Çoğu mühendis, baskılı devre kartına katman eklemenin sadece daha az alana daha fazla iz sıkıştırmak anlamına geldiğini düşünür. Yanlış. 2 katmanlıdan 4 katmanlı kartlara geçiş, tüm devrenizin elektriksel olarak nasıl davrandığını değiştirir. Kalkan görevi gören özel düzlemler elde edersiniz. Bu, prototipler arasındaki 20 dolarlık fiyat farkından daha önemlidir.

Standart 4 Katmanlı PCB Yapısı Nedir?

İşte size kimsenin baştan söylemediği bir şey: 4 katmanlı bir devre kartındaki katman dizilimi rastgele değildir. Bakır levhaları istediğiniz gibi üst üste dizip iyi performans bekleyemezsiniz.

Standart yapı şu sandviç desenini takip eder: 

Üst Sinyal Katmanı → Prepreg → Topraklama Düzlemi → Çekirdek → Güç Düzlemi → Prepreg → Alt Sinyal Katmanı.

Katman 1 Üst

 Birincil sinyal katmanınız. Bileşenler burada bulunur. İzler buradan geçer. Bileşen bağlantı noktalarına erişmeniz gerektiğinden, yönlendirme işlemlerinizin çoğu burada gerçekleşir.

Katman 2 İç

 Topraklama düzlemi. Bu bakır levhanın tamamı GND'ye bağlanır. Neden toprağa ayrılmış bir katman var? Çünkü yüksek frekanslı sinyallerin hemen altında sağlam bir geri dönüş yoluna ihtiyaçları vardır. Bir sinyal 1. Katmanda ilerlediğinde, geri dönüş akımı doğrudan altındaki 2. Katmanda akar. Bu, küçük bir döngü alanı oluşturarak EMI sorunlarının başlamadan önce önlenmesini sağlar.

 Mühendislerin düzlem yerine topraklama ızgarası kullanmayı denediği tasarımları görmüş olabilirsiniz. Felaket. Sinyal bütünlüğü sorunları onlara üç devre kartı revizyonuna mal oldu.

Katman 3 İç

Güç düzlemi. Genellikle tasarımınıza bağlı olarak 3.3V, 5V veya 12V olan ana VCC rayınıza bağlanır. Bu düzlem, minimum empedansla kart üzerindeki gücü dağıtır. Her entegre devrede, yönlendirme alanını dolduran kalın güç izleri olmadan kararlı bir voltaj elde edersiniz. Bazı tasarımlar bu katmanı 3.3V ve 5V gibi birden fazla voltaj arasında böler. Bölünmeler arasında uygun boşluk bırakırsanız sorunsuz çalışır.

Katman 4 Alt

 İkincil sinyal katmanı. Birinci katman dolduğunda veya BGA çıkışlarından kaçmanız gerektiğinde buradan yönlendirme yaparsınız. En alt katman ayrıca konektörleri ve test noktalarını da barındırır.

Çekirdek ortada yer alır. Bu, genellikle standart 1.6 mm'lik bir levhada 1.0 mm kalınlığında olan sert FR-4 taban malzemesidir. Prepreg katmanları ise yapıştırıcı görevi görür. Bu yarı kürlenmiş fiberglas levhalar, laminasyon işlemi sırasında ısı ve basınç altında katı bir dielektrik malzemeye dönüşerek her şeyi birbirine bağlar.

Şimdi, bazı üreticiler alternatif olarak Sinyal-Toprak-Güç-Sinyal düzenlemesini öneriyor. Teknik olarak işe yarıyor. Ancak standart Sinyal-Toprak-Güç-Sinyal yığını, her iki sinyal katmanı da referans düzlemlerinin hemen yanında yer aldığı için karma sinyal tasarımları için daha iyi performans gösteriyor. Bu, elektromanyetik döngülerinizi sıkılaştırıyor.

Bu katmanlama hakkında bir şey daha: simetri üretim için önemlidir. Tüm bakırı bir tarafa koyarsanız, lehimleme sırasında devre kartı bükülür. Tip 1 düzenlemesi, bakır dağılımını yukarıdan aşağıya doğru dengeler ve bu da montaj sırasında bükülmeyi önler. 

4 Katmanlı PCB mi, 2 Katmanlı PCB mi: Neden Yükseltme Yapmalısınız?

İki katmanlı bir devre kartı tasarlıyorsunuz. Testlerde çalışıyor. Sonra 500 adet üretiyorsunuz ve EMC testlerinden geçemiyorlar. Tanıdık geliyor mu?

