Potřeba vysoce výkonných zařízení s rozšířenou funkčností se v neustále se měnící oblasti elektroniky zvyšuje. Potřeba technologie desek plošných spojů (PCB) vedla k výraznému pokroku, zejména v oblasti vysokofrekvenčních aplikací. Využití návrhu vícevrstvých desek plošných spojů se stalo zásadním řešením pro uspokojení přísných požadavků těchto aplikací.

Nástup vícevrstvých DPS

Historicky byly desky s plošnými spoji charakteristické především svou jednovrstvou nebo dvouvrstvou strukturou, která omezovala jejich vhodnost pro vysokofrekvenční aplikace kvůli zhoršení signálu a elektromagnetickému rušení (EMI). Nicméně zavedení vícevrstvých desek plošných spojů vedlo k pozoruhodnému pokroku v integritě signálu, zmírnění elektromagnetického rušení (EMI) a celkovém výkonu.
Vícevrstvé desky s plošnými spoji (PCB) se liší od svých jednovrstvých nebo dvouvrstvých protějšků přítomností tří nebo více vodivých vrstev, které jsou odděleny izolačním materiálem, běžně známým jako dielektrické vrstvy. Propojení těchto vrstev je usnadněno prokovy, což jsou nepatrné vodivé průchody, které usnadňují komunikaci mezi různými vrstvami. Komplikovaný design vícevrstvých desek plošných spojů umožňuje větší koncentraci součástek a složité obvody, které je činí nezbytnými pro nejmodernější technologie.
Vícevrstvé PCB typicky vykazují vysoký stupeň tuhosti kvůli inherentní výzvě dosáhnout více vrstev v rámci flexibilní struktury PCB. Elektrická spojení mezi vrstvami jsou vytvořena prostřednictvím využití několika typů prokovů, včetně slepých a zakopaných prokovů.
Konfigurace zahrnuje umístění dvou vrstev na povrch pro vytvoření spojení mezi deskou plošných spojů (PCB) a vnějším prostředím. Obecně platí, že hustota vrstev v deskách plošných spojů (PCB) je rovnoměrná. To je primárně způsobeno náchylností lichých čísel k problémům, jako je deformace.
Počet vrstev se typicky liší v závislosti na konkrétní aplikaci, typicky spadá do rozmezí čtyř až dvanácti vrstev.
Většina aplikací obvykle vyžaduje minimálně čtyři a maximálně osm vrstev. Naproti tomu aplikace, jako jsou chytré telefony, využívají převážně celkem dvanáct vrstev.

Hlavní aplikace

Vícevrstvé desky plošných spojů se používají v široké řadě elektronických aplikací, včetně:
●Spotřební elektronika, kde vícevrstvé PCB hrají zásadní roli při poskytování potřebného napájení a signálů pro širokou škálu produktů, jako jsou chytré telefony, tablety, herní konzole a nositelná zařízení. Elegantní a přenosná elektronika, na které jsme denně závislí, se připisuje její kompaktní konstrukci a vysoké hustotě komponent
●V oblasti telekomunikací usnadňuje využití vícevrstvých desek plošných spojů hladký přenos hlasových, datových a obrazových signálů napříč sítěmi, čímž zaručuje spolehlivou a efektivní komunikaci
●Průmyslové řídicí systémy silně závisí na vícevrstvých deskách s plošnými spoji (PCB) kvůli jejich schopnosti efektivně řídit složité řídicí systémy, monitorovací mechanismy a automatizační postupy. Jako základní podpůrný systém na ně spoléhají řídicí panely strojů, robotika a průmyslová automatizace
●Vícevrstvé desky plošných spojů jsou také důležité pro zdravotnická zařízení, protože jsou klíčové pro zajištění přesnosti, spolehlivosti a kompaktnosti. Diagnostická zařízení, systémy monitorování pacientů a život zachraňující zdravotnické prostředky jsou významně ovlivněny svou důležitou rolí.

