3-laags printplaat: waarom deze zelden wordt gebruikt en wanneer het wel zinvol is

Het aantal lagen van een printplaat is doorgaans 2, 4, 6, 8... Verschillende aantallen lagen corresponderen met verschillende ontwerpcomplexiteiten en implementatiemogelijkheden. Printplaten met 2 en 4 lagen worden het meest gebruikt. In dit artikel bespreken we echter printplaten met 3 lagen. Printplaten met 3 lagen lijken een "compromisoptie" te bieden, maar worden zelden in de praktijk toegepast.

In dit artikel gaan we dieper in op de drielaagse printplaat (PCB). We beginnen met de basisconcepten en analyseren vervolgens de lagenstructuur, de ontwerpfilosofie, enzovoort. Door dit artikel te lezen, krijgt u een beter inzicht in de positie van de drielaagse printplaat binnen het gehele meerlaagse printplaatsysteem en hoe u deze op de juiste manier kunt toepassen in het ontwerpproces. Laten we meteen ter zake komen!

Wat is een 3-laags PCB

Volgens de gangbare definitie in de branche, a Een printplaat met drie of meer koperlagen wordt over het algemeen beschouwd als een meerlaagse printplaat. Vanuit een classificatieperspectief bezien, is een 3-laags PCB Deze printplaat valt in de categorie meerlaagse printplaten.

In de ingenieurspraktijk zijn veel ontwerpers niet bekend met dit type printplaat. 3-laags PCB Een printplaat met meerdere lagen bestaat uit drie lagen geleidende koperfolie, gelamineerd met isolerende diëlektrische lagen. In tegenstelling tot traditionele 2-laags printplaten, die alleen koperlagen aan de boven- en onderkant hebben, heeft een meerlaagse printplaat drie lagen koperfolie. 3-laags PCB De printplaat heeft een extra binnenste koperlaag tussen de twee buitenste koperfolielagen.

Vanuit het perspectief van de PCB-laagstructuur, een 3-laags PCB omvat doorgaans:

De twee buitenste koperlagen worden doorgaans gebruikt voor de plaatsing van componenten, signaalgeleiding en koperen vlakken, afhankelijk van de ontwerpvereisten.

Een binnenste koperlaag wordt gebruikt voor signalen, voeding of aarding, afhankelijk van de ontwerpvereisten.

Zoals weergegeven in de volgende afbeelding,

Het meest opvallende kenmerk van een 3-laags PCB Het oneven aantal lagen maakt het een significant verschil in structuur ten opzichte van de meeste standaard meerlaagse printplaatontwerpen. Bij conventionele meerlaagse printplaatontwerpen zijn koperlagen doorgaans symmetrisch verdeeld rond de middenlijn van de printplaatdikte, maar bij dit ontwerp is de structuur anders. 3-laags PCB bezit deze symmetrie niet van nature. Dit is de reden voor de bepaalde bijzondere eigenschappen ervan in ontwerp en toepassing.

Vanuit een functioneel perspectief bestaat er geen unieke of vaste definitie voor een 3-laags PCBHet specifieke gebruik van elke laag is sterk afhankelijk van de projectvereisten en de gekozen aanpak. 3-laags printplaat stapelen. De flexibiliteit van 3-laags printplaats biedt theoretisch meer ontwerpmogelijkheden. Daarom kan in sommige scenario's, 3-laags printplaatlijken aantrekkelijker dan 2-laags platen.

Opgemerkt moet worden dat a 3-laags printplaat Het mag niet zomaar worden beschouwd als een vereenvoudigde versie van een 4-laags printplaat. Hoewel het qua vorm bepaalde overeenkomsten vertoont met andere typen printplaten, zijn de elektrische eigenschappen, structurele respons en ontwerpbeperkingen ervan allemaal verschillend.

Typisch 3-laags PCB stapelingen

De gelaagde structuur van een 3-laags PCB Het ontwerp bepaalt direct de routeerbaarheid van de printplaat, de toewijzing van laagfuncties en het algehele ontwerpconcept. In tegenstelling tot gangbare 4-laags of 6-laags printplaten bestaat er geen industriebrede "standaard opbouw" voor 3-laags PCBs. De 3-laags PCB De stackup moet flexibel worden gedefinieerd op basis van de specifieke projectdoelen.