Sinyal bütünlüğü

 Yüksek hızlı sinyaller 2 katmanlı devre kartlarından nefret eder. 2 katmanlı bir tasarımda 100 MHz SPI veri yolu veya USB 2.0 diferansiyel çifti çalıştırdığınızda, geri dönüş akımının verdiğiniz topraklama yolundan geri dönmesi gerekir. Genellikle bu, topraklama izleri üzerinden uzun ve dolambaçlı bir yol anlamına gelir. Bu, gürültü yayan ve parazite neden olan büyük bir döngü anteni oluşturur. 

4 katmanlı bir devre kartında, geri dönüş akımı doğrudan sinyal izinin altından, topraklama düzlemi üzerinden akar. Döngü alanı neredeyse sıfıra iner. Osiloskopta sinyal gözleri net bir şekilde açılır.

EMI Koruması

Bu iç topraklama ve güç düzlemleri kalkan görevi görür. Elektromanyetik alanları uzaya yayılmalarına izin vermek yerine katmanlar arasında hapsederler. Aynı devreleri 2 katmanlı ve 4 katmanlı kartlarda test etmelisiniz. 4 katmanlı versiyon genellikle 15-20 dB daha iyi yayılan emisyon gösterir. Bu, FCC Bölüm 15 Sınıf B sınırlarını geçme ve kalma arasındaki farktır.

Yoğunluk

İki yerine dört yönlendirme katmanı elde edersiniz. Açıkçası, bu kart boyutlarını küçültmenizi sağlar. Ancak asıl fayda, 0.5 mm aralıklı BGA veya QFN paketleri gibi yoğun bileşenlerden kurtulmaktır. 2 katmanlı bir kartta, pedler arasında yönlendirme ile sınırlısınız. 4 katmanlı bir kartta ise, via'lar açıp iç katmanlara inerek kablo karmaşasından kurtulabilirsiniz.

 80 mm × 60 mm ölçülerinde 2 katmanlı bir tasarım, genellikle 60 mm × 45 mm ölçülerinde 4 katmanlı bir yapıya sığar. Bu levha alanı azalması, binlerce levha üretilirken levha başına daha yüksek maliyeti dengeleyebilir.

Termal yönetim

Bakır, FR-4'e göre ısıyı 200 kat daha iyi iletir. Bu iç katmanlar, ısıyı voltaj regülatörünüzün veya MOSFET'inizin altında yoğunlaşmasına izin vermek yerine, devre kartının tamamına yayar. 3A veya daha fazla akım sağlayan güç kaynakları için bu önemlidir. Bazen, iç bakır bir katmana termal geçişler kullanarak soğutucuya gerek duymayabilirsiniz. Isıyı 3. katmana yönlendirerek, alüminyum yerine 12V'luk bir güç kaynağı tasarımında 1.50 dolarlık malzeme maliyetinden tasarruf ettim.

Maliyet farkı mı? Prototip miktarları, çoğu Çinli üreticiden 4 katmanlı kartlar için 2 katmanlı kartlara göre 15-30 dolar daha pahalıya geliyor. 1000'den fazla parça için üretim fiyatına kart başına belki 2-4 dolar daha ekleniyor. Bu arada, tek bir başarısız EMC testi, sadece yeniden test için 3000-5000 dolara mal oluyor. Hesabı siz yapın.

Temel Tasarım Özellikleri ve Malzeme Seçimi

FR-4, standart malzemedir. Nokta. 4 katmanlı levhaların yaklaşık %95'inde FR-4 kullanılır çünkü FR-4, özel malzemelerin maliyetinin onda biridir.

FR-4'ü farklı Tg değerleriyle listelenmiş olarak göreceksiniz: TG130, TG150, TG170. Bu, malzemenin yumuşadığı cam geçiş sıcaklığıdır. Standart TG130-140 tüketici ürünleri için uygundur. Sıcak ortamlarda veya motorların yakınında bulunan otomotiv veya endüstriyel ekipmanlar için TG170'e ihtiyacınız vardır. Yüksek Tg %15-20 daha pahalıdır, ancak 105°C yerine 130°C ortam sıcaklığında güvenilirlik sağlar.

1 GHz'in üzerindeki RF tasarımlarında Rogers malzemeleri devreye giriyor. Rogers 4350B, FR-4'ün yaklaşık 8-12 katı fiyatında. Mikroşerit antenler veya empedans açısından kritik iletim hatları için hassas dielektrik sabiti kontrolüne ihtiyaç duyduğunuzda kullanılır. 

