จำนวนเลเยอร์ไม่ใช่ตัวกำหนดประสิทธิภาพ แผงวงจร 4 ชั้นที่แน่นขนัดแต่มีคุณภาพสัญญาณที่ดี ย่อมดีกว่าแผงวงจร 6 ชั้นที่มีโครงสร้างไม่ดี การเพิ่มเลเยอร์เพื่อแก้ปัญหาการเดินสายสัญญาณมักจะแค่ย้ายปัญหาไปไว้ลึกกว่าเดิมในแผงวงจร ทำให้แก้ไขได้ยากขึ้น
ปัจจัยกระตุ้นที่แท้จริงสำหรับการเปลี่ยนไปใช้เลเยอร์ 6 ชั้น
การตัดสินใจที่จะใช้โครงสร้าง 6 ชั้น ควรเกิดจากข้อจำกัดทางไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจงและระบุได้ ซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยโครงสร้าง 4 ชั้น:
• คุณได้ใช้พื้นที่อ้างอิงระนาบที่อยู่ติดกันสำหรับสัญญาณสำคัญจนหมดแล้ว — สัญญาณความเร็วสูงทุกสัญญาณต้องการระนาบส่งกลับบนเลเยอร์ที่อยู่ติดกันโดยตรง และโครงสร้าง 4 เลเยอร์ของคุณไม่สามารถจัดหาให้ได้
• คุณจำเป็นต้องมีเส้นทางส่งสัญญาณกลับอิสระหลายเส้นทางพร้อมกัน ได้แก่ โดเมนดิจิทัล อนาล็อก และ RF ซึ่งจะเกิดการหักล้างกันหากใช้คู่ระนาบเดียวกัน
• คุณกำลังเดินสายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลความเร็วสูงมากกว่า 8 ถึง 10 คู่ ที่มีอัตราขอบสัญญาณสูงกว่า 500 MHz จาก BGA ซึ่งส่วนที่หลุดออกไปนั้นใช้พื้นที่ของชั้นนอกทั้งสองชั้น ทำให้ไม่มีจุดอ้างอิงสำหรับสัญญาณภายใน
• คุณจำเป็นต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำกระจายกำลังไฟฟ้าเฉพาะ ซึ่งการแบ่งระนาบในแผงวงจร 4 ชั้นไม่สามารถทำได้
เมื่อแผงวงจรพิมพ์ 4 ชั้นยังคงเพียงพอ
แผงวงจรที่มีสัญญาณความถี่ต่ำกว่า 50 MHz หนาแน่น สามารถคงไว้ซึ่ง 4 ชั้นได้อย่างไม่มีกำหนด ด้วยการจัดการการกระจายสัญญาณ (fanout) การเดินสายแบบตั้งฉาก และการเพิ่มประสิทธิภาพของ vias แผงวงจรควบคุม IoT และแผงวงจรควบคุมอุตสาหกรรมความเร็วต่ำจำนวนมากถูกออกแบบมาเกินความจำเป็นโดยใช้ 6 ชั้น ทั้งๆ ที่การตรวจสอบการเดินสายและการเพิ่มประสิทธิภาพการจัดวางส่วนประกอบจะช่วยแก้ปัญหาข้อจำกัด 4 ชั้นได้อย่างลงตัว
การเปรียบเทียบต้นทุน: แผงวงจรพิมพ์ 4 ชั้น กับ 6 ชั้น
ราคาที่เสนอสำหรับแผงวงจร 6 ชั้นโดยทั่วไปจะสูงกว่าแผงวงจร 4 ชั้นที่มีขนาดและน้ำหนักทองแดงเท่ากันประมาณ 1.8 ถึง 2.2 เท่า นี่คือตัวเลขที่ปรากฏในเอกสารขอใบเสนอราคา (RFQ) แต่ต้นทุนที่แท้จริงหลังจากหักค่าใช้จ่ายสำหรับการผลิตซ้ำต้นแบบ เศษวัสดุที่ปรับตามผลผลิต และค่าใช้จ่ายในการวิจัยและพัฒนา (NRE) สำหรับการตรวจสอบภาคตัดขวาง จะสูงกว่าแผงวงจร 4 ชั้นประมาณ 2.8 ถึง 3.5 เท่า โครงการผลิตในปี 2023 โครงการหนึ่งที่เสนอราคา 18 ดอลลาร์ต่อหน่วยสำหรับ 500 ชิ้น มีต้นทุนที่แท้จริงอยู่ที่ 62 ดอลลาร์ต่อหน่วยหลังจากเปลี่ยนเรซินสองครั้งและสูญเสียผลผลิต ดังนั้นควรคำนึงถึงต้นทุนที่แท้จริง ไม่ใช่ราคาที่เสนอมา
แนวทางการออกแบบ PCB 6 ชั้น
แนวปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณ
วางสายคู่ดิฟเฟอเรนเชียลความเร็วสูงไว้ในชั้นสัญญาณภายในที่อยู่ระหว่างชั้นระนาบสองชั้น การเดินสายแบบสไตรป์ไลน์ภายในให้การป้องกัน EMI ที่ดีกว่าและอิมพีแดนซ์ที่คาดการณ์ได้มากกว่าไมโครสตริปภายนอก หลีกเลี่ยงการเดินสายสัญญาณที่สำคัญในชั้นภายนอก เว้นแต่ว่าการออกแบบไม่มีตัวเลือกการเดินสายในชั้นภายใน เนื่องจากสัญญาณภายนอกแผ่รังสีได้ง่ายกว่าและมีความเสี่ยงต่อความเสียหายที่เกิดจากการประกอบมากกว่า
