Moderní elektronika se popisuje jako stále menší, rychlejší a zároveň výkonnější. Proto se návrh desek plošných spojů potýká s většími obtížemi ve srovnání s předchozími obdobími. Inženýři se při práci na hustých rozvrženích potýkají s omezeními rozteče, problémy s integritou signálu a komplikacemi s odvodem tepla. Miniaturní velikosti chytrých telefonů dělají z výkonu důležitější faktor v minimalistickém návrhu obvodů. Stává se mnohem náročnějším vyhovět všem požadovaným konstrukčním omezením v jednom rozvržení desky plošných spojů.
To vysvětluje použití čtyřvrstvého designu desek plošných spojů. Mezi očekávané výsledky patří vylepšená integrita signálu, lepší rozvod energie a lepší výkon.
Struktura 4vrstvých desek plošných spojů a běžná konfigurace stackupu
Čtyřvrstvá deska plošných spojů se skládá ze čtyř vrstev mědi s izolační vrstvou mezi jednotlivými páry. Rozdíl mezi jednovrstvou a dvouvrstvou deskou plošných spojů spočívá v tom, že čtyřvrstvá deska plošných spojů poskytuje větší efektivitu při navrhování obvodů, protože má více vrstev, což pomáhá lépe je elektricky využít.
Vnější vrstvy (horní a spodní) se obvykle používají pro komponenty a trasy, zatímco vnitřní vrstvy slouží jako napájecí a zemnící roviny. Taková konstrukce pomáhá stabilizovat napětí v systému a snižuje... elektromagnetické rušení (EMI)Takovýto návrh také umožňuje funkční oddělení směrování signálu a distribuce napájení, což zlepšuje celkovou spolehlivost návrhu.
Takové uspořádání vrstev se nazývá čtyřvrstvé vrstvení desek plošných spojů (PCB stack-up).
Kritické principy návrhu pro 4vrstvé desky plošných spojů
U čtyřvrstvého provedení by však měly být signálové stopy umístěny přímo na horní části referenční vrstvy, což znamená potřebu blízkosti mezi těmito dvěma typy vrstev. Tímto způsobem bude možné zmenšit plochu smyčky, potlačit elektromagnetické rušení (EMI) a zároveň zajistit efektivní přenos signálů.
S ohledem na umístění součástek na deskách plošných spojů je nutné zohlednit i směrování po umístění signálů. Hlavním požadavkem v této oblasti je samozřejmě zajištění vhodné rozteče, délky trasy a správné topologie směrování, aby se zabránilo přeslechům. Pro návrh vysokorychlostních signálů je však zásadní zajistit správnou regulaci impedance.
Zároveň je dalším velmi důležitým problémem návrhu desek plošných spojů, který by neměl být přehlížen, řízení teploty. Je proto důležité vhodně umístit součástky a usnadnit jejich chlazení pomocí tepelných prostupů, měděných litin a dalších metod. Kromě toho je nutné zajistit vyrobitelnost desky plošných spojů.
Klíčové výhody 4vrstvých desek plošných spojů
Další výhodou návrhu čtyřvrstvé desky plošných spojů jsou její skvělé výkonové schopnosti. V případě, že deska plošných spojů obsahuje vyhrazené napájecí a zemnící roviny, pak díky použití těchto rovin bude možné dosáhnout vyššího výkonu ve srovnání s dvouvrstvými deskami plošných spojů, protože signály vykazují lepší integritu a nižší šum v obvodu.
Kromě vysokého výkonu si čtyřvrstvá deska plošných spojů zaslouží pozornost ještě jednou vlastností – vylepšenou efektivitu směrování. Díky většímu počtu vrstev v takovém návrhu desky plošných spojů je možné zvýšit efektivitu organizace tras a vodičů. Kombinace schopnosti rychlejšího přenosu signálů s vysokou organizační efektivitou vede ke zvýšení spolehlivosti desky plošných spojů, a proto bude možné dělat méně chyb a desku snáze ladit.
Konečně existuje mnoho výhod, pokud jde o odolnost zařízení vyrobeného pomocí čtyřvrstvého vrstvení desek plošných spojů. Zaprvé, taková deska je odolnější vůči vnějším podmínkám, které ji mohou negativně ovlivnit, a zadruhé, s pomocí této technologie je možné vynalézt nové technologie zaměřené na vývoj kompaktnějších elektronických zařízení. I když se počáteční náklady na desku plošných spojů zdají poměrně vysoké, může snížit náklady na redesign a ladění u složitých návrhů.
Výrobní proces 4vrstvých desek plošných spojů
Porovnání výrobního procesu dvouvrstvá deska plošných spojů U čtyřvrstvé desky můžeme říci, že druhá zahrnuje několik dalších kroků. Znalost procesu však umožní pochopit výhody takové desky.
Nejprve je třeba uvést, že prvním krokem při výrobě čtyřvrstvé desky plošných spojů je návrh desky. Obvykle se provádí pomocí počítačem podporovaného návrhového programu, kde konstruktéři nakreslí desku plošných spojů, její uspořádání a trasování. Je nezbytné věnovat této fázi velkou pozornost, protože jakákoli chyba v návrhu ovlivňuje další práci.