Tahta kalınlığı

Standart kalınlık 1.6 mm'dir. Bu kalınlık, muhafazalardaki standart PCB yuvalarına uyar ve elle montaj için iyi bir mekanik sağlamlık sağlar. Giyilebilir cihazlar gibi ultra ince cihazlar için 0.8 mm, maliyet hassasiyeti olan tasarımlar için 1.0 mm veya yüksek akım güç kartları için 2.0 mm sipariş edebilirsiniz. Ancak 1.6 mm'den daha ince bir kalınlık kullanmanın, montaj sırasında kartın daha fazla esnemesine ve büyük bileşenlerdeki lehim bağlantılarının çatlamasına neden olabileceğini unutmayın.

Bakır Ağırlığı

Dış katmanlarda genellikle 1 ons bakır kullanılır. Bu, makul iz genişlikleriyle iz başına 3-4A akımı karşılar. İç güç ve topraklama düzlemlerinde de genellikle 1 ons bakır kullanılır, ancak bazı üreticiler maliyetten tasarruf etmek için iç katmanlarda varsayılan olarak 0.5 ons kullanır. Teklifinizde buna dikkat edin. 

10A ve üzeri yüksek akım gerektiren tasarımlar için 2 ons hatta 3 ons bakır sipariş edebilirsiniz, ancak bu daha pahalıya mal olur ve daha kalın bakırın ince detayları kazıması daha zor olduğundan minimum iz genişliğinizi sınırlar.

Empedans Kontrolü

İşte 4 katmanlı devre kartlarının öne çıktığı nokta burası. USB, Ethernet, HDMI veya DDR bellek için kontrollü empedansa ihtiyacınız var. Hesaplayıcı, katman geometrinize göre bir iz genişliği hesaplar. 1 ons bakır ve 10 mil dielektrik aralığına sahip 4 katmanlı bir kart üzerindeki tipik bir 50Ω mikroşerit yaklaşık 12-15 mil genişliğindedir. Üreticiler, empedans kontrolü için 50-150 dolar ekstra ücret alıyor çünkü numuneleri test etmeleri ve sonuçları onaylamaları gerekiyor.

Kontrollü empedans istiyorsanız, üretim firmanıza malzeme katman yapısı spesifikasyonunu sağlamanız gerekir. Dielektrik kalınlığını ve Er değerini belirtmeden "50 ohm'a ihtiyacım var" demek, onların tahmin yürütmesine yol açar. Çoğu zaman da yanlış tahmin ederler.

İmalat Kabiliyetleri

Tasarımınızın kalitesi, üretim tesisinin gerçekten üretebileceği şeyle doğru orantılıdır. İşte 2026 yılı itibariyle Çinli saygın üreticilerin standart 4 katmanlı üretim kapasitelerinin görünümü:

Minimum İz

 4 mil/4 mil, çoğu atölyede yüksek fiyatlandırma olmadan elde edilebilir. Bu, 0.5 mm aralıklı BGA pedleri arasında yönlendirme yapmanıza olanak tanır. 3 mil/3 mil veya hatta 2.5 mil/2.5 mil'e kadar çıkabilirsiniz, ancak ek ücretler ve daha uzun teslim süreleri bekleyin. Çoğu tasarım için 5 mil/5 mil veya 6 mil/6 mil yeterlidir ve maliyetleri düşürür.

Minimum Delik Boyutu

 Mekanik delme işlemi 0.2 mm çapa kadar yapılabilir. Daha küçük çaplar için lazer delme gerekir ki bu da via maliyetini üç katına çıkarır. Standart via'lar 0.3 mm çapında delikler ve 0.6 mm pedlerle çalışır. Bunlar ucuz ve güvenilirdir.

yüzey Cilası

 HASL en düşük maliyetli yöntemdir ancak 0.5 mm'den daha ince aralıklı bileşenler için sorunlara neden olan düzensiz bir yüzey bırakır. ENIG ise prototip maliyetlerine 15-25 dolar ekler ancak 12 aydan fazla raf ömrü için uygun, düz ve oksidasyona dayanıklı bir yüzey sağlar. 

ENIG'i QFN veya BGA'lı her şey için kullanabilirsiniz. OSP, maliyet ve raf ömrü açısından orta seviyede yer alır ve 6 ay dayanır. Daldırma Gümüşü, ENIG'e benzer performans gösterir ancak biraz daha düşük maliyetlidir ve daha hızlı kararır.

Lehim Maskesi Renkleri

 Yeşil standart ve ücretsizdir. Siyah profesyonel görünür, ancak maskenin altındaki izleri göremediğiniz için denetimi zorlaştırır. Beyaz, ışığı yansıttığı için LED panolar için harikadır. Mavi ve kırmızı, prototiplere 10-20 dolar ekleyen estetik tercihlerdir. Mat siyah, tüketici ürünleri için şu anda moda, ancak daha da pahalıdır.