ใช้ทิศทางการเดินสายแบบตั้งฉากระหว่างเลเยอร์สัญญาณที่อยู่ติดกัน หาก L1 เดินสายส่วนใหญ่ในทิศทาง X L3 ควรเดินสายส่วนใหญ่ในทิศทาง Y วิธีนี้จะช่วยลดการรบกวนระหว่าง vias ที่จุดเปลี่ยนเลเยอร์ และทำให้การเดินสายแบบควบคุมอิมพีแดนซ์ทำได้ง่ายขึ้นด้วยรูปทรงของเส้นทางเดินสายที่สม่ำเสมอ
การออกแบบระนาบไฟฟ้าและพื้นดิน
ข้อดีด้านความเสถียรของกระแสไฟของแผงวงจร 6 ชั้น มาจากการเชื่อมต่อที่แน่นหนา ระหว่างระนาบ PWR และ GND เพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดโดยการทำให้ฉนวนระหว่าง L4 และ GND ที่อยู่ติดกันบางที่สุดเท่าที่จะทำได้ในกระบวนการผลิต — 4 ถึง 6 มิลลิเมตร ในการประกอบแบบมาตรฐาน วางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนไว้ภายในระยะ 200 มิลลิเมตร จากขาจ่ายไฟของไอซีแต่ละตัว โดยวางรูเชื่อมต่อกับระนาบจ่ายไฟและรูเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ให้สมมาตรกันทั้งสองด้านของตัวเก็บประจุ หลีกเลี่ยงการเดินสายสัญญาณผ่านรอยแยกในระนาบจ่ายไฟ — กระแสไฟกลับต้องไหลผ่านรอยแยก ทำให้เกิดวงจรที่แผ่รังสี
การควบคุมอิมพีแดนซ์ในแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
การควบคุมอิมพีแดนซ์ในแผงวงจร 6 ชั้นขึ้นอยู่กับความหนาของฉนวนระหว่างชั้นสัญญาณและระนาบอ้างอิงที่ใกล้ที่สุด ความกว้างของลายวงจร และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ ชั้นสไตรป์ไลน์ด้านในมีความคลาดเคลื่อนของอิมพีแดนซ์ที่แคบกว่าชั้นไมโครสไตรป์ด้านนอก เนื่องจากได้รับการป้องกันจากผลกระทบของพื้นผิว และความแปรผันของการเคลือบมีความสม่ำเสมอกว่าในส่วนกลางของโครงสร้าง
เกร็ดความรู้จากผู้เชี่ยวชาญ: การเปลี่ยนแปลงความหนาของพรีเพรกเพียง 0.5 มิลลิเมตร ซึ่งอยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อนของกระบวนการผลิตทั่วไป จะทำให้ความต้านทานของสายส่งสัญญาณ (stripline trace) ที่มีค่า 50 โอห์ม เปลี่ยนไปเป็น 58 โอห์ม ที่ความเร็ว 8 กิกะบิตต่อวินาที ความต้านทานนี้จะทำให้มองไม่เห็นเส้นทางส่งสัญญาณ ดังนั้นควรตรวจสอบข้อมูลจากการทดสอบความต้านทานในชิ้นงานตัวอย่างแรกเสมอ ไม่ใช่แค่จากข้อกำหนดของโครงสร้างชั้นวัสดุเท่านั้น
การกำหนดค่าอิมพีแดนซ์แบบควบคุมไม่ใช่ข้อกำหนดที่ถูกต้องเสมอไป ตัวอย่างเช่น การออกแบบอุปกรณ์ทางการแพทย์ในปี 2024 ใช้ USB 3.2 Gen1 ที่ความเร็ว 5 Gbps บนเส้นทางเดินสัญญาณที่มีความยาวน้อยกว่า 40 มม. โดยมีการเปลี่ยนผ่านเพียงสองชั้น หากระบุค่าอิมพีแดนซ์แบบควบคุม จะทำให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้น 38% ระยะเวลารอคอยนานขึ้น 3 สัปดาห์ และทำให้ต้องใช้แผ่นวงจรที่หนาขึ้นซึ่งขัดกับข้อกำหนดของตัวเครื่อง แผ่นวงจรดังกล่าวถูกสร้างขึ้นบนโครงสร้างมาตรฐานที่มีระยะห่างระหว่างเส้นทางเดินสัญญาณ 7/7 มิลลิเมตร ใช้ตัวต้านทานหน่วงแบบอนุกรม และความยาวที่ตรงกัน 5 มิลลิเมตร และผ่านการทดสอบ EMC และการตรวจสอบการทำงานในครั้งแรก การระบุค่าอิมพีแดนซ์แบบควบคุมนั้นจำเป็นสำหรับความเร็วมากกว่า 10 Gbps เส้นทางเดินสัญญาณที่ยาวเกิน 150 มม. และเส้นทาง BGA แบบหลายการเปลี่ยนผ่าน แต่ไม่ใช่สำหรับทุกคู่สัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล
ชนิดของรูเชื่อมต่อที่ใช้ในแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
