Трехслойная печатная плата: почему она редко используется и когда это имеет смысл.

Обычно количество слоев печатной платы составляет 2, 4, 6, 8... Различное количество слоев соответствует различной сложности проектирования и путям реализации. Среди них наиболее распространены 2-слойные и 4-слойные печатные платы. Однако в этой статье мы рассмотрим 3-слойные печатные платы. 3-слойные платы кажутся «компромиссным вариантом», но на практике они используются редко.

Далее в этой статье мы подробно рассмотрим трехслойную печатную плату. Мы начнем с основных понятий и постепенно проанализируем ее структуру слоев, логику проектирования и так далее. Прочитав эту статью, мы получим более четкое понимание роли трехслойной печатной платы во всей многослойной системе печатных плат и того, как правильно ее учитывать при проектировании. Итак, перейдем к сути!

Что такое 3-х слойная печатная плата

Согласно общепринятому в отрасли определению, a Печатная плата с тремя и более медными слоями обычно считается многослойной. Следовательно, с точки зрения классификации, 3-х слойная печатная плата Эта плата относится к категории многослойных печатных плат.

В инженерной практике многие конструкторы не знакомы с этим типом плат. 3-х слойная печатная плата Это многослойная печатная плата, состоящая из трех слоев проводящей медной фольги, ламинированных диэлектрическими слоями. В отличие от традиционных двухслойных плат, имеющих медные слои только на верхней и нижней поверхностях, эта плата... 3-х слойная печатная плата Между двумя внешними слоями медной фольги на плате имеется дополнительный внутренний слой меди.

С точки зрения структуры слоев печатной платы, 3-х слойная печатная плата обычно включает:

В зависимости от требований к конструкции, два внешних медных слоя обычно используются для размещения компонентов, трассировки сигналов и заливки медью.

В соответствии с требованиями конструкции один внутренний медный слой используется для передачи сигналов, питания или заземления.

Как показано на следующем рисунке,

Наиболее примечательная особенность 3-х слойная печатная плата Особенностью является нечетное число слоев. Это существенно отличает ее по структурной форме от большинства стандартных многослойных печатных плат. В традиционных многослойных печатных платах медные слои обычно симметрично распределены по центральной линии толщины платы, но... 3-х слойная печатная плата По своей природе эта симметрия отсутствует. Именно поэтому она обладает некоторыми особыми характеристиками в конструкции и применении.

С функциональной точки зрения, не существует единственного или фиксированного определения для чего-либо. 3-х слойная печатная платаКонкретное использование каждого слоя в значительной степени зависит от требований проекта и принятых норм. 3-х слойная печатная плата Складывание. Гибкость 3-х слойная печатная платаТеоретически, это предлагает больше вариантов дизайна. Поэтому в некоторых сценариях, 3-х слойная печатная платаОни кажутся более привлекательными, чем двухслойные платы.

Следует отметить, что 3-х слойная печатная плата Его не следует рассматривать просто как упрощенную версию 4-слойной печатной платы. Хотя он имеет некоторое сходство по форме с другими типами печатных плат, его электрические характеристики, структурные особенности и ограничения проектирования совершенно иные.

типичный 3-х слойная печатная плата Стеки

Слоистая структура 3-х слойная печатная плата Конструкция напрямую определяет возможность трассировки печатной платы, распределение функций слоев и общую концепцию проектирования. В отличие от распространенных 4-слойных или 6-слойных печатных плат, для них не существует общепринятого в отрасли «стандартного расположения слоев». 3-х слойная печатная платас. 3-х слойная печатная плата Структура пакета компонентов должна гибко определяться в зависимости от конкретных целей проекта.