Kör ve Gömülü Vialar

 Çoğu 4 katmanlı tasarım, tamamen delinmiş standart delikli via'lar kullanır. Kör via'lar veya gömülü via'lar daha yoğun tasarımlar oluşturmanıza olanak tanır, ancak maliyeti önemli ölçüde artırır. 3-5 kat daha yüksek fiyat bekleyin. 0.4 mm BGA'dan kesinlikle kaçınamadığınız sürece bunlardan kaçının.

4 Katmanlı Baskılı Devre Kartlarının Başlıca Uygulama Alanları

Modern elektronik cihazlarda 4 katmanlı devre kartlarına her yerde rastlarsınız.

Güç Kaynakları

 15W'ın üzerindeki anahtarlamalı güç kaynakları neredeyse her zaman 4 katmanlı bir yapı kullanır. Topraklama düzlemi anahtarlama gürültüsünü azaltır ve güç düzlemi yüksek akımları kalın izler olmadan dağıtır. Bir keresinde 2 katmanlı bir devre kartı üzerine 80W'lık bir LED sürücüsü tasarladık. Çalıştı, ancak o kadar çok gürültü yaydı ki müşterinin tesisindeki AM radyosuna müdahale etti.

Tüketici Elektroniği

 Akıllı ev cihazları, WiFi yönlendiriciler, Bluetooth hoparlörler ve kablosuz bağlantıya sahip her şey, FCC testlerinden geçmek için 4 katmanlı bir tasarıma ihtiyaç duyar. Anten performansı tek başına maliyeti haklı çıkarır çünkü topraklama düzleminin yerleşimi radyasyon desenlerini ve verimliliği doğrudan etkiler.

Otomotiv Kontrol Cihazları

Otomotiv elektroniği, alternatör gürültüsü, ateşleme dalgalanmaları ve motor komütasyon paraziti gibi zorlu EMI ortamlarıyla karşı karşıyadır. Uygun topraklama düzlemlerine sahip dört katmanlı devre kartları bu elektriksel fırtınaya dayanır. Ayrıca, otomotiv sıcaklık spesifikasyonları, -40°C ile +125°C arasında performans gösteren TG170 malzemesini gerektirir.

Endüstriyel Kontrol

PLCMotor sürücüleri, endüstriyel HMI'lar ve benzeri cihazlar, gürültü bağışıklığı için 4 katmanlı devre kartları kullanır. Fabrikada VFD'lerin ve kaynak makinelerinin yanına ekipman kurduğunuzda, elde edebileceğiniz tüm korumaya ihtiyacınız vardır.

LED Sürücüler

Yüksek güçlü LED sürücüler, iç bakır katmanların termal yayılımından faydalanır. 4 katmanlı bir yapıya sahip 50W'lık bir LED sürücü, ısıyı 3. katmana dağıtarak, 2 katmanlı bir yapıya kıyasla sıcak nokta sıcaklıklarını 15-20°C düşürebilir.

4 Katmanlı PCB Maliyetinizi Nasıl Düşürebilirsiniz?

Prototip fiyatlandırması insanları tedirgin ediyor. Beş adet devre kartı için 180 dolarlık fiyat teklifleri görüyorsunuz ve seri üretimin sizi iflas ettirip ettirmeyeceğini merak ediyorsunuz. Etmeyecek. Etmeyecek.

Adet

Çinli bir üreticiden beş prototip devre kartının fiyatı, boyut ve özelliklerine bağlı olarak 100-200 dolar arasında değişiyor. Ancak 100 adet kartın toplam maliyeti 300-400 dolara kadar çıkabilir. Kurulum maliyeti amortize ediliyor. 1000 adet karta ulaştığınızda, standart 100 mm × 100 mm'lik bir tasarım için kart başına 3-6 dolar civarında bir maliyetle karşı karşıya kalıyorsunuz. Üretim kararlarınızı prototip fiyat tekliflerine göre vermeyin.

Teknoloji Yoluyla

 Delikli bağlantıların maliyeti neredeyse sıfırdır. Kör veya gömülü bağlantılar ise birden fazla laminasyon döngüsü gerektirdiğinden maliyetinizi 3-5 katına çıkarır. Telefon veya ultra kompakt giyilebilir cihaz tasarlamıyorsanız, delikli bağlantıları tercih edin.

