Jednostronne vs. dwustronne vs. wielowarstwowe PCB: Wybór odpowiedniego projektu dla Twojego projektu

Płyty drukowane (PCB) są podstawą nowoczesnej elektroniki, ale nie wszystkie PCB są równe.i wielowarstwowe PCB zależy od takich czynników jak złożonośćKażdy typ ma swoje wyjątkowe zalety i ograniczenia, dzięki czemu nadaje się do różnych zastosowań, od prostych latarek LED po zaawansowane routery 5G.

W niniejszym przewodniku podzielone są kluczowe różnice między tymi trzema typami PCB, porównując ich konstrukcję, wydajność, koszty i idealne przypadki użytkowania.inżynierowie, projektanci i producenci mogą podejmować świadome decyzje, które równoważą funkcjonalność i przystępność cenową.

Kluczowe wnioski
1Jednostronne płytki PCB są najprostsze i najtańsze, z komponentami po jednej stronie, idealne do urządzeń o niskiej złożoności (np. kalkulatorów), ale ograniczone niską gęstością i kierunkiem sygnału.
2. PCB o dwóch stronach zapewniają większą elastyczność z komponentami po obu stronach i przewodami otwornymi, wspierając umiarkowaną złożoność (np. tablicę Arduino) przy średniej cenie.
3.Wielowarstwowe płytki PCB (4+ warstw) zapewniają wysoką gęstość, doskonałą integralność sygnału i zarządzanie energią, co czyni je niezbędnymi dla złożonej elektroniki (np. smartfonów,Stacje bazowe 5G) ale po wyższych kosztach.
4Wybór właściwego typu obniża koszty produkcji o 20-50%: nadmierna inżynieria z wielowarstwowym PCB dla prostego urządzenia jest stratą pieniędzy,Podstawowa konstrukcja z jednoboczną płytą dla złożonego projektu powoduje awarie wydajności.

Co definiuje PCB jednoboczne, dwuboczne i wielowarstwowe?
Podstawowa różnica między tymi typami PCB polega na liczbie warstw oraz na układzie składników i śladów.

Jednostronne PCB
a.Konstrukcja: pojedyncza warstwa przewodzącej folii miedzi przymocowanej do jednej strony podłoża izolacyjnego (zwykle FR4).z wszystkimi śladami na tej jednej warstwie.
b.Kluczowa cecha: nie są potrzebne przewody (dziury łączące warstwy), ponieważ istnieje tylko jedna warstwa przewodząca.
c. Grubość: Zazwyczaj 0,8 ∼ 1,6 mm, z 1 uncją miedzi (grubość 35 μm) na ślady.

Dwustronne PCB
a.Konstrukcja: warstwy miedzi po obu stronach podłoża, z przepustkami z otworami łączącymi górne i dolne ślady.
b.Kluczowa cecha: przewody pozwalają sygnałom ′′skakać′′ między warstwami, umożliwiając bardziej złożone trasowanie niż jednoboczne płytki PCB.
c. Grubość: 0,8 ‰ 2,4 mm, z 1 ‰ 2 oz miedzi na ślady (35 ‰ 70 μm).

PCB wielowarstwowe
a.Konstrukcja: 4 lub więcej warstw miedzi (liczby parne są standardowe), oddzielonych warstwami podłoża izolacyjnego (przedprzestrzeni i rdzenia).,Podczas gdy warstwy zewnętrzne zawierają składniki.
b. Kluczowe cechy: Ślepe przewody (połączone ze zewnętrznymi do wewnętrznych warstw) i zakopane przewody (połączone tylko zewnętrznymi warstwami) umożliwiają gęste prowadzenie bez poświęcania przestrzeni.Kontrolowane ślady impedancji obsługują sygnały dużych prędkości.
c. Grubość: 1,2 × 3,2 mm dla 4 × 16 warstw, z 1 × 3 oz miedzi (35 × 105 μm) w zależności od wymogów mocy.

Porównanie: kluczowe cechy

Zalety i ograniczenia według rodzaju
Jednostronne PCB
Zalety:
a.Niski koszt: Najprostszy proces produkcyjny (bez wiercenia lub pokrycia) zmniejsza koszty materiału i pracy o 30-50% w porównaniu z PCB dwustronnych.
b.Szybka produkcja: brak potrzeby wyrównania warstw lub przetwarzania, co pozwala na 2-5 dni realizacji prototypów.
c. Łatwa kontrola: wszystkie ślady i komponenty są widoczne z jednej strony, co ułatwia ręczne testowanie i rozwiązywanie problemów.

Ograniczenia:
a.Niska gęstość: ślady nie mogą się przekraczać bez skrócenia, co ogranicza liczbę części i złożoność konstrukcji.
b.Słaba integralność sygnału: Długie, meandrujące ślady (wymagające uniknięcia krzyżowania) powodują opóźnienie sygnału i hałas w konstrukcjach dużych prędkości.
c.Ograniczona moc obsługi: pojedyncza warstwa miedzi ogranicza przepływ prądu, co czyni je nieodpowiednimi dla urządzeń o dużej mocy.