Исходя из базового состава слоев печатной платы, 3-х слойная печатная плата Плата обычно состоит из двух внешних слоев медной фольги и одного внутреннего слоя медной фольги. Основное различие между различными способами укладки заключается в разных функциональных ролях внутреннего слоя медной фольги. Вот несколько типичных примеров. 3-х слойная печатная плата Методы штабелирования:

1. Сигнал / Заземление / Сигнал

Эта форма укладки является наиболее понятной и часто обсуждаемой структурой среди всех. 3-х слойная печатная платаs:

Верхний слой: сигнальный слой

Внутренний слой: Заземляющий слой, покрывающий всю поверхность или большую площадь.

Нижний слой: сигнальный слой

В этой многослойной структуре внутренний слой из медной фольги служит опорным слоем, обеспечивая обратный путь для сигналов на внешнем слое. Эта структура подходит для проектов, в которых необходимо внедрить базовую концепцию опорного сигнала. 3-х слойная печатная плата дизайн.

2. Сигнал / Питание / Сигнал

Еще один общий 3-х слойная печатная плата Метод ламинирования заключается в использовании внутреннего слоя в качестве слоя распределения питания:

Верхний слой: сигнальный слой

Средний слой: Силовой слой

Нижний слой: сигнальный слой

Концепция многослойности здесь 3-х слойная печатная плата Целью данной платы является упрощение силовой проводки за счет концентрации распределения питания на внутреннем слое и освобождения места для проводки на внешнем слое. Такая структура требует четких путей питания, но при этом имеет относительно простую общую схемотехнику.

3. Сигнал / Сигнал / Сигнал

В некоторых проектах используются три слоя медной фольги. 3-х слойная печатная плата Все они могут использоваться для маршрутизации сигналов:

Верхний слой: Сигнал

Средний слой: Сигнал

Нижний слой: Сигнал

Такая конфигурация редко рекомендуется на практике и обычно рассматривается только в тех случаях, когда основным ограничением является плотность трассировки. Основная цель этой многослойной структуры — просто увеличить количество доступных слоев проводки, чтобы решить проблему недостаточной плотности проводников.

Независимо от того, какой из 3-х слойная печатная плата Применяется многослойная конструкция, все они имеют ряд общих черт:

Если количество слоев нечетное, структура по своей природе асимметрична.

Функции внутреннего слоя могут быть переменными, но они должны быть четко определены заранее.

Выбор структуры слоев в значительной степени зависит от целей проектирования. 3-х слойная печатная плата.

Поэтому при планировании 3-х слойная печатная платаНеобходимо самостоятельно оценить рациональность распределения функций слоев, и нельзя просто применять общепринятый опыт проектирования многослойных печатных плат.  

Почему 3-х слойная печатная платаs используются редко

3-х слойная печатная плата Эта плата используется нечасто. Давайте начнем с обсуждения характеристик слоев печатной платы с нечетным числом слоев в практическом применении в инженерии.

1.  Нечетное количество слоев не является распространенной особенностью многослойных печатных плат.

В большинстве стандартных многослойных печатных плат используется четная структура слоев, например, 4, 6 или 8 слоев. Такая симметричная структура слоев более удобна для контроля толщины платы, процесса ламинирования и распределения медных слоев. В то время как 3-х слойная печатная плата многослойная конструкция (3-х слойная печатная плата Стек) имеет нечетное число слоев, что само по себе не соответствует общепринятой концепции проектирования «парных слоев».

Это означает, что в процессе проектирования и производства используется множество предположений по умолчанию. – включая конфигурацию материала, планирование толщины диэлектрика и настройку параметров процесса. – не может быть непосредственно применено к 3-х слойная печатная платаЭта «нестандартная природа» увеличивает неопределенность в коммуникации и выполнении работ между процессами проектирования и производства.

2.  3-х слойная печатная плата  Достичь структурного баланса сложнее.

Как правило, многослойные печатные платы поддерживают структурное равновесие за счет симметричного распределения медных и диэлектрических слоев, обеспечивая стабильность платы при нагревании и воздействии давления. Однако для некоторых 3-х слойная печатная платаПоскольку количество слоев нечетное, распределение меди на внешнем и внутреннем слоях имеет тенденцию к дисбалансу.