Druhá fáze zahrnuje zpracování vnitřních vrstev. V případě čtyřvrstvé desky plošných spojů se jedná o zpracování napájecích a zemnících ploch. Používá se tedy měděný laminát, kde se nepotřebné části odstraňují pomocí fotolitografie a chemického leptání. Je třeba zmínit, že obě vrstvy je nutné před přechodem k další fázi testovat samostatně.
Dalším krokem je spojení vrstev. Používá se prepreg, což je druh sklolaminátu pokrytého speciální pryskyřicí. Proces se tedy provádí při vysoké teplotě a pod velkým tlakem ve vakuovém laminovacím lisu.
Poté se do vrstev provrtávají otvory, aby se mezi nimi vytvořilo spojení. Následně se desky galvanicky pokovují mědí, aby byl umožněn průchod proudu.
Když se provede výše popsaný proces, vnější vrstvy se vzorují pomocí zobrazování, pokovování mědí a leptání. Poté se nanese pájecí maska, aby se měď chránila před oxidací a zabránilo se vzniku pájecích můstků. Nakonec se na desku nanese sítotisk.
Zbývá provést testování desky. To zahrnuje elektrické testování, kdy jsou odstraněny všechny zkraty nebo problémy se spoji. Kromě toho někteří výrobci provádějí i testování impedance.
Aplikace 4 vrstev DPS
Čtyřvrstvá deska plošných spojů je ideální pro moderní vysoce výkonná elektronická zařízení, která jsou velmi kompaktní. Mezi běžné použití těchto desek plošných spojů patří mobilní telefony, notebooky, telekomunikace, průmyslové stroje, automobily, lékařské přístroje a síťová zařízení.
Mobilní telefony a tablety jsou velmi kompaktní, a proto potřebují oddělené napájecí roviny pro zajištění spolehlivé vysokorychlostní a bezdrátové komunikace. Notebooky potřebují kvůli svému kompaktnímu pouzdru vysoce účinné sítě pro distribuci energie (PDN) mezi napájecími a zemnícími rovinami.
Průmyslová řídicí a strojní zařízení mohou využívat souvislé zemnící desky ke snížení elektromagnetického rušení (EMI). Automobilová elektronika používá čtyřvrstvé desky pro spolehlivost v různých povětrnostních podmínkách a mnoho různých zařízení. Lékařské přesné přístroje vyžadují vysoce spolehlivé desky.
Časté chyby, kterým je třeba se vyhnout při návrhu 4vrstvých desek plošných spojů
I když se předpokládá, že čtyřvrstvá deska plošných spojů by měla mít vysokou kvalitu a pevnou strukturu, během procesu návrhu obvodu mohou být učiněny chyby, které by mohly vést k nefunkčnosti desky. Mezi chyby, kterým je třeba se ve fázi návrhu čtyřvrstvé desky plošných spojů vyhnout, patří:
·Špatná volba vrstev. Je důležité zvolit typ desky a její vrstvy před zvážením signálů, jinak se zpětné cesty prodlužují, což zvyšuje indukčnost smyčky a riziko elektromagnetického rušení.
·Ignorování hodnoty impedance. Protože impedance závisí na šířce stopy, tloušťce vzdálenosti mezi vrstvami, vlastnostech materiálu (Dk) a konfiguraci vrstev, měla by být vypočítána přesně.
·Špatný návrh propojovacích otvorů. Nesprávné umístění propojovacích otvorů způsobuje přerušení v zemní rovině a narušuje cesty zpětného proudu. Na druhou stranu správné umístění propojovacích otvorů zajišťuje správnou funkci systému.
· Zohlednění tepelných požadavků.
Vyberte si spolehlivého výrobce 4vrstvých desek plošných spojů
Výběr správné výrobní společnosti by neměl být považován pouze za transakční nákup. Měl by být vnímán jako hledání dodavatele, který má potřebné schopnosti a odborné znalosti v klíčových fázích výrobního procesu, včetně schopnosti vyrábět vícevrstvé desky plošných spojů.
Je zásadní si uvědomit, že systém řízení kvality je nejdůležitějším prvkem spolehlivého výrobce. Dobří výrobci vždy disponují špičkovými testovacími a kontrolními nástroji. Bylo by užitečné spolupracovat s výrobcem, který by byl ochoten budovat komunikaci a poskytovat technickou pomoc během celého procesu návrhu. Je rozumné vybrat si výrobce, který má zkušenosti s manipulací s takovými materiály a konfiguracemi stohování.
Při spolupráci s výrobcem se nepochybně mohou vyskytnout určité problémy. Spolehlivý výrobce se však snaží plnit své povinnosti včas, a proto je výskyt problémů nízký.
Bottom Line
Čtyřvrstvé desky plošných spojů umožňují šetřit peníze při výrobě nové elektroniky, protože technologie více vrstev může být nákladově efektivnější u složitých návrhů díky snížení obtíží s trasováním, problémů s elektromagnetickým rušením a nutnosti přepracování. Efektivní propojení vodičů a dalších součástek je v dnešní době velmi důležité pro vývoj kompaktních elektronických zařízení. Použitím správné technologie umožní čtyřvrstvá deska plošných spojů dosáhnout žádoucích výsledků s využitím současných technologií.
Čtyřvrstvá technologie funguje dobře, když jsou pro dosažení dobrých výsledků klíčové spolehlivost, velikost a čistota signálů. Čtyři vrstvy vytvářejí rovnováhu mezi architektonickou složitostí a ekonomickými náklady.