Uitgaande van de basisopbouw van PCB-lagen, een 3-laags PCB Een printplaat bestaat meestal uit twee buitenste lagen koperfolie en één binnenste laag koperfolie. Het belangrijkste verschil tussen de verschillende stapelmethoden zit hem in de verschillende functies van de binnenste koperfolielaag. Hieronder volgen enkele typische voorbeelden. 3-laags PCB stapelmethoden:

1. Signaal / Massa / Signaal

Deze stapelvorm is de meest begrijpelijke en meest besproken structuur onder de verschillende soorten structuren. 3-laags PCBs:

Bovenste laag: Signaallaag

Binnenlaag: Volledige oppervlakte- of grootvlak aardingslaag

Onderste laag: Signaallaag

In deze opbouw fungeert de binnenste koperfolie als referentielaag en biedt een retourpad voor de signalen op de buitenste laag. Deze opbouw is geschikt voor projecten die het basisconcept van signaalreferentie willen introduceren. 3-laags PCB ontwerp.

2. Signaal / Voeding / Signaal

Een andere veel voorkomend 3-laags PCB Bij de lamineermethode wordt de binnenste laag gebruikt als stroomverdeellaag:

Bovenste laag: Signaallaag

Middelste laag: Energielaag

Onderste laag: Signaallaag

Het gelaagde concept hiervan 3-laags PCB Het doel van deze printplaat is om de stroombedrading te vereenvoudigen door de stroomverdeling te concentreren op de binnenste laag en zo ruimte vrij te maken voor bedrading op de buitenste laag. Deze structuur vereist duidelijke stroomtoevoerpaden, maar heeft een relatief eenvoudige algehele circuitcomplexiteit.

3. Signaal / Signaal / Signaal

In sommige projecten bestaan ​​de drie lagen koperfolie in een 3-laags PCB Ze kunnen allemaal gebruikt worden voor signaalroutering:

Bovenste laag: Signaal

Middelste laag: Signaal

Onderste laag: Signaal

Deze configuratie wordt in de praktijk zelden aanbevolen en wordt meestal alleen overwogen wanneer de routeringsdichtheid de belangrijkste beperking vormt. Het hoofddoel van deze gelaagde structuur is simpelweg het vergroten van het aantal beschikbare bedradingslagen om het probleem van onvoldoende bedradingsdichtheid aan te pakken.

Het maakt niet uit welke van de 3-laags PCB Er wordt gebruikgemaakt van gelamineerde structuren, die allemaal een aantal gemeenschappelijke kenmerken delen:

Als het aantal lagen oneven is, is de structuur van nature asymmetrisch.

De functies van de binnenste laag kunnen variabel zijn, maar ze moeten wel vooraf duidelijk gedefinieerd zijn.

De keuze van de opbouw is sterk gerelateerd aan de ontwerpdoelen van een 3-laags PCB.

Daarom, bij het plannen van een 3-laags PCBHet is noodzakelijk om de rationaliteit van de functietoewijzing van de lagen onafhankelijk te beoordelen, en men kan niet zomaar de gangbare ervaring met het ontwerpen van meerlaagse printplaten toepassen.  

Waarom 3-laags PCBs worden zelden gebruikt

De 3-laags PCB Het type printplaat wordt niet vaak gebruikt. Laten we beginnen met een bespreking van de prestaties van de PCB-lagen in oneven genummerde lagen in de praktijk.

1.  Een oneven-laagstructuur is geen veelvoorkomend kenmerk in het ontwerp van meerlaagse printplaten.

De meeste standaard meerlaagse printplaten hebben een even aantal lagen, zoals 4, 6 of 8 lagen. Deze symmetrische laagstructuur is gunstiger voor het beheersen van de dikte van de printplaat, het lamineerproces en de verdeling van de koperlagen. Terwijl de 3-laags PCB stapelontwerp (3-laags PCB De stack heeft een oneven aantal lagen, wat op zichzelf niet overeenkomt met het conventionele ontwerpconcept van "gepaarde lagen".

Dit betekent dat er tijdens het ontwerp- en productieproces veel standaardveronderstellingen worden gehanteerd. - inclusief materiaalconfiguratie, planning van de diëlektrische dikte en instellingen van procesparameters - kan niet direct worden toegepast op een 3-laags printplaatDit "niet-standaard karakter" vergroot de onzekerheid in de communicatie en uitvoering tussen het ontwerp- en het productieproces.

2. De 3-laags printplaat  Het is lastiger om structureel evenwicht te bereiken.

Doorgaans behouden meerlaagse printplaten hun structurele evenwicht door koperlagen en diëlektrische lagen symmetrisch te verdelen, waardoor de stabiliteit van de printplaat tijdens verhitting en drukbelasting wordt gewaarborgd. Echter, voor een 3-laags printplaatOmdat het aantal lagen oneven is, bestaat de neiging dat de koperverdeling over de buitenste en binnenste lagen onevenwichtig wordt.