Этот дисбаланс усиливается в таких процессах, как ламинирование, пайка и пайка оплавлением, что влияет на плоскостность платы. Плоскостность, в свою очередь, влияет на выход годных изделий, качество сборки разъемов, структурную целостность и долговременную надежность. Это одна из причин, почему 3-х слойная печатная платаs используются редко.

3.  По сравнению с 4-слойной печатной платой, экономическая выгода незначительна.

Во многих случаях стоимость трехслойной печатной платы близка к стоимости стандартной четырехслойной печатной платы, а из-за нестандартного технологического процесса может быть даже выше.

3-х слойная печатная плата Также требуется многослойный процесс ламинирования печатных плат и строгий контроль процесса. Кроме того, на большинстве заводов... 3-х слойная печатная плата Плата больше похожа на 4-слойную плату с точки зрения сложности технологического процесса и подготовки к производству. Когда стоимость схожа, но улучшение характеристик ограничено, 3-х слойная печатная плата не рентабельно.

4.  Электрические характеристики не всегда находятся «посередине».

Многие интуитивно считают, что электрические характеристики 3-х слойная печатная плата Структура многослойной платы должна находиться между структурой двухслойной и четырехслойной платы. Однако на практике это «промежуточное состояние» нестабильно.

В стандартном проектировании многослойных печатных плат одним из ключевых моментов увеличения количества слоев является создание стабильных и непрерывных опорных слоев и обратных путей. 3-х слойная печатная платаКак правило, в качестве опорного слоя может использоваться только один внутренний слой, в то время как остальные внешние слои выполняют значительную часть работ по прокладке проводов. Это облегчает воздействие на сигналы изменений опорных условий при пересечении слоев или прохождении через разделенные участки.

5.  Типичные результаты реальных инженерных решений

Если схема проста и экономична, двухслойная печатная плата является более прямым и выгодным вариантом. Если требуется лучшее электромагнитное управление или более стабильная структура, четырехслойная многослойная печатная плата лучше соответствует инженерным требованиям. Поэтому среди распространенных типов печатных плат, 3-х слойная печатная плата Платформы чаще выбирают в качестве варианта для конкретных сценариев использования, а не как общепринятое решение.

Преимущества и ограничения 3-х слойная печатная платаs

3-х слойная печатная плата У этого есть свои преимущества и недостатки. Давайте рассмотрим их вместе.

Преимущества 3-х слойная печатная платаs

Ограничения 3-х слойная печатная платаs

Вопросы проектирования и производства

В некоторых конкретных приложениях нам может потребоваться явно принять следующее решение. 3-х слойная печатная платаКак мы можем спроектировать и изготовить 3-х слойная печатная плата Правильно ли это? Следующие предложения, рассмотренные с разных сторон, предназначены для вашего ознакомления.

1. Планирование слоев и распределение функций слоев

Поскольку есть только 3-Функции каждого слоя печатной платы необходимо четко спланировать заранее.

К распространенным методам распределения слоев относятся:

Верхний слой: сигналы и компоненты.

Внутренний слой: слой питания, слой заземления или слой смешанных сигналов.

Нижний слой: сигналы и компоненты.

В отличие от типичных многослойных печатных плат, 3-х слойная печатная платаОбычно они имеют только один внутренний опорный слой. Это означает:

Силовой и заземляющий кабели часто должны использовать один и тот же внутренний слой или же их подключение должно осуществляться путем разделения.

Непрерывность опорного сигнала для высокоскоростных сигналов гарантировать сложнее.

Выбор структуры слоев напрямую влияет на электромагнитную совместимость, контроль импеданса и целостность сигнала.

Следовательно, структуру слоев необходимо определить на раннем этапе проектирования. В противном случае, если позже потребуются модификации, затраты будут выше, а риски — больше.