Dwustronne PCB
Zalety:
a.Zwiększona gęstość: przewody pozwalają na przekraczanie śladów poprzez trasy na przeciwległej warstwie, obsługując 2×3x więcej komponentów niż jednoboczne płytki PCB.
b.Lepsze sterowanie sygnałem: krótsze ślady (dzięki przewodom) zmniejszają utratę sygnału, co sprawia, że nadają się do projektowania cyfrowego o niskiej prędkości (≤100MHz).
c. Równowaga oparta na efektywności kosztowej: bardziej przystępna niż w przypadku PCB wielowarstwowych, zapewniając jednocześnie większą elastyczność niż w przypadku płyt jednopartych.

Ograniczenia:
a.Wciąż ograniczona liczba warstw: skomplikowane konstrukcje (np. z ponad 100 komponentami lub sygnałami o dużej prędkości) mogą wymagać więcej warstw, aby uniknąć krzyżowego hałasu.
b. Niezawodność w przejściu: przejścia przez otwory są podatne na pęknięcia beczki w warunkach naprężenia termicznego, co jest zagrożeniem w środowiskach o wysokiej temperaturze (np. silniki samochodowe).

PCB wielowarstwowe
Zalety:
a. Wysoka gęstość: warstwy wewnętrzne i zaawansowane przewody (ślepe/pochowane) umożliwiają 5 × 10 razy więcej komponentów niż PCB z dwustronnymi ściankami, co jest kluczowe dla kompaktowych urządzeń, takich jak smartfony.
b. Wyższa integralność sygnału: kontrolowane ślady impedancji (50Ω/100Ω) i dedykowane płaszczyzny naziemne minimalizują przesłanie krzyżowe i EMI, wspierając sygnały dużych prędkości (1Gbps+).
Efektywne dystrybucja energii: oddzielne warstwy zasilania zmniejszają spadek napięcia, obsługując wysokie prądy (10A+) dla urządzeń wymagających dużej ilości energii, takich jak nadajniki 5G.
d. Wytrzymałość mechaniczna: wielokrotne warstwy podłoża sprawiają, że są bardziej sztywne i odporne na odkształcanie niż jednoboczne lub dwustronne PCB.

Ograniczenia:
a.Większe koszty: skomplikowana produkcja (przystosowanie warstw, poprzez wiercenie, laminowanie) zwiększa koszty o 2×5x w porównaniu z PCB dwustronnych.
b.Większe czasy realizacji: precyzyjna inżynieria i badania wydłużają czas produkcji do 7-14 dni w przypadku prototypów i dłużej w przypadku płyt o dużej liczbie warstw.
c.Wyzwania związane z przebudową: Wady warstwy wewnętrznej są trudne do naprawy, zwiększając wskaźniki złomu i koszty przebudowy.

Idealne zastosowania dla każdego typu PCB
Zastosowanie typu PCB do zastosowania zapewnia optymalne osiągi i efektywność kosztową.

Jednostronne PCB
Najlepiej dla urządzeń o niskiej złożoności i niskim koszcie, w których przestrzeń i wydajność nie są kluczowe:
a. Elektronika użytkowa: urządzenia sterujące zdalnie, kalkulatory, latarki LED i zabawki.
b. Czujniki przemysłowe: proste czujniki temperatury lub wilgotności z minimalnymi elementami.
c. Zasoby zasilania: podstawowe zasoby zasilania liniowego z niewieloma aktywnymi komponentami.
Przykład: PCB dla zabawki dla dzieci wykorzystuje jednoosobową konstrukcję, aby utrzymać koszty poniżej 1 USD za jednostkę, z 1015 komponentami (LED, rezystory, prosty układ międzysystemowy).

Dwustronne PCB
Przystosowane do urządzeń o umiarkowanej złożoności wymagających większej liczby komponentów i lepszego routingu niż jednoboczne PCB:
a. Systemy wbudowane: deski Arduino, Raspberry Pi Pico i podstawowe urządzenia oparte na mikrokontrolerach.
b.Akcesoria samochodowe: ładowarki samochodowe, kamery na desce rozdzielczej i odbiorniki Bluetooth.
c. Sprzęt audio: wzmacniacze słuchawek, podstawowe głośniki i radia FM.
Przykład: Arduino Uno wykorzystuje dwustronny PCB do dopasowania 50+ komponentów (port USB, regulator napięcia, szpilki GPIO) z śladami kierowanymi po obu stronach za pośrednictwem przewodów otworów.

