تعریف PCB چند لایه
به طور کلی، بردهای PCB یک طرفه، دو طرفه و چند لایه وجود دارد. برای برخی از لوازم الکتریکی ساده، مانند رادیو، یک برد PCB یک طرفه کافی است. با این حال، با پیشرفت زمان، برای محصولات الکترونیکی چند منظوره و کم حجم، بردهای PCB یک طرفه و دو طرفه نمیتوانند به طور کامل الزامات را برآورده کنند، اما باید از برد PCB چند لایه استفاده شود. برد PCB چند لایه مزایای بسیاری دارد، مانند: تراکم مونتاژ بالا و حجم کم؛ اتصال بین قطعات الکترونیکی کوتاه میشود، سرعت انتقال سیگنال سریع است و سیمکشی راحت است؛ اثر محافظ خوبی دارد و غیره.
هیچ محدودیتی برای تعداد لایههای برد مدار چاپی چند لایه وجود ندارد. در حال حاضر، بیش از ۱۰۰ لایه برد مدار چاپی چند لایه، معمولاً بردهای مدار چاپی ۴L و ۶L، وجود دارد. سپس، برد مدار چاپی چند لایه با برد مدار چاپی یک طرفه و برد مدار چاپی دو طرفه مقایسه میشود، از چه لایههایی تشکیل شده است؟ معانی و کاربردهای آنها چیست؟ بیایید با هم نگاهی بیندازیم.
لایه سیگنال
لایه سیگنال به لایه بالایی، لایه میانی و لایه پایینی تقسیم میشود و عمدتاً برای قرار دادن اجزای مختلف یا سیمکشی و جوشکاری استفاده میشود.
لایه داخلی مسطح
لایه صفحه داخلی، که به عنوان لایه توان داخلی نیز شناخته میشود، به طرحبندی خطوط برق و خطوط زمین اختصاص دارد. این نوع لایه فقط برای برد PCB چند لایه استفاده میشود. ما آن را بردهای دو لایه، 4L و 6L مینامیم که عموماً به تعداد لایههای سیگنال و لایههای توان/زمین داخلی اشاره دارد.
لایه مکانیکی
لایه مکانیکی ظاهر کل برد PCB چند لایه را تعریف میکند. در واقع، وقتی در مورد لایه مکانیکی صحبت میکنیم، منظورمان ساختار ظاهری کل برد PCB چند لایه است. لایه مکانیکی عموماً برای قرار دادن اطلاعات شاخص در مورد روشهای ساخت و مونتاژ برد، مانند خط ابعاد فیزیکی برد مدار، دادهها، اطلاعات via و غیره استفاده میشود. این اطلاعات با توجه به الزامات شرکتهای طراحی یا تولیدکنندگان PCB متفاوت است. علاوه بر این، لایه مکانیکی میتواند به لایههای دیگر متصل شود تا خروجی نمایش را با هم ارائه دهد.
لایه ماسک لحیم کاری
به بخشی از برد PCB چند لایه اشاره دارد که با روغن پوشش لحیم سبز رنگآمیزی میشود. در واقع، لایه پوشش لحیم از خروجی منفی استفاده میکند، بنابراین پس از اینکه شکل لایه پوشش لحیم روی برد ترسیم شد، پوشش لحیم با روغن سبز رنگآمیزی نمیشود، بلکه مس نمایان میشود. معمولاً برای افزایش ضخامت فویل مسی، پوشش لحیم با روغن سبز برداشته میشود و سپس قلع برای افزایش ضخامت سیم مسی اضافه میشود.
لایه ماسک چسباندن
عملکرد آن مشابه لایه پوشش لحیم است، با این تفاوت که در حین جوشکاری ماشینی، با پد قطعه نصب شده روی سطح مطابقت دارد. شاید در این مرحله، همه هنوز در مورد مفاهیم لایه پوشش لحیم و لایه پوشش خمیری سردرگم باشند. در واقع، به طور خلاصه:
نقش:
① لایه Soldermask عمدتاً برای جلوگیری از قرار گرفتن مستقیم فویل مسی PCB در معرض هوا و ایفای نقش محافظتی استفاده میشود.
② از لایه ماسک خمیری برای ساخت مش استنسیل استفاده میشود و مش استنسیل میتواند خمیر لحیم را به طور دقیق روی پد SMD که قرار است لحیم شود، قرار دهد.
تفاوت:
① لایه پوشش لحیم به معنای باز کردن یک پنجره روی کل قطعه از روغن سبز پوشش لحیم است تا جوشکاری امکانپذیر شود.
② به طور پیش فرض، تمام نواحی بدون پوشش لحیم باید با روغن سبز پوشانده شوند.
③ لایه شار لحیم کاری برای بسته بندی SMD استفاده می شود.
لایه را دور نگه دارید
برای تعریف ناحیهای که قطعات و سیمکشی میتوانند به طور مؤثر روی برد مدار قرار گیرند، استفاده میشود. یک ناحیه بسته روی این کف به عنوان ناحیه مؤثر برای سیمکشی رسم کنید و چیدمان و سیمکشی خودکار خارج از این ناحیه غیرممکن است.