• รูทะลุชุบโลหะ: วิธีมาตรฐานคือการเชื่อมต่อทั้งหกชั้นเข้าด้วยกัน ต้นทุนต่ำ หาได้ง่ายทั่วไป การเจาะรูเพิ่มใต้ชั้นสุดท้ายที่ใช้จะทำให้เกิดการสั่นพ้องที่ความถี่สูงกว่า 3 GHz — หากเรื่องนี้สำคัญ ให้ใช้วิธีการเจาะรูจากด้านหลัง (back-drilling)
• จุดแวะตาบอด: เชื่อมต่อเฉพาะชั้นนอกกับชั้นในเท่านั้น กำจัดส่วนที่ยื่นออกมา (via stub) จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อ BGA ที่มีระยะห่างแคบในแผงวงจรที่มีความหนาแน่นสูง เพิ่มต้นทุนการผลิต 25–40%
• Vias ที่ฝังอยู่: เชื่อมต่อเฉพาะชั้นภายในเท่านั้น มองไม่เห็นจากพื้นผิวของแผงวงจร ใช้ในการออกแบบ HDI ที่มีความหนาแน่นสูงมาก เพิ่มต้นทุนอย่างมาก ต้องใช้การเคลือบแบบเรียงลำดับ
• Via-in-Pad: รูเจาะทะลุแผ่นรอง SMD โดยตรง ช่วยให้สามารถใช้ระยะห่างระหว่างขา BGA ที่แคบที่สุดได้ ต้องเติมและปิดรูเพื่อป้องกันการไหลของตะกั่วระหว่างการหลอม เป็นมาตรฐานสำหรับขา BGA 0.5 มม.
ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ EMI และ EMC
กลไกหลักของการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในแผงวงจรดิจิทัล 6 ชั้น คือ วงจรวนซ้ำที่เกิดขึ้นระหว่างเส้นทางสัญญาณและเส้นทางกระแสไหลกลับบนระนาบที่อยู่ติดกัน ลดวงจรวนซ้ำนี้โดยการไม่วางเส้นทางสัญญาณข้ามรอยแยกของระนาบหรือข้ามช่องว่างในระนาบอ้างอิง ใช้การเชื่อมต่อผ่านรู (via stitching) — รูต่อลงดินที่วางไว้เป็นระยะๆ รอบขอบแผงวงจรและระหว่างบริเวณสัญญาณ — เพื่อสร้างเส้นทางไหลกลับที่มีความต้านทานต่ำที่จุดเปลี่ยนผ่านของชั้น วางรูเชื่อมต่อภายในระยะ 200 มิลจากรูสัญญาณทุกรูบนเน็ตความเร็วสูง
การจัดการความร้อนในการออกแบบ PCB 6 ชั้น
วาง vias ระบายความร้อนในรูปแบบตารางใต้แผ่นสัมผัสของชิ้นส่วนที่เปิดโล่ง โดยเชื่อมต่อแผ่นสัมผัสด้านบนเข้ากับระนาบ GND ด้านในโดยตรง ตาราง vias ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.3 มม. ที่ระยะห่าง 0.6 มม. ช่วยกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพไปยังมวลทองแดงด้านใน สำหรับส่วนที่มีกำลังสูง ระนาบ PWR และ GND ด้านในทำหน้าที่เป็นตัวกระจายความร้อนที่ช่วยกระจายภาระความร้อนก่อนที่จะถึงขอบ PCB หรือฮีทซิงค์ภายนอก
กระบวนการผลิต PCB 6 ชั้น
ขั้นตอนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น: วิธีการผลิตแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
• ขั้นตอนที่ 1 — การเตรียมความพร้อมจากภายใน: แผ่นรองพื้นแกนกลางทั้งสองแผ่นถูกเคลือบด้วยฟอยล์ทองแดง ฉายแสงตามแบบวงจรด้วยกระบวนการโฟโตลิโทกราฟี และกัดเซาะเพื่อเหลือไว้เฉพาะร่องรอยและระนาบทองแดงที่ออกแบบไว้เท่านั้น
• ขั้นตอนที่ 2 — การบำบัดด้วยออกไซด์: พื้นผิวทองแดงด้านในได้รับการบำบัดทางเคมีเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะระหว่างทองแดงและวัสดุพรีเพรกในระหว่างกระบวนการเคลือบ
• ขั้นตอนที่ 3 — การเคลือบ: วัสดุทุกชั้น ทั้งแกนกลาง แผ่นพรีเพรก และแผ่นฟอยล์ทองแดงด้านนอก จะถูกวางซ้อนกันอย่างแม่นยำและอัดด้วยความร้อนและแรงดันจนกระทั่งเรซินพรีเพรกไหลและแข็งตัว
• ขั้นตอนที่ 4 — การเจาะ: การเจาะด้วยเครื่องจักรกลจะสร้างรูทะลุสำหรับ PTH vias และรูสำหรับชิ้นส่วนต่างๆ การเจาะด้วยเลเซอร์จะสร้างไมโครเวียแบบปิดสำหรับงานออกแบบ HDI ความแม่นยำของตำแหน่งเวียในขั้นตอนนี้เป็นตัวกำหนดคุณภาพการจัดเรียงชั้นต่อชั้น