Deze onbalans wordt versterkt tijdens processen zoals lamineren, solderen en reflowsolderen, waardoor de vlakheid van de printplaat wordt beïnvloed. De vlakheid is vervolgens van invloed op de assemblageopbrengst, de connectorassemblage, de structurele assemblage en de betrouwbaarheid op lange termijn. Dit is een van de redenen waarom 3-laags printplaats worden zelden gebruikt.

3.  Vergeleken met de 4-laags printplaat is het kostenvoordeel niet significant.

In veel gevallen liggen de kosten van een 3-laags printplaat dicht bij die van een standaard 4-laags printplaat, en kunnen ze zelfs hoger uitvallen vanwege een niet-standaard productieproces.

De 3-laags printplaat Dit vereist ook een meerlaags lamineerproces voor platen en strikte procescontrole. Bovendien is in de meeste fabrieken de 3-laags printplaat De printplaat is qua procescomplexiteit en productievoorbereiding meer vergelijkbaar met de 4-laags printplaat. Wanneer de kosten vergelijkbaar zijn, maar de prestatieverbetering beperkt is, 3-laags printplaat is niet kosteneffectief.

4.  Elektrische prestaties liggen niet altijd "in het midden".

Veel mensen geloven intuïtief dat de elektrische prestaties van een 3-laags printplaat De opbouwstructuur moet zich bevinden tussen die van een 2-laags printplaat en een 4-laags printplaat. In de praktijk is deze "tussenliggende toestand" echter niet stabiel.

Bij standaard meerlaagse printplaatontwerpen is een van de belangrijkste redenen voor het verhogen van het aantal lagen het creëren van stabiele en continue referentielagen en retourpaden. In een 3-laags printplaatMeestal kan slechts één binnenste laag als referentielaag worden gebruikt, terwijl de overige buitenste lagen nog steeds een groot deel van de bedradingstaken uitvoeren. Hierdoor zijn signalen gevoeliger voor veranderingen in referentieomstandigheden bij het overbruggen van lagen of het passeren van afgescheiden gebieden.

5.  Veelvoorkomende uitkomsten bij daadwerkelijke technische beslissingen

Als het circuit eenvoudig en kostenbewust is, is een 2-laags printplaat directer en economischer. Als betere elektromagnetische controle of een stabielere structuur vereist is, voldoet een 4-laags printplaat beter aan de technische eisen. Daarom zijn er onder de gangbare typen printplaten de volgende: 3-laags printplaat Boards worden vaker gekozen als een optie voor een specifiek scenario dan als de gangbare oplossing.

Voordelen en beperkingen van 3-laags printplaats

De 3-laags printplaat Het heeft zijn voor- en nadelen. Laten we die nu eens samen bekijken.

Voordelen 3-laags printplaats

Beperkingen van 3-laags printplaats

Ontwerp- en productieoverwegingen

In bepaalde specifieke toepassingen kan het nodig zijn om expliciet een bepaalde aanpak te hanteren. 3-laags printplaatHoe kunnen we een ontwerp maken en produceren? 3-laags printplaat Is dat wel de juiste aanpak? De volgende suggesties, vanuit verschillende invalshoeken, zijn ter referentie.

1. Laagplanning en toewijzing van laagfuncties

Aangezien er maar 3-Bij de opbouw van een printplaat moeten de functies van elke laag van tevoren duidelijk worden vastgelegd.

Veelgebruikte methoden voor het toewijzen van lagen zijn onder andere:

Bovenste laag: Signalen en componenten

Binnenste laag: voedingslaag, massalaag of gemengde signaallaag

Onderste laag: Signalen en componenten

In tegenstelling tot typische meerlaagse printplaatontwerpen, 3-laags printplaatMeestal hebben ze maar één interne referentielaag. Dit betekent:

Voeding en aarding moeten vaak dezelfde binnenlaag delen, of dit moet worden bereikt door scheiding.

De continuïteit van de referentie voor hogesnelheidssignalen is lastiger te garanderen.

De keuze van de lagenstapel heeft directe invloed op EMI, impedantieregeling en signaalintegriteit.

Daarom moet de lagenstructuur al vroeg in het ontwerpproces worden vastgesteld. Anders zullen latere aanpassingen hogere kosten met zich meebrengen en de risico's groter zijn.

2. Symmetrie van structuur en krommingscontrole

De 3-laags PCB is inherent een niet-symmetrische structuur. Dit kan leiden tot enkele praktische problemen:

De koperverdeling op de bovenste en onderste lagen is ongelijk, wat kromtrekking kan veroorzaken tijdens het persen en het reflow-soldeerproces.

