W stale zmieniającej się dziedzinie elektroniki rośnie zapotrzebowanie na urządzenia o wysokiej wydajności i rozszerzonej funkcjonalności. Zapotrzebowanie na technologię płytek drukowanych (PCB) spowodowało znaczny postęp, szczególnie w dziedzinie zastosowań o wysokiej częstotliwości. Wykorzystanie wielowarstwowej konstrukcji PCB stało się kluczowym rozwiązaniem pozwalającym spełnić rygorystyczne wymagania tych zastosowań.

Pojawienie się wielowarstwowych płytek PCB

Historycznie rzecz biorąc, płytki obwodów drukowanych charakteryzowały się przede wszystkim jedno- lub dwuwarstwową strukturą, co narzucało ograniczenia na ich przydatność do zastosowań o wysokiej częstotliwości ze względu na pogorszenie sygnału i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Niemniej jednak wprowadzenie wielowarstwowych płytek drukowanych zaowocowało znaczącym postępem w zakresie integralności sygnału, łagodzenia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i ogólnej wydajności.
Wielowarstwowe płytki drukowane (PCB) różnią się od swoich jedno- lub dwuwarstwowych odpowiedników obecnością trzech lub więcej warstw przewodzących oddzielonych materiałem izolacyjnym, powszechnie znanym jako warstwy dielektryczne. Wzajemne połączenie tych warstw ułatwiają przelotki, czyli maleńkie przewodzące przejścia ułatwiające komunikację pomiędzy odrębnymi warstwami. Skomplikowana konstrukcja wielowarstwowych płytek PCB umożliwia większą koncentrację komponentów i skomplikowanych obwodów, co czyni je niezbędnymi dla najnowocześniejszej technologii.
Wielowarstwowe płytki PCB zazwyczaj charakteryzują się wysokim stopniem sztywności ze względu na nieodłączne wyzwanie, jakim jest uzyskanie wielu warstw w elastycznej strukturze PCB. Połączenia elektryczne pomiędzy warstwami realizowane są poprzez zastosowanie kilku rodzajów przelotek, w tym przelotek ślepych i zakopanych.
Konfiguracja obejmuje umieszczenie dwóch warstw na powierzchni w celu ustanowienia połączenia pomiędzy płytką drukowaną (PCB) a środowiskiem zewnętrznym. Ogólnie rzecz biorąc, gęstość warstw płytek drukowanych (PCB) jest równa. Wynika to przede wszystkim z podatności liczb nieparzystych na takie problemy, jak wypaczenie.
Liczba warstw zazwyczaj różni się w zależności od konkretnego zastosowania i zwykle mieści się w zakresie od czterech do dwunastu warstw.
Zazwyczaj większość zastosowań wymaga minimum czterech i maksymalnie ośmiu warstw. Z kolei aplikacje takie jak smartfony wykorzystują przeważnie łącznie dwanaście warstw.

Główne zastosowania

Wielowarstwowe płytki PCB są wykorzystywane w szerokiej gamie zastosowań elektronicznych, w tym:
●Elektronika użytkowa, w której wielowarstwowe płytki PCB odgrywają zasadniczą rolę w dostarczaniu niezbędnego zasilania i sygnałów dla szerokiej gamy produktów, takich jak smartfony, tablety, konsole do gier i urządzenia do noszenia. Elegancką i przenośną elektronikę, na której codziennie polegamy, przypisuje się jej kompaktową konstrukcję i dużą gęstość podzespołów
●W telekomunikacji zastosowanie wielowarstwowych płytek drukowanych ułatwia płynną transmisję głosu, danych i sygnałów wideo w sieciach, gwarantując w ten sposób niezawodną i efektywną komunikację
●Przemysłowe systemy sterowania w dużym stopniu zależą od wielowarstwowych płytek drukowanych (PCB) ze względu na ich zdolność do skutecznego zarządzania skomplikowanymi systemami sterowania, mechanizmami monitorowania i procedurami automatyzacji. Panele sterowania maszyn, robotyka i automatyka przemysłowa wykorzystują je jako podstawowy system wsparcia
●Wielowarstwowe płytki PCB mają również zastosowanie w urządzeniach medycznych, ponieważ mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia precyzji, niezawodności i zwartości. Istotna rola, jaką pełnią urządzenia diagnostyczne, systemy monitorowania pacjenta i wyroby medyczne ratujące życie, ma istotny wpływ.