• ขั้นตอนที่ 5 — การชุบทองแดง: รูที่เจาะจะถูกชุบด้วยทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้า ตามด้วยทองแดงแบบใช้ไฟฟ้าเพื่อเพิ่มความหนาของผนังรู
• ขั้นตอนที่ 6 — การกัดเซาะชั้นนอก: แผ่นฟอยล์ทองแดงด้านนอกถูกขึ้นรูปและกัดเซาะเพื่อสร้างลายวงจร L1 และ L6, แผ่นรอง และระนาบต่างๆ
• ขั้นตอนที่ 7 — การทาวัสดุเคลือบป้องกันการบัดกรี: มีการใช้สารเคลือบป้องกันการบัดกรีชนิดเหลวที่สามารถสร้างภาพด้วยแสง นำมาฉายแสง และล้างภาพ เพื่อปิดบังลายวงจรในขณะที่ปล่อยให้แผ่นโลหะสัมผัสกัน
• ขั้นตอนที่ 8 — การตกแต่งพื้นผิว: ขั้นตอนสุดท้ายคือการเคลือบผิวแผ่นทองแดงที่เปิดโล่ง
• ขั้นตอนที่ 9 — การทดสอบและการตรวจสอบ: การทดสอบความต่อเนื่องทางไฟฟ้าและการแยกฉนวน AOI การวิเคราะห์ภาคตัดขวาง การตรวจสอบอิมพีแดนซ์บนชิ้นส่วนทดสอบ
ปัญหาความคลาดเคลื่อนในการลงทะเบียน — เหตุใดจึงสำคัญกว่าเอกสารข้อมูลจำเพาะ
โรงงานผลิตแผงวงจรพิมพ์ระดับกลางโดยทั่วไปจะรักษาความคลาดเคลื่อนของการจัดเรียงชั้นต่อชั้นไว้ที่ ±0.075–0.1 มม. สำหรับแผงวงจร 6 ชั้น เทียบกับ ±0.05 มม. สำหรับแผงวงจร 4 ชั้น ที่ขนาดของรูเชื่อมต่อ (via) 0.15 มม. ความคลาดเคลื่อนนี้อาจทำให้วงแหวนรอบรูเชื่อมต่อเข้าใกล้ขอบเขตการปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC Class 2 ขั้นต่ำ แผงวงจรที่ผ่านการทดสอบทางไฟฟ้าด้วยหัววัดแบบเคลื่อนที่ได้ (flying-probe electrical tests) อาจยังมีรูเชื่อมต่อที่อ่อนแอทางโครงสร้างและเสียหายได้ภายใต้ความเครียดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในภาคสนาม นี่คือปัญหาผลผลิตที่ซ่อนอยู่ซึ่งจะไม่ปรากฏให้เห็นจนกว่าจะถึงขั้นตอนการผลิตจำนวนมาก
ตัวเลือกการตกแต่งพื้นผิว
| พื้นผิว | แอปพลิเคชั่นที่ดีที่สุด | การพิจารณาที่สำคัญ |
| อีนิก | การเชื่อมต่อสายไฟ BGA ระยะห่างละเอียด | เสี่ยงต่อการเกิดคราบดำหากไม่ควบคุมความหนาของชั้น Ni/Au |
| HASL ปราศจากสารตะกั่ว | คำนึงถึงต้นทุน เน้นการติดตั้งแบบทะลุรูเป็นหลัก | พื้นผิวไม่เรียบบน SMD ระยะห่าง <0.5 มม. |
| OSP | SMD ปริมาณมาก, การหลอมละลายครั้งเดียว | อายุการใช้งานน้อยกว่า 12 เดือน ไม่เหมาะสำหรับการนำไปดัดแปลงแก้ไข |
| เงินแช่ | การใช้งานคลื่นความถี่สูง (>10 GHz) | ไวต่อการหมองคล้ำ ต้องเก็บรักษาอย่างระมัดระวัง |
| ดีบุกแช่ | การใช้งานตัวเชื่อมต่อแบบกดพอดี | ความเสี่ยงจากหนวดดีบุกหากไม่ได้ระบุอย่างถูกต้อง |
การทดสอบและการตรวจสอบคุณภาพ
การตรวจสอบด้วยระบบแสงอัตโนมัติ (Automated Optical Inspection) จะสแกนทั้งหกชั้นหลังการกัดและประกอบชิ้นส่วน เพื่อหาจุดขาด จุดลัดวงจร และส่วนประกอบที่ขาดหายไป การทดสอบด้วยหัววัดไฟฟ้าแบบเคลื่อนที่ได้ (Electrical flying-probe) หรือแบบแผ่นตะปู (bed-of-nails) จะตรวจสอบความต่อเนื่องและการแยกตัวของวงจรทุกเส้น สำหรับการออกแบบที่มีอิมพีแดนซ์ควบคุม จะทำการตัดชิ้นส่วนทดสอบที่วางไว้รอบขอบแผง และวัดด้วยเครื่อง TDR เพื่อตรวจสอบอิมพีแดนซ์ที่สร้างขึ้นจริงเทียบกับข้อกำหนด การวิเคราะห์หน้าตัดจะดำเนินการกับแผงตัวอย่างจากแต่ละล็อตเพื่อวัดความหนาของฉนวน ความสม่ำเสมอของการชุบทองแดง และความแม่นยำในการจัดตำแหน่งของรูเชื่อมต่อ (via)
ปัจจัยต้นทุนของแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
อะไรเป็นปัจจัยกำหนดราคาของแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น?