2. Симметрия структуры и контроль деформации

3-х слойная печатная плата По своей природе это несимметричная структура. Это может привести к некоторым практическим проблемам:

Неравномерное распределение меди на верхнем и нижнем слоях может привести к деформации во время процессов прессования и пайки оплавлением.

Различная толщина диэлектрических слоев на внутреннем слое увеличивает внутреннее напряжение платы.

Требования к стабильности при обработке панелей и процессе оплавления припоя выше.

Для снижения рисков в процессе производства обычно требуются следующие меры:

Постарайтесь равномерно распределить медные листы сверху и снизу.

Строго контролируйте толщину среды.

Отрегулируйте параметры ламинирования в соответствии с... 3 слоистая структура

Эти дополнительные меры контроля усложняют процесс производства. 3-х слойная печатная плата Эта плита значительно выше, чем обычная двухслойная плита.

3. Целостность сигнала и управление опорным уровнем

In многих 3-х слойная печатная плата конструкцийСуществует только одна основная плоскость отсчета, что предъявляет более высокие требования к планированию обратного пути.

К общим принципам проектирования относятся:

Размещайте критически важные высокоскоростные сигналы как можно ближе к внутренней плоскости отсчета.

Избегайте разделения опорного слоя под критически важными сигнальными путями.

Уменьшить количество ненужных сквозных скачков и предотвратить прерывание обратного пути.

4. Стратегия распределения и электроснабжения электроэнергии

В 3-х слойная печатная платаРаспределение электроэнергии также является вопросом, требующим тщательного рассмотрения.

Общие решения включают в себя:

Внутренний слой представляет собой цельный слой, а питание на внешнем слое осуществляется с помощью медных пластин или дорожек.

Разделение внутреннего слоя на энергетические зоны и области.

Использование больших площадей медных листов для питания на сигнальном слое.

По сравнению со стандартной 4-слойной печатной платой, эти решения, как правило, имеют меньший запас по уровню шумоподавления и целостности питания. Поэтому их необходимо тщательно оценивать на этапе проектирования.

5. Характеристики производственного процесса и себестоимости

Хотя количество слоев печатной платы в трехслойной плате меньше, чем в обычной многослойной плате, процесс ее изготовления все равно требует:

Визуализация и травление внутренних слоев

Процесс многослойного ламинирования

Многослойное выравнивание и контроль регистрации

В реальном производстве технологический процесс выглядит следующим образом: 3-х слойная печатная плата больше похожа на многослойную печатную плату. Следовательно:

По сравнению с 4-слойной платой, ценовое преимущество не столь очевидно.

Срок доставки может быть не короче.

Выход риск выше, что требует более строгих правил проектирования и более тщательного контроля DFM (проектирование для технологичности производства).

6. Повторное использование проекта и последующая масштабируемость

С точки зрения жизненного цикла продукта, масштабируемость 3-х слойная печатная плата Платформа имеет относительно ограниченные возможности:

При увеличении количества слоев часто требуется перепроектирование.

Правила построения и проектирования нелегко использовать в разных проектах.

Количество доступных поставщиков и отлаженных процессов относительно ограничено.

Для разовых проектов или существующих систем такая структура приемлема. Однако, если продукт планируется для долгосрочной итерации или разработки на основе платформы, необходимо тщательно оценить, целесообразно ли это. 3-х слойная печатная плата подходит, необходимо.

Заключение

A 3-х слойная печатная плата представляет собой многослойную структуру. Печатные платы Структура, рассчитанная на конкретный сценарий применения. Это не универсальное решение. С точки зрения ресурсов проводки и функционального распределения, 3-х слойная печатная плата превосходит 2 многослойная печатная плата. Однако с точки зрения структурной симметрии, электрической стабильности и сложности изготовления, 3-х слойная печатная плата не обладает существенными преимуществами.

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.