Korzyści i zalety

Wielowarstwowe płytki PCB zapewniają szereg korzyści i zalet w zastosowaniach wymagających wysokiej częstotliwości, w tym:
●Większa integralność sygnału: Wielowarstwowe płytki PCB ułatwiają kontrolowane trasowanie impedancji, minimalizując zniekształcenia sygnału i zapewniając niezawodną transmisję sygnałów o wysokiej częstotliwości. Niższe zakłócenia sygnału wielowarstwowych płytek drukowanych skutkują lepszą wydajnością, szybkością i niezawodnością
●Zmniejszone zakłócenia elektromagnetyczne: Dzięki wykorzystaniu dedykowanych płaszczyzn uziemienia i zasilania wielowarstwowe płytki PCB skutecznie tłumią zakłócenia elektromagnetyczne, zwiększając w ten sposób niezawodność systemu i minimalizując zakłócenia z sąsiednimi obwodami
●Kompaktowa konstrukcja: Dzięki możliwości pomieszczenia większej liczby komponentów i złożonym schematom trasowania, wielowarstwowe płytki PCB umożliwiają tworzenie kompaktowych projektów, kluczowych w zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni, takich jak urządzenia mobilne i systemy lotnicze.
●Ulepszone zarządzanie ciepłem: Wielowarstwowe płytki PCB zapewniają efektywne odprowadzanie ciepła poprzez integrację przelotek termicznych i strategicznie rozmieszczonych warstw miedzi, zwiększając niezawodność i żywotność komponentów o dużej mocy.
● Elastyczność projektowania: wszechstronność wielowarstwowych płytek PCB pozwala na większą elastyczność projektowania, umożliwiając inżynierom optymalizację parametrów wydajności, takich jak dopasowanie impedancji, opóźnienie propagacji sygnału i dystrybucja mocy.

Wady

Jedną z głównych wad wielowarstwowych płytek drukowanych jest ich wyższy koszt w porównaniu z jedno- i dwuwarstwowymi płytkami PCB na wszystkich etapach procesu produkcyjnego. Wyższy koszt związany jest głównie ze specjalistycznym sprzętem niezbędnym do ich produkcji.
Produkcja jest również bardziej złożona, ponieważ produkcja wielowarstwowych płytek PCB wymaga znacznie dłuższego okresu projektowania i skrupulatnych metod produkcji w porównaniu z innymi typami płytek PCB. Złożoność produkcji: Produkcja wielowarstwowych płytek PCB wymaga wyrafinowanych procesów produkcyjnych, w tym precyzyjnego ułożenia warstw, kontrolowanego prowadzenia impedancji i rygorystycznych środków kontroli jakości, co prowadzi do zwiększonych kosztów produkcji i dłuższych czasów realizacji.
Wielowarstwowe płytki PCB wymagają dokładnego projektowania wstępnego, dlatego do ich opracowania potrzebni są biegli inżynierowie. Produkcja każdej deski wymaga znacznej ilości czasu, co prowadzi do zwiększonych kosztów pracy. Ponadto może skutkować wydłużeniem odstępów czasowych pomiędzy złożeniem zamówienia a otrzymaniem produktu, co w niektórych sytuacjach może stanowić wyzwanie.
Niemniej jednak obawy te nie podważają skuteczności wielowarstwowych płytek drukowanych (PCB). Chociaż wielowarstwowe płytki PCB są często droższe niż jednowarstwowe płytki PCB, oferują one wiele zalet w porównaniu z tą szczególną formą płytek drukowanych.
Ponieważ urządzenia elektroniczne stale zmniejszają się i zwiększają gęstość mocy, skuteczne zarządzanie ciepłem staje się krytyczne w wielowarstwowych płytkach drukowanych, co wymaga innowacyjnych rozwiązań łagodzących gorące punkty termiczne i zapewniających optymalną wydajność. Ponadto walidacja wydajności wielowarstwowych projektów PCB wymaga kompleksowych metod testowania, w tym symulacji, prototypowania i testów zgodności, aby zapewnić zgodność z normami i specyfikacjami branżowymi.