ราคาต่อหน่วยที่เสนอขึ้นอยู่กับขนาดของแผงวงจร น้ำหนักของทองแดง การเลือกวัสดุ ความซับซ้อนของรูพรุน การตกแต่งพื้นผิว และปริมาณการสั่งซื้อ ตัวแปรเหล่านี้ทั้งหมดปรากฏอยู่ในเอกสารขอใบเสนอราคา (RFQ) ส่วนตัวแปรที่ไม่ปรากฏให้เห็น และเป็นตัวกำหนดต้นทุนโครงการโดยรวม คือ ผลผลิต ความน่าจะเป็นของการผลิตซ้ำ และค่าใช้จ่ายในการตรวจสอบกระบวนการผลิต (NRE)
| ตัวขับเคลื่อนต้นทุน | ผลกระทบจากราคาที่เสนอ | ผลกระทบจากต้นทุนแฝง / ต้นทุนที่ต้องจ่ายจริง |
| ขนาดบอร์ด | ราคาโดยตรง — ราคาต่อพื้นที่แผงโซลาร์เซลล์ | ต่ำ — คาดการณ์ได้ |
| วัสดุ | เพิ่มขึ้น 2-5 เท่าสำหรับผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทาง | ปานกลาง — ระยะเวลานำส่งสินค้าเฉพาะทางอาจนานขึ้น |
| ผ่านประเภท | +25–40% สำหรับรูที่มองไม่เห็น | ปานกลาง — ชดเชยด้วยการประหยัดค่าใช้จ่ายด้านความหนาแน่น |
| ผิว | +$0.50–2.00/หน่วย สำหรับ ENIG | ต่ำ — คาดการณ์ได้ |
| ปริมาณการสั่งซื้อ | ส่วนลดปริมาณมาตรฐาน | ต่ำ — คาดการณ์ได้ |
| ความคลาดเคลื่อนในการลงทะเบียนเลเยอร์ | ไม่ปรากฏในเอกสารขอใบเสนอราคา (RFQ) | สูง — ส่งผลให้ผลผลิตลดลงเมื่อซื้อในปริมาณมาก |
| การเปลี่ยนแปลงความหนาของฉนวน | ไม่ปรากฏในเอกสารขอใบเสนอราคา (RFQ) | สูง — ขับเคลื่อนการหมุนซ้ำของ SI |
| คูปองค่าความต้านทาน NRE | บางครั้งมีการอ้างถึง แต่บ่อยครั้งที่ไม่มีการอ้างถึง | สูง — เพิ่มเข้ามาโดยไม่แจ้งให้ทราบในลำดับที่ 2-3 |
| การตรวจสอบภาคตัดขวาง | บางครั้งมีการอ้างถึง แต่บ่อยครั้งที่ไม่มีการอ้างถึง | สูง — จำเป็นต้องทำหลังจากเกิดเหตุการณ์ผลผลิตตกต่ำทุกครั้ง |
ตัวคูณต้นทุนที่แท้จริง — สิ่งที่ฝ่ายจัดซื้อควรรู้
อัตราส่วนในโลกแห่งความเป็นจริงจากการติดตามการผลิต: แผงวงจร 6 ชั้นที่ราคาประมาณ 1.8 ถึง 2.2 เท่าของแผงวงจร 4 ชั้นที่เทียบเท่ากันนั้น เมื่อรวมการสูญเสียผลผลิต ค่าใช้จ่ายในการปรับปรุงกระบวนการผลิต และค่าใช้จ่ายในการตรวจสอบกระบวนการแล้ว จะมีราคาเพิ่มขึ้นเป็น 2.8 ถึง 3.5 เท่า ผลผลิตรอบแรกในโรงงานผลิตชิปขนาดกลางในเอเชียสำหรับการผลิตแผงวงจร 6 ชั้นมาตรฐานอยู่ที่ 70 ถึง 85 เปอร์เซ็นต์ เทียบกับ 95 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไปสำหรับแผงวงจร 4 ชั้น ความแตกต่างของอัตราของเสียเพียงอย่างเดียวก็เพิ่มต้นทุนต่อหน่วยที่แท้จริงในปริมาณมากถึง 10 ถึง 25 เปอร์เซ็นต์แล้ว
วิธีลดต้นทุนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้นโดยไม่ลดทอนคุณภาพ
• กำหนดมาตรฐานการจัดเรียงชิ้นส่วนของคุณ: ใช้โครงสร้าง 6 ชั้นมาตรฐานของโรงงานในกรณีที่ข้อกำหนดด้านสัญญาณของคุณอนุญาต โครงสร้างแบบกำหนดเองจะเพิ่มต้นทุนการตั้งค่าและยืดระยะเวลานำส่ง
• เลือกขนาดให้พอดีกับรูปร่างของคุณ: การออกแบบโดยใช้รูเจาะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2 มม. หรือสูงกว่า จะช่วยหลีกเลี่ยงการเจาะรูที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำมาก ซึ่งเป็นสาเหตุของการสูญเสียผลผลิตและต้นทุนที่สูงขึ้น
• การเรียกใช้ฟังก์ชันความต้านทานที่ควบคุมได้สำรอง: ใช้เฉพาะกับชั้นและเน็ตที่จำเป็นจริงๆ เท่านั้น การกำหนดค่าความต้านทานควบคุมในทุกชั้นจะเพิ่มต้นทุนการผลิตและระยะเวลารอคอยโดยไม่เกิดประโยชน์กับเน็ตความเร็วต่ำ