PCB wielowarstwowe
Nieodzowne w przypadku zaawansowanej, złożonej elektroniki, gdzie gęstość, prędkość i niezawodność są kluczowe:
a.Smartfony i urządzenia do noszenia: PCB 6 ∼12 warstw składają procesory, modemy 5G i baterie w smukłe konstrukcje.
b.Infrastruktura telekomunikacyjna: stacje bazowe 5G i przełączniki w centrach danych wykorzystują 12-16 warstw PCB do nadajników fal milimetrowych o częstotliwości 28 GHz i sygnałów 100 Gbps+.
c. Urządzenia medyczne: maszyny MRI i rozruszniki serca opierają się na 4-8 warstwach PCB w celu precyzyjnego sterowania sygnałem i odporności na EMI.
d.W przemyśle lotniczym i kosmicznym: ładunki satelitarne wykorzystują PCB 812-warstwowe z podłożami o wysokim poziomie Tg, aby wytrzymać ekstremalne temperatury i promieniowanie.
Przykład: Główny PCB smartfona 5G ma 8-warstwową konstrukcję: 2 warstwy zewnętrzne dla komponentów, 2 warstwy wewnętrzne dla dystrybucji energii i 4 warstwy dla szybkiego routingu sygnału (5G, Wi-Fi 6E).

Podział kosztów: dlaczego wielowarstwowe PCB kosztują więcej
Różnica kosztów między typami PCB wynika z złożoności produkcji:

Jak wybrać właściwy rodzaj PCB
W celu wyboru optymalnego typu PCB należy zastosować następujące ramy decyzyjne:
1Ocena liczby części:
< 50 elementów: Jednostronny.
50×200 elementów: podwójne.
200 elementów: wielowarstwowe.

2Ocena prędkości sygnału:
≤ 100 MHz: jednoboczne lub dwustronne.
100MHz1Gbps: podwójnie lub czterostronnie.
1 Gbps: 4+ warstwy z kontrolowaną impedancją.

3.Zwróć uwagę na wymagania energetyczne:
< 1A: Jednostronny.
1 ̊10A: Dwuoboczne z grubą miedzią.
10A: wielowarstwowe z dedykowanymi warstwami zasilania.

4- Sprawdź ograniczenia przestrzeni:
Duże obudowy (np. skrzynie przemysłowe): jednoboczne/podwójne.
Kompaktne urządzenia (np. urządzenia noszone): wielowarstwowe.

5.Bilansowe koszty i wyniki:
Wybierz najważniejszy rodzaj: Użyj najprostszego, który spełnia wymagania.
Priorytetyzacja wydajności: Uaktualnienie do większej liczby warstw dla niezawodności.

Często zadawane pytanie
P: Czy projekt może rozpocząć się od jednobocznego PCB i skalować do wielowarstwowego?
Odpowiedź: Tak, wiele produktów ewoluuje z jednopoziomowych do podwójnych i wielowarstwowych wraz z dodaniem nowych funkcji.

P: Czy wielowarstwowe płytki PCB zawsze są lepsze dla sygnałów dużych prędkości?
A: Ogólnie rzecz biorąc, tak. Ich dedykowane płaszczyzny naziemne i kontrolowane ślady impedancji minimalizują utratę sygnału. Jednak dobrze zaprojektowane PCB dwustronne mogą obsługiwać do 1 Gbps w krótkich śladach (≤ 5 cm).

P: Jak zmniejszyć koszty przy użyciu wielowarstwowych płyt PCB?
A: Optymalizacja liczby warstw (np. stosowanie 4 warstw zamiast 6, jeśli to możliwe), ograniczenie ślepych/zakopanych przewodów do obszarów krytycznych,i używać standardowego FR4 zamiast kosztownych materiałów (chyba że jest to wymagane w przypadku wysokiej częstotliwości).

P: Czy PCB o jednej stronie mogą być zgodne z RoHS?
Odpowiedź: Tak, zgodność z RoHS zależy od materiałów (lutowanie wolne od ołowiu, podłoże wolne od halogenów), a nie liczby warstw.

P: Jaka jest maksymalna liczba warstw w PCB?
Odpowiedź: Komercyjne płytki PCB zazwyczaj mają maksymalnie 40 warstw (np. dla superkomputerów), ale większość zastosowań wykorzystuje 416 warstw.

Wniosek
Wybór między jednobokimi, dwustronnymi i wielowarstwowymi płytami PCB zależy od równowagi między złożonością, wydajnością i kosztami.Podczas gdy płyty dwustronne oferują środkowy grunt dla umiarkowanych projektówWielowarstwowe płytki PCB są wyborem dla wydajnej, gęstej elektroniki, pomimo ich wyższych kosztów.

Poprzez dostosowanie typu PCB do liczby komponentów projektu, prędkości sygnału, potrzeb energii i ograniczeń przestrzennych,można uniknąć nadmiernej inżynierii (i nadmiernych wydatków) lub niedostatecznej inżynierii (i ryzyka niepowodzenia)Ponieważ elektronika nadal kurczy się i przyspiesza, wielowarstwowe płytki PCB będą zwiększać znaczenie, ale płyty jednoboczne i dwustronne pozostaną niezbędne dla nisko skomplikowanych zastosowań o wysokich kosztach.

Ostatecznie właściwy rodzaj PCB jest tym, który spełnia wymagania projektowe bez zbędnych wydatków, zapewniając produkt zarówno funkcjonalny, jak i konkurencyjny na rynku.