لایه ابریشم
لایه سیلک اسکرین عمدتاً برای قرار دادن اطلاعات چاپی مانند طرح کلی و علامتگذاری اجزا، سیلک اسکرینهای حاشیهنویسی مختلف و غیره استفاده میشود. به طور کلی، انواع سیلک اسکرینهای علامتگذاری شده در لایه بالایی سیلک اسکرین قرار دارند و لایه پایینی سیلک اسکرین میتواند بسته شود.
چند لایه
پد بالایی برد مدار و سوراخ نفوذی via باید به کل برد PCB چند لایه نفوذ کرده و با لایههای مختلف الگوی رسانا اتصال الکتریکی برقرار کنند، بنابراین سیستم به طور خاص یک چند لایه انتزاعی ایجاد میکند. به طور کلی، پدها و viaها باید روی چند لایه چیده شوند و اگر این لایه بسته باشد، پدها و viaها قابل نمایش نیستند.
لایه مته
لایه حفاری اطلاعات حفاری را در فرآیند تولید برد مدار فراهم میکند (برای مثال، پدها و مسیرها باید حفاری شوند).
سیستم
لایه کاری برای نمایش اطلاعات مربوط به نقض قوانین طراحی استفاده میشود.
طراحی PCB چند لایه
۱. تعیین شکل، اندازه و تعداد لایههای تخته هر برد مدار چاپی چند لایه مشکل مونتاژ با سایر قطعات ساختاری را دارد. بنابراین، شکل و اندازه برد مدار چاپی چند لایه باید بر اساس ساختار کل محصول باشد. با این حال، از دیدگاه فناوری تولید، باید تا حد امکان ساده باشد، عموماً مستطیل شکل با نسبت طول به عرض، تا مونتاژ را تسهیل کند، راندمان تولید را بهبود بخشد و هزینههای نیروی کار را کاهش دهد.
تعداد لایهها باید بر اساس الزامات عملکرد مدار، اندازه برد و تراکم مدار تعیین شود. برای برد PCB چند لایه، بردهای 4L و 6L بیشترین کاربرد را دارند. به عنوان مثال، بردهای 4L را در نظر بگیرید، یعنی دو لایه هادی (سطح قطعه و سطح لحیم کاری)، یک لایه برق و یک لایه زمین.
لایههای برد مدار چاپی چند لایه باید متقارن باشند و بهتر است لایههای مسی زوج باشند، یعنی چهار، شش، هشت لایه و غیره. به دلیل لایهبندی نامتقارن، سطح برد مستعد تاب برداشتن است، به خصوص برای برد مدار چاپی چند لایه نصب شده روی سطح که باید بیشتر به آن توجه شود.
۲. محل و جهتگیری اجزا محل و جهت قرارگیری قطعات ابتدا باید از جنبه اصول مدار در نظر گرفته شود تا با روند مدار مطابقت داشته باشد. منطقی بودن محل قرارگیری مستقیماً بر عملکرد برد PCB چند لایه، به ویژه مدار آنالوگ فرکانس بالا، تأثیر میگذارد که بدیهی است که نیاز به مکانیابی و قرارگیری دقیقتر دستگاه دارد.
جایگذاری منطقی قطعات، به یک معنا، نشان دهنده موفقیت طراحی PCB چند لایه است. بنابراین، هنگام تعیین طرح برد PCB چند لایه و تصمیم گیری در مورد طرح کلی، باید تجزیه و تحلیل دقیقی از اصل مدار انجام دهیم، ابتدا محل اجزای خاص (مانند IC در مقیاس بزرگ، ترانزیستور پرقدرت، منبع سیگنال و غیره) را تعیین کنیم و سپس سایر قطعات را طوری بچینیم که از عوامل تداخل احتمالی جلوگیری شود.
از سوی دیگر، باید ساختار کلی برد PCB چند لایه را در نظر بگیریم تا از چیدمان ناهموار و بینظمی اجزا جلوگیری شود. این امر نه تنها بر زیبایی برد PCB چند لایه تأثیر میگذارد، بلکه باعث ایجاد دردسرهای زیادی در مونتاژ و نگهداری نیز میشود.
۳. الزامات چیدمان سیم و مساحت سیمکشی به طور کلی، سیم کشی برد مدار چاپی چند لایه بر اساس عملکرد مدار انجام می شود. هنگام سیم کشی روی لایه بیرونی، لازم است سیم کشی بیشتری روی سطح جوش و سیم کشی کمتری روی سطح قطعه داشته باشید که این امر برای نگهداری و عیب یابی برد مدار چاپی چند لایه مفید است.
سیمهای نازک و متراکم و خطوط سیگنال حساس به تداخل معمولاً در لایه داخلی چیده میشوند. باید سطح وسیعی از فویل مسی به طور یکنواخت روی لایههای داخلی و خارجی توزیع شود که به کاهش تاب برداشتن برد و ایجاد پوشش یکنواختتر روی سطح در طول آبکاری کمک میکند.