• ดำเนินการทดสอบความถูกต้องก่อนการผลิต: ควรทดสอบการผลิตแผงวงจรขนาดเต็มจำนวน 50 ถึง 100 แผ่นก่อนตัดสินใจสั่งซื้อในปริมาณมาก ต้นทุนในการทดสอบการผลิตนั้นต่ำกว่าต้นทุนของสินค้าเสียหาย 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ในการสั่งซื้อครั้งแรกเสมอ
การใช้งานแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
ต้นทุนที่สูงขึ้นของแผงวงจร 6 ชั้นนั้นสมเหตุสมผลเมื่อข้อกำหนดทางไฟฟ้าไม่สามารถตอบสนองได้ด้วยแผงวงจรที่มีจำนวนชั้นน้อยกว่านั้น แอปพลิเคชันที่เข้าข่ายนี้มักมีลักษณะร่วมกันคือ อินเทอร์เฟซอนุกรมความเร็วสูงหลายตัว โดเมนสัญญาณผสมที่ต้องการการแยกทางกายภาพ หรือความหนาแน่นของส่วนประกอบที่ทำให้การเดินสายในแผงวงจร 4 ชั้นเป็นไปไม่ได้หากไม่ประนีประนอมกับ vias ซึ่งจะทำให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณเสียหาย
• ฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ความเร็วสูงและเซิร์ฟเวอร์: อินเทอร์เฟซ PCIe Gen3/4, DDR4/5, 25G Ethernet ที่การควบคุมอิมพีแดนซ์และความต่อเนื่องของระนาบในทุกจุดเชื่อมต่อเป็นสิ่งจำเป็น ไม่ใช่ทางเลือก
• อุปกรณ์สื่อสาร: เราเตอร์ สวิตช์ และโมดูลสถานีฐานแบบหลายพอร์ต ที่ซึ่งลิงก์อนุกรมความเร็วสูงทำงานร่วมกับการจัดการพลังงานแบบอนาล็อกและส่วนหน้า RF บนแผงวงจรเดียว
• อุปกรณ์วินิจฉัยทางการแพทย์: วงจรแอนะล็อกฟรอนท์เอนด์จำเป็นต้องแยกออกจากโดเมนการประมวลผลดิจิทัล โดยมีคู่ระนาบเฉพาะสำหรับแต่ละโดเมนสัญญาณเพื่อป้องกันการรบกวนจากสัญญาณสวิตช์
• ระบบช่วยเหลือการขับขี่ขั้นสูง (ADAS) และระบบสาระบันเทิงในรถยนต์: อินเทอร์เฟซวิดีโอความเร็วสูง, CAN/LIN และ RF สามารถทำงานร่วมกันได้บนบอร์ดเดียว โดยมีข้อกำหนดด้าน EMC ที่เข้มงวดและช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง
• ระบบควบคุมอุตสาหกรรม: การออกแบบวงจรแรงดันผสมที่มีช่องวัดแบบอนาล็อกแยกอิสระ เอาต์พุต PWM กระแสสูง และอินเทอร์เฟซการสื่อสารบนแผงวงจรเดียว
• การบินและอวกาศและการป้องกัน: การใช้งานที่ต้นทุนที่สูงขึ้นเป็นปัจจัยรองเมื่อเทียบกับความสมบูรณ์ของสัญญาณ ความน่าเชื่อถือทางความร้อน และอายุการใช้งานที่ยาวนาน
แผ่นวงจรพิมพ์ 6 ชั้นไม่ใช่แค่แผ่นวงจรพิมพ์ 4 ชั้นที่มีพื้นที่สำหรับเดินสายมากขึ้นเท่านั้น มันเป็นสถาปัตยกรรมทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน โดยมีข้อจำกัดเฉพาะเจาะจงเกี่ยวกับโครงสร้างชั้น การจัดการกระแสย้อนกลับ การควบคุมอิมพีแดนซ์ และคุณภาพของกระบวนการผลิต การตัดสินใจที่เกิดขึ้นก่อนที่จะเดินสายแม้แต่เส้นเดียว ไม่ว่าจะเป็นการกำหนดค่าโครงสร้างชั้น วัสดุฉนวน กลยุทธ์การใช้ vias และการเลือกผู้ผลิต จะเป็นตัวกำหนดว่าการออกแบบจะประสบความสำเร็จตั้งแต่ครั้งแรกหรือกลายเป็นบทเรียนราคาแพง
ต้นทุนที่แท้จริงของแผงวงจร 6 ชั้น ไม่ใช่ราคาต่อหน่วยที่ระบุในใบเสนอราคา แต่เป็นผลรวมของราคาที่เสนอ ต้นทุนการผลิตซ้ำที่คาดการณ์ไว้ อัตราของเสียที่ปรับตามผลผลิต และต้นทุนการพัฒนาเทคโนโลยี (NRE) สำหรับการตรวจสอบกระบวนการผลิต ซึ่งจะปรากฏขึ้นเมื่อมีการสั่งซื้อครั้งที่สองเท่านั้น ควรตั้งงบประมาณไว้ที่ 2.8 ถึง 3.5 เท่าของแผงวงจร 4 ชั้นเทียบเท่าเป็นจำนวนที่วางแผนไว้ และตรวจสอบความสามารถของกระบวนการผลิตของผู้ขายด้วยข้อมูลจริงก่อนที่จะตัดสินใจสั่งซื้อในปริมาณมาก
แผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น เหมาะสำหรับโครงการของคุณหรือไม่?