Výhody a výhody

Vícevrstvé desky plošných spojů poskytují několik výhod a výhod ve vysokofrekvenčních aplikacích, včetně:
●Vylepšená integrita signálu: Vícevrstvé desky plošných spojů usnadňují směrování řízené impedance, minimalizují zkreslení signálu a zajišťují spolehlivý přenos vysokofrekvenčních signálů. Nižší interference signálu u vícevrstvých desek plošných spojů vede ke zlepšení výkonu, rychlosti a spolehlivosti
●Snížené EMI: Využitím vyhrazených zemnících a napájecích ploch vícevrstvé desky plošných spojů účinně potlačují EMI, čímž zvyšují spolehlivost systému a minimalizují interference se sousedními obvody
●Kompaktní design: Díky schopnosti pojmout více komponent a složitá schémata směrování umožňují vícevrstvé desky plošných spojů kompaktní návrhy, které jsou zásadní pro aplikace s omezeným prostorem, jako jsou mobilní zařízení a letecké systémy.
●Vylepšené řízení teploty: Vícevrstvé desky plošných spojů nabízejí účinný odvod tepla díky integraci tepelných průchodů a strategicky umístěných měděných vrstev, čímž zvyšují spolehlivost a životnost vysoce výkonných součástí.
●Flexibilita návrhu: Všestrannost vícevrstvých desek plošných spojů umožňuje větší flexibilitu návrhu a umožňuje inženýrům optimalizovat parametry výkonu, jako je impedanční přizpůsobení, zpoždění šíření signálu a distribuce energie.

Nevýhody

Jednou z hlavních nevýhod spojených s vícevrstvými deskami s plošnými spoji je jejich vyšší cena ve srovnání s jednovrstvými a dvouvrstvými PCB ve všech fázích výrobního procesu. Vyšší náklady jsou spojeny především se specializovaným vybavením potřebným k jejich výrobě.
Výroba je také složitější, protože výroba vícevrstvých DPS vyžaduje výrazně delší dobu návrhu a pečlivé výrobní postupy ve srovnání s jinými typy DPS. Složitost výroby: Výroba vícevrstvých desek plošných spojů vyžaduje sofistikované výrobní procesy, včetně přesného vyrovnání vrstev, řízeného směrování impedance a přísných opatření kontroly kvality, což vede ke zvýšeným výrobním nákladům a delším dodacím lhůtám.
Vícevrstvé desky plošných spojů vyžadují důkladný předběžný návrh, a proto jsou pro jejich vývoj zapotřebí zkušení inženýři. Výroba každé desky vyžaduje značné množství času, což vede ke zvýšeným mzdovým nákladům. Navíc to může vést k prodloužení časových intervalů mezi zadáním objednávky a přijetím produktu, což může být v některých situacích problém.
Tyto obavy však nepodkopávají účinnost vícevrstvých desek s plošnými spoji (PCB). Přestože jsou vícevrstvé desky plošných spojů často dražší než jednovrstvé desky plošných spojů, nabízejí ve srovnání s touto konkrétní formou desky plošných spojů četné výhody.
Vzhledem k tomu, že se elektronická zařízení stále zmenšují a zvyšuje se hustota výkonu, efektivní tepelné řízení se stává u vícevrstvých desek plošných spojů kritickým, což vyžaduje inovativní řešení ke zmírnění tepelných hotspotů a zajištění optimálního výkonu. Ověření výkonu vícevrstvých návrhů desek plošných spojů navíc vyžaduje komplexní testovací metodiky, včetně simulace, prototypování a testování shody, aby byla zajištěna shoda s průmyslovými standardy a specifikacemi.