Kart Boyutu ve Panelleme

Üreticiler genellikle 18″ × 24″ gibi standart panel boyutlarında baskılı devre kartları (PCB) üretirler. Kart boyutlarınız, minimum atıkla panel başına birden fazla kopyaya izin veriyorsa, fiyat düşer. 95 mm × 95 mm'lik bir kart, iyi bir kullanım oranıyla panel başına dört adet sığar. 110 mm × 87 mm'lik bir kart ise garip bir şekilde sığar ve malzeme israfına neden olur. Bazen kartınızı 5 mm küçültmek, sadece daha iyi panel verimliliği sayesinde birim maliyetini %15 oranında düşürebilir.

Kurşun zamanı

 Çinli üreticilerden standart teslim süresi 7-10 gündür. Acil servis 2-3 kat daha pahalıdır. Bir fuara yetişmeniz gerekmiyorsa, standart teslim süresini kullanın. 

Tasarım Karmaşıklığı

 Empedans kontrolü, 5 milin altındaki ince aralıklı izler veya 2 ons ve üzeri kalın bakır kullanımı ek ücretlere neden olur. Tasarımınızı standart özelliklerle üretilebilir tutun, böylece fiyat teklifleri makul kalır.

Maliyetle ilgili bir şey daha: Kart başına 15 dolar tasarruf etmek için yüzey kalitesinden ödün vermeyin. Bir müşteri, ENIG yerine HASL kullanarak 200 kartta 200 dolar tasarruf etti. Ancak daha sonra, düzensiz yüzey nedeniyle lehimleme sırasında 0402 dirençlerinde hasar oluştuğu için kartların %30'unu yeniden işlemek için 4000 dolar harcadı. 

ÖZET

Dört katmanlı PCB'ler, iki katmanlı kartlardan daha pahalıdır ancak daha iyi sinyal bütünlüğü, EMI performansı ve yönlendirme yoğunluğu sunar. Standart katmanlama, toprak ve güç düzlemlerini dahili olarak, sinyal katmanlarını ise üst ve alt kısımlara yerleştirir. Bu yapılandırma, yüksek hızlı sinyalleri işler, EMC testlerinden geçer ve daha yoğun bileşen yerleşimine olanak tanır. Üretime başlamadan önce anında fiyat teklifi ve DFM geri bildirimi almak için Gerber dosyalarınızı yükleyin.

Hakkımızda Wonderful PCB

Wonderful PCB Endüstriyel tasarım ve elektronik mühendisliğinden 4 katmanlı PCB üretimine kadar her şeyi ele alıyoruz. Çin'de 4 katmanlı baskılı devre kartlarının üretimi ve montajı için küresel şirketlerle çalışıyoruz.

4 Katmanlı Devre Kartları Hakkında Sıkça Sorulan Sorular

Yüksek frekanslı tasarımlar için 4 katmanlı bir devre kartı kullanabilir miyim?

6 GHz'i standart FR-4 ile entegre edebilirsiniz. Bunun ötesinde, Rogers veya diğer düşük kayıplı malzemelere ihtiyacınız var. Önemli olan dielektrik sabitini kontrol etmek ve katman düzenini simetrik tutmaktır. 2.4 GHz Wi-Fi, Bluetooth veya 1 GHz altı ISM bandı tasarımları için FR-4 iyi çalışır. Ben FR-4 üzerine sorunsuz GPS alıcıları yaptım.

İç çekirdeğin standart kalınlığı nedir?

1.6 mm kalınlığında bitmiş bir devre kartı için, çekirdek genellikle 1.0 mm kalınlığındadır. İki prepreg katmanı her biri 0.3 mm ekler. Bakır kalınlığı nedeniyle yaklaşık 0.07 mm kaybedersiniz. Bu, 1. ve 2. katmanlar arasında yaklaşık 10-12 mil dielektrik kalınlık sağlar ki bu da 50Ω kontrollü empedans izleri için mükemmeldir.

4 katmanlı bir PCB için Gerber dosyalarını nasıl dışa aktarabilirim?

Her katman için ayrı Gerber dosyalarına ve ayrıca delme dosyalarına ihtiyacınız var. Üst Bakır, Topraklama Düzlemi, Güç Düzlemi, Alt Bakır, Üst Lehim Maskesi, Alt Lehim Maskesi, Üst İpek Baskı, Alt İpek Baskı ve devre kartı ana hatlarını dışa aktarın. Delikler için NC Delme dosyalarını ekleyin. KiCad, Altium ve EAGLE gibi çoğu modern CAD aracı, her şeyi doğru şekilde dışa aktaran 4 katmanlı şablonlara sahiptir. Üreticinin hangi iç katmanın topraklanmış ve hangisinin güçlendirilmiş olduğunu bilmesi gerekir. Katman 2 = GND ve Katman 3 = VCC'yi belirten bir katman düzeni çizimi veya not dosyası ekleyin.