| ข้อกำหนดสัญญาณ | ข้อจำกัดการซ้อน | แนะนำ |
| <50 MHz ความหนาแน่นปานกลาง | ไม่จำเป็นต้องใช้ระนาบอ้างอิงความเร็วสูง | คงไว้ซึ่ง 4 เลเยอร์ ปรับเลย์เอาต์ให้เหมาะสมก่อน |
| 500 MHz–5 Gbps, BGA, สัญญาณผสม | จำเป็นต้องมีคู่ระนาบอิสระต่อโดเมน | 6 ชั้น — ใช้โครงสร้างแบบสมมาตร 3 แกน |
| >5 Gbps SerDes, แบ็คเพลน | การควบคุมอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำ วัสดุที่มีการสูญเสียต่ำ | อย่างน้อย 6 ชั้น — ควรพิจารณาใช้ฉนวนไฟฟ้าชนิดพิเศษ |
| การทำงานร่วมกันของคลื่นวิทยุและดิจิทัล | จำเป็นต้องมีโดเมน GND ที่แยกออกจากกัน | 6 ชั้น — คู่ระนาบอนาล็อก/RF เฉพาะ |
คู่มืออ้างอิงฉบับย่อ: หมายเลขสำคัญ
| เมตริก | ความคุ้มค่า |
| ตัวคูณราคาที่เสนอเทียบกับ 4 ชั้น | 1.8x–2.2x |
| ตัวคูณต้นทุนที่ดินจริง | 2.8x–3.5x |
| ผลผลิตรอบแรก — การผลิตระดับกลาง 6 ชั้น | % 70-85 |
| ผลผลิตรอบแรก — การผลิตระดับกลาง 4 ชั้น | % 95 + |
| ค่าความคลาดเคลื่อนในการจัดเรียงชั้น — มาตรฐาน 6 ชั้น | ±0.075–0.1 มม. |
| ความแปรผันของความหนาของฉนวน — ทั่วไป | ±0.8 มิลลิเมตร |
| ระยะห่างขั้นต่ำของร่องรอยโดยทั่วไป — กระบวนการผลิต 6 ชั้นมาตรฐาน | 3–4 ล้าน / 3–4 ล้าน |
| PCIe Gen2 รุ่นปรับปรุงใหม่ (โครงการจริง ปี 2022) | 13,000 ดอลลาร์ + ใบอนุญาต 18 วัน |
| อุปกรณ์ทางการแพทย์: ความต้านทานที่ควบคุมได้เทียบกับต้นทุนมาตรฐาน | 11.40 ดอลลาร์ เทียบกับ 8.25 ดอลลาร์/แผ่น + ล่าช้า 3 สัปดาห์ |
| เกณฑ์คู่ความเร็วสูงสำหรับการพิจารณา 6 ชั้น | >8–10 คู่ดิฟเฟอเรนเชียล >อัตราขอบ 500 MHz |
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น
ความหนามาตรฐานของแผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้นคือเท่าไร?
ความหนามาตรฐานที่พบได้ทั่วไปคือ 1.6 มม. ซึ่งโรงงานผลิตเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้เป็นค่าเริ่มต้นสำหรับการสร้างแผงวงจร 6 ชั้น ความหนา 1.0 มม. และ 1.2 มม. มีให้เลือกใช้สำหรับงานที่มีพื้นที่จำกัด แต่ต้องตรวจสอบการจัดเรียงชั้นวัสดุเป็นพิเศษ ความหนา 2.0 มม. ใช้ในแผงวงจรหลักและงานที่ต้องการกำลังไฟสูง โปรดตรวจสอบข้อจำกัดของตัวเครื่องก่อนระบุความหนา — การกำหนดค่าความต้านทานที่ควบคุมได้อาจทำให้ต้องใช้แผงวงจรที่หนากว่าค่าเริ่มต้น
การจัดเรียงชั้นวัสดุแบบใดเหมาะสมที่สุดสำหรับสัญญาณความเร็วสูง?
โครงสร้างแบบสมมาตร 3 แกนที่มีการจัดเรียง SIG / GND / SIG / PWR / SIG / GND ทำให้แต่ละชั้นสัญญาณมีระนาบอ้างอิงโดยตรง ควรวางคู่สายสัญญาณความเร็วสูงที่สำคัญที่สุดไว้ในชั้น L3 เพื่อการป้องกัน EMI ที่ดีที่สุดและค่าอิมพีแดนซ์ที่คาดการณ์ได้แม่นยำที่สุด หลีกเลี่ยงการจัดเรียงชั้นสัญญาณใดๆ ที่วางชั้นสัญญาณสองชั้นไว้ติดกันโดยตรงโดยไม่มีระนาบคั่นกลาง
แผงวงจรพิมพ์ 6 ชั้น ราคาเท่าไหร่?