Tipy pro návrh vícevrstvých desek plošných spojů

Při vytváření vícevrstvé desky s plošnými spoji (PCB) pro vysokofrekvenční aplikace se obvykle hodí několik užitečných návrhů.
Aby se zmírnily problémy při návrhu vícevrstvých desek plošných spojů, hlavní oblast důrazu se obvykle točí kolem stohování. Při rozhodování o vrstvení vrstev je důležité vzít v úvahu faktory, jako je funkčnost, výroba a nasazení.
Začněte optimalizací rozměrů desky, protože to ovlivní rozhodnutí týkající se dalších charakteristik. Při určování ideální velikosti desky vezměte v úvahu následující faktory:
●Počet součástek, které mají být umístěny na desce
●Velikost těchto součástí
●Kde bude deska instalována
●Přídavky výrobního partnera na rozteče, vůle a vrtané otvory
Jakmile je určen počet vrstev, provede se výběr prokovů, ať už slepých, průchozích otvorů, zakopaných nebo prokovů v podložce. Tento aspekt ovlivňuje složitost výroby, potažmo kvalitu PCB.
V sekci návrhu vícevrstvých DPS je software pro návrh DPS nezbytnou součástí procesu návrhu. Pomáhá návrhářům generovat strukturu mechanického a kabelového spojení PCB z netlistu a umístit tuto strukturu spojení na vícevrstvé a generovat počítačově podporované soubory návrhu. Tento CAD je nezbytný při výrobě PCB. Existuje několik možností softwaru pro návrh PCB, které můžete použít k návrhu vícevrstvé PCB. Některé z nich se však používají více než jiné, mimo jiné zejména kvůli jejich jednoduššímu rozhraní.
Rovněž je třeba vzít v úvahu DFM, jejímž cílem je vytvářet součásti a součásti produktu, které usnadňují výrobu. Cílem je získat vysoce kvalitní produkty za snížené náklady. V důsledku toho to znamená zefektivnění, vylepšení a zdokonalení designu produktu. DFM by mělo být provedeno včas před zahájením obrábění. Je nezbytné zapojit všechny zainteresované strany do DFM. Zásadní je zapojení několika zainteresovaných stran, včetně designérů, inženýrů, smluvních výrobců, dodavatelů materiálů a výrobců forem. Tímto způsobem lze zmírnit možné problémy s designem.

Vyrobitelnost

Výroba vícevrstvých desek plošných spojů pro vysokofrekvenční aplikace zahrnuje několik klíčových kroků:
●Design and Layout: Inženýři využívají specializovaný software pro návrh PCB k vytvoření rozložení, přičemž berou v úvahu faktory, jako je integrita signálu, tepelné řízení a zmírnění EMI.
●Výběr materiálu: Vysoce kvalitní materiály s nízkou dielektrickou konstantou a ztrátovou tangentou jsou vybrány tak, aby minimalizovaly ztráty signálu a zachovaly vysokofrekvenční výkon.
●Plánování vrstvení: Skládání vrstev je pečlivě naplánováno pro optimalizaci směrování signálu, přizpůsobení impedance a tepelného rozptylu s ohledem na faktory, jako je frekvence signálu, tloušťka desky a tloušťka mědi.
●Výroba a montáž: K výrobě vícevrstvých desek plošných spojů s přesností a spolehlivostí se používají pokročilé výrobní techniky, jako je laserové vrtání, sekvenční laminace a řízené impedanční leptání.
●Testování a zajištění kvality: Pro zajištění výkonu, spolehlivosti a souladu vícevrstvých desek plošných spojů s průmyslovými standardy a specifikacemi jsou prováděny přísné testovací postupy, včetně analýzy integrity signálu, měření impedance, tepelného zobrazování a testování EMI.

Závěr

Evoluce vícevrstvého designu PCB způsobila revoluci v oblasti vysokofrekvenční elektroniky a umožnila vývoj sofistikovaných zařízení se zvýšeným výkonem, spolehlivostí a funkčností. Navzdory problémům v oblasti integrity signálu, složitosti výroby a tepelného managementu výhody vícevrstvých desek plošných spojů daleko převažují nad problémy, takže jsou nepostradatelné v široké řadě vysokofrekvenčních aplikací, včetně telekomunikací, letectví, automobilového průmyslu a lékařské elektroniky. S neustálým pokrokem v materiálech, výrobních technikách a metodologiích návrhu jsou vícevrstvé desky plošných spojů připraveny pokračovat v podpoře inovací ve vysokofrekvenční elektronice v nadcházejících letech.