برای جلوگیری از اتصال کوتاه بین لایهها که در اثر پردازش شکل و سیمهای چاپ شده و پردازش مکانیکی ایجاد میشود، فاصله بین الگوهای رسانای نواحی سیمکشی داخلی و خارجی و لبه برد باید بیشتر از 50 میل باشد.
۴. الزامات جهت سیم و عرض خط سیمکشی برد PCB چندلایه باید لایه برق، لایه زمین و لایه سیگنال را از هم جدا کند تا تداخل بین برق، زمین و سیگنال کاهش یابد.
خطوط دو برد چند لایه مجاور باید به جای خطوط موازی، تا حد امکان عمود بر یکدیگر یا شیبدار یا منحنی باشند تا کوپلینگ بین لایهای و تداخل زیرلایه کاهش یابد. و سیمها باید تا حد امکان کوتاه باشند، به خصوص برای مدارهای سیگنال کوچک. هرچه سیمها کوتاهتر باشند، مقاومت و تداخل کمتر میشود.
خطوط سیگنال در یک طبقه باید هنگام تغییر جهت از گوشههای تیز اجتناب کنند. عرض سیم باید با توجه به الزامات جریان و امپدانس مدار تعیین شود. خط ورودی برق باید بزرگتر و خط سیگنال باید نسبتاً کوچکتر باشد.
برای بردهای دیجیتال عمومی، عرض خط ورودی برق میتواند ۵۰ تا ۸۰ میلیلیتر و عرض خط سیگنال میتواند ۶ تا ۱۰ میلیلیتر باشد.
هنگام سیمکشی، باید توجه داشت که عرض خطوط باید تا حد امکان ثابت باشد تا از ضخیم و نازک شدن ناگهانی سیمها که منجر به تطبیق امپدانس میشود، جلوگیری شود.
5. الزامات اندازه سوراخ حفاری و پد اندازه سوراخ قطعات روی برد PCB چند لایه به اندازه پین قطعات انتخابی مربوط میشود. اگر سوراخ سوراخ کاری خیلی کوچک باشد، بر نصب و لحیم کاری دستگاه تأثیر میگذارد. سوراخ سوراخ کاری خیلی بزرگ است و نقطه جوش در حین جوشکاری به اندازه کافی پر نمیشود. به طور کلی، روش محاسبه قطر سوراخ قطعه و اندازه پد به شرح زیر است:
※ قطر سوراخ قطعه = قطر پین قطعه (یا خط مورب) + (۱۰ تا ۳۰ میلیلیتر)
※قطر پد المنت ≥ قطر سوراخ المنت +18 میلیلیتر
در مورد قطر سوراخ via، این قطر عمدتاً توسط ضخامت برد نهایی تعیین میشود. برای بردهای چند لایه با چگالی بالا، معمولاً باید در محدوده ضخامت برد کنترل شود: قطر سوراخ ≤ ۵:۱.
روش محاسبه VIAPAD به صورت زیر است: قطر پد ویایی ≥ قطر ویایی +۱۲ میل.
۶. الزامات لایه صفحه داخلی، پارتیشن لایه زمین برای برد PCB چند لایه، حداقل یک لایه برق و یک لایه زمین وجود دارد. از آنجا که تمام ولتاژهای روی برد PCB چند لایه به یک لایه برق متصل هستند، لایه برق باید پارتیشن بندی و ایزوله شود. به طور کلی، اندازه خط پارتیشن باید 20 تا 80 میلی متر باشد. هرچه ولتاژ بالاتر باشد، خط پارتیشن ضخیم تر است.
به منظور افزایش قابلیت اطمینان و کاهش جوشکاری مجازی ناشی از جذب حرارت فلز در سطح وسیع در فرآیند جوشکاری.
دیافراگم پد ایزولاسیون ≥ دیافراگم حفاری +20 میلی لیتر
۷. الزامات فاصلهگذاری ایمن تنظیم فاصله ایمنی باید الزامات ایمنی الکتریکی را برآورده کند. به طور کلی، حداقل فاصله هادی خارجی نباید کمتر از 4 میل و حداقل فاصله هادی داخلی نباید کمتر از 4 میل باشد. در شرایطی که سیم کشی قابل تنظیم باشد، فاصله باید تا حد امکان زیاد باشد تا سرعت محصول نهایی بهبود یابد و مشکلات پنهان خرابی برد نهایی کاهش یابد.
۸. بهبود توانایی ضد تداخل کل برد. در طراحی برد مدار چاپی چند لایه باید به قابلیت ضد تداخل کل برد نیز توجه شود. روشهای کلی عبارتند از:
خازن فیلتر را نزدیک منبع تغذیه و زمین هر آی سی اضافه کنید، ظرفیت آن معمولاً ۴۷۳ یا ۱۰۴ است.
برای سیگنالهای حساس روی برد مدار چاپی چندلایه، سیمهای محافظ همراه باید جداگانه اضافه شوند و سیمکشی در نزدیکی منابع سیگنال باید تا حد امکان کم باشد.
یک نقطه اتصال به زمین معقول انتخاب کنید.