ราคาต่อหน่วยที่เสนอโดยทั่วไปจะสูงกว่าราคาแผงวงจร 4 ชั้นที่เทียบเท่ากันประมาณ 1.8 ถึง 2.2 เท่า ต้นทุนที่แท้จริง (รวมถึงการผลิตต้นแบบซ้ำ เศษวัสดุที่ปรับตามผลผลิต และค่าใช้จ่ายในการตรวจสอบกระบวนการ) จะสูงกว่าราคาแผงวงจร 4 ชั้นที่เทียบเท่ากันประมาณ 2.8 ถึง 3.5 เท่า โครงการที่เสนอราคาไว้ที่ 18 ดอลลาร์ต่อหน่วย สุดท้ายแล้วต้นทุนต่อหน่วยจะอยู่ที่ 62 ดอลลาร์หลังจากปรับตามผลผลิตและใช้เรซินสองชนิด ควรตั้งงบประมาณโดยคำนึงถึงตัวคูณต้นทุนที่แท้จริง ไม่ใช่ราคาที่เสนอ
เมื่อใดจึงจำเป็นต้องใช้ค่าความต้านทานควบคุมบนแผงวงจร 6 ชั้น?
การควบคุมอิมพีแดนซ์มีความจำเป็นสำหรับสัญญาณที่มีความเร็วสูงกว่าประมาณ 1 Gbps และมีความยาวของเส้นทางสัญญาณมากกว่า 100 ถึง 150 มม. หรือสำหรับอินเทอร์เฟซมัลติกิกะบิตใดๆ ที่มีการเดินสายสัญญาณแบบ BGA escape routing ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนผ่านหลายชั้น อย่างไรก็ตาม ไม่จำเป็นเสมอไปสำหรับเส้นทางสัญญาณสั้นๆ ที่ความเร็วปานกลาง — การออกแบบ USB 3.2 Gen1 ที่มีเส้นทางสัญญาณต่ำกว่า 40 มม. สามารถตรวจสอบความถูกต้องได้ด้วยการวัด TDR บนบอร์ดต้นแบบ และอาจผ่านการตรวจสอบโดยไม่ต้องระบุค่าอิมพีแดนซ์อย่างเป็นทางการ ซึ่งจะช่วยประหยัดต้นทุนการผลิตและระยะเวลารอคอย
คำถามที่สำคัญที่สุดที่ควรสอบถามผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ก่อนสั่งซื้อแผงวงจร 6 ชั้น คืออะไร?
ขอให้ระบุค่าความคลาดเคลื่อนในการจัดเรียงชั้นต่อชั้นและค่าความคลาดเคลื่อนของความหนาของฉนวนไฟฟ้าสำหรับการผลิตแผงโซลาร์เซลล์มาตรฐาน 6 ชั้น โดยมีข้อมูลภาคตัดขวางจากแผงโซลาร์เซลล์ที่คล้ายกันที่ผลิตเมื่อเร็วๆ นี้ประกอบ หากผู้ขายรายใดตอบโดยใช้มาตรฐาน IPC แทนที่จะเป็นตัวเลขจริง แสดงว่าระบบควบคุมกระบวนการผลิตของผู้ขายรายนั้นไม่น่าเชื่อถือ และขาดการตรวจสอบความถูกต้องจากหน่วยงานอิสระ
ฉันสามารถแปลงดีไซน์ 4 เลเยอร์ของฉันเป็น 6 เลเยอร์ได้หรือไม่?
ใช่ แต่การแปลงไม่ควรเป็นไปในเชิงกลไก การเพิ่มเลเยอร์สองชั้นลงในเลย์เอาต์ 4 เลเยอร์ที่มีอยู่โดยไม่พิจารณาโครงสร้างชั้นซ้อน การกำหนดระนาบอ้างอิง และการกระจายพลังงานใหม่ จะไม่ช่วยแก้ปัญหาความสมบูรณ์ของสัญญาณ และอาจสร้างปัญหาใหม่ขึ้นมาได้ ควรพิจารณาการเปลี่ยนไปใช้ 6 เลเยอร์เป็นการปรับโครงสร้างใหม่ ไม่ใช่การปรับขนาดบอร์ด
ซอฟต์แวร์ใดเหมาะสมที่สุดสำหรับการออกแบบ PCB 6 ชั้น?
Altium Designer, Cadence Allegro และ KiCad 7+ รองรับการออกแบบ 6 เลเยอร์ด้วยกฎการออกแบบอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมได้ และการเดินสายความเร็วสูงแบบโต้ตอบ สำหรับการออกแบบ 6 เลเยอร์ที่มีข้อกำหนด SI นั้น ตัวแก้ไขสแต็กอัพและเครื่องคำนวณอิมพีแดนซ์ในเครื่องมือออกแบบเลย์เอาต์จะต้องได้รับการกำหนดค่าด้วยข้อมูลสแต็กอัพจริงของโรงงาน ไม่ใช่ค่าเริ่มต้น ก่อนที่จะเดินสายสัญญาณที่สำคัญต่ออิมพีแดนซ์ใดๆ