De dikte van de diëlektrische lagen in de binnenste laag is verschillend, waardoor de interne spanning in de printplaat toeneemt.

De stabiliteitseisen voor het hanteren van panelen en het reflow-proces zijn hoger.

Om risico's te beperken, zijn tijdens de productie doorgaans de volgende maatregelen vereist:

Probeer de koperen platen gelijkmatig over de boven- en onderkant te verdelen.

Houd de dikte van het medium strikt in de gaten.

Pas de lamineerparameters aan volgens de 3 laagstructuur

Deze extra controles verhogen de complexiteit van de productie. 3-laags PCB De plaat is veel hoger dan die van een gewone dubbellaagse plaat.

3. Signaalintegriteit en referentielaagbeheer

In veel 3-laags printplaat ontwerpenEr is slechts één primair referentievlak, wat hogere eisen stelt aan de planning van het retourpad.

Algemene ontwerpprincipes zijn onder andere:

Plaats kritieke hogesnelheidssignalen zo dicht mogelijk bij het binnenste referentievlak.

Vermijd het opsplitsen van de referentielaag onder kritieke signaalpaden.

Verminder onnodige sprongen door de gaten en voorkom onderbrekingen in het retourpad.

4. Stroomdistributie en stroomvoorzieningsstrategie

In een 3-laags PCBOok de stroomdistributie is een kwestie die zorgvuldige overweging vereist.

Veelvoorkomende oplossingen zijn:

De binnenste laag vormt een complete laag, waarbij de stroomvoorziening op de buitenste laag tot stand komt via koperen platen of sporen.

De binnenste laag indelen in energiezones en -gebieden.

Het gebruik van grote oppervlakken koperen stroomplaten op de signaallaag.

Vergeleken met een standaard 4-laags printplaat hebben deze oplossingen doorgaans minder speelruimte op het gebied van ruisonderdrukking en stroomvoorzieningsintegriteit. Daarom moeten ze tijdens de ontwerpfase grondig worden geëvalueerd.

5. Kenmerken van het productieproces en de kosten

Hoewel een 3-laags printplaat minder lagen bevat dan een conventionele meerlaagse printplaat, vereist het productieproces nog steeds het volgende:

Beeldvorming en etsen van de binnenste laag

Meerlaags lamineerproces

Meerlaagse uitlijning en registratiecontrole

In de daadwerkelijke productie verloopt het procesverloop van een 3-laags printplaat is meer vergelijkbaar met die van een meerlaagse printplaat. Daarom:

Vergeleken met een 4-laags printplaat is het kostenvoordeel niet duidelijk.

De levertijd kan niet korter zijn.

De opbrengst risico is hoger, Dit vereist strengere ontwerpvoorschriften en een rigoureuzere DFM-controle.

6. Ontwerpherbruikbaarheid en daaropvolgende schaalbaarheid

Vanuit het perspectief van de productlevenscyclus is de schaalbaarheid van een 3-laags printplaat Het bord is relatief beperkt:

Bij een upgrade naar een hoger aantal lagen is vaak een herontwerp nodig.

De opbouw- en ontwerpregels zijn niet gemakkelijk herbruikbaar voor verschillende projecten.

Het aantal beschikbare leveranciers en de ontwikkelde processen zijn relatief beperkt.

Voor eenmalige projecten of bestaande systemen is een dergelijke structuur acceptabel. Als het product echter is ontworpen voor langdurige iteratie of platformgebaseerde ontwikkeling, is een zorgvuldige beoordeling nodig of een 3-laags printplaat is geschikt is noodzakelijk.

Conclusie

A 3-laags printplaat is een meerlaagse structuur PCB structuur met een specifiek toepassingsscenario. Het is geen universele oplossing. Wat betreft bekabeling en functionele toewijzing, een 3-laags printplaat presteert beter dan een 2 printplaat met meerdere lagen. Echter, qua structurele symmetrie, elektrische stabiliteit en complexiteit van de productie, een 3-laags printplaat Heeft geen noemenswaardige voordelen.

Over PCBasic

Tijd is geld in uw projecten – en PCB-basis begrijpt het. PCBasic is een PCB-assemblagebedrijf: die elke keer snelle, vlekkeloze resultaten levert. Onze uitgebreide PCB-assemblagediensten: bieden deskundige technische ondersteuning bij elke stap, waardoor topkwaliteit in elk bord wordt gegarandeerd. Als toonaangevend Fabrikant van PCB-assemblage:, Wij bieden een totaaloplossing die uw toeleveringsketen stroomlijnt. Werk samen met onze geavanceerde PCB-prototypefabriek voor snelle doorlooptijden en superieure resultaten waarop u kunt vertrouwen.