Wskazówki dotyczące projektowania wielowarstwowych płytek PCB

Podczas tworzenia wielowarstwowej płytki drukowanej (PCB) do zastosowań wymagających wysokiej częstotliwości zwykle przydatnych jest kilka przydatnych sugestii.
Aby złagodzić problemy związane z projektowaniem wielowarstwowych płytek PCB, główny obszar zainteresowania zwykle skupia się na układaniu stosów. Dokonując oceny na temat układania warstw, ważne jest, aby wziąć pod uwagę takie czynniki, jak funkcjonalność, produkcja i wdrożenie.
Rozpocznij od optymalizacji wymiarów planszy, ponieważ będzie to miało wpływ na decyzje dotyczące innych cech. Przy określaniu idealnego rozmiaru deski należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:
●Liczba komponentów, które mają zostać umieszczone na płycie
●Rozmiar tych elementów
●Gdzie tablica zostanie zainstalowana
●Dodatki partnera produkcyjnego dotyczące odstępów, prześwitów i otworów
Po ustaleniu liczby warstw należy dokonać wyboru przelotek: ślepych, przelotowych, zakopanych lub w podkładce. Ten aspekt wpływa na złożoność produkcji, a tym samym na jakość PCB.
W sekcji projektowania wielowarstwowych płytek PCB oprogramowanie do projektowania płytek PCB jest istotną częścią procesu projektowania. Pomaga projektantom wygenerować strukturę połączeń mechanicznych i okablowania płytki drukowanej na podstawie listy sieci i umieścić tę strukturę połączeń na wielu warstwach oraz wygenerować pliki projektów wspomaganych komputerowo. Ten CAD jest niezbędny przy produkcji PCB. Istnieje kilka opcji oprogramowania do projektowania płytek PCB, których można użyć do zaprojektowania wielowarstwowej płytki PCB. Jednak niektóre z nich są używane szerzej niż inne, szczególnie między innymi ze względu na prostszy interfejs.
Uwzględniony zostanie również DFM, którego celem jest tworzenie części i komponentów produktów ułatwiających produkcję. Celem jest uzyskanie produktów wysokiej jakości przy obniżonych kosztach. W konsekwencji wiąże się to z usprawnieniem, udoskonaleniem i udoskonaleniem projektu produktu. DFM należy przeprowadzić w odpowiednim czasie przed rozpoczęciem oprzyrządowania. Niezbędne jest zaangażowanie wszystkich zainteresowanych stron w DFM. Zaangażowanie kilku interesariuszy, w tym projektantów, inżynierów, producentów kontraktowych, dostawców materiałów i konstruktorów form, ma kluczowe znaczenie. W ten sposób można złagodzić potencjalne problemy związane z projektem.

Produktywność

Produkcja wielowarstwowych płytek PCB do zastosowań o wysokiej częstotliwości obejmuje kilka kluczowych etapów:
●Projekt i układ: Inżynierowie korzystają ze specjalistycznego oprogramowania do projektowania płytek PCB, aby stworzyć układ, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak integralność sygnału, zarządzanie temperaturą i łagodzenie zakłóceń elektromagnetycznych.
●Wybór materiału: Wysokiej jakości materiały o niskiej stałej dielektrycznej i stycznej strat zostały wybrane w celu zminimalizowania utraty sygnału i utrzymania wydajności w zakresie wysokich częstotliwości.
●Planowanie układania warstw: Układ warstw jest starannie planowany w celu optymalizacji trasowania sygnału, dopasowania impedancji i rozpraszania ciepła, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak częstotliwość sygnału, grubość płytki i grubość miedzi.
●Wytwarzanie i montaż: Zaawansowane techniki produkcyjne, takie jak wiercenie laserowe, laminowanie sekwencyjne i trawienie o kontrolowanej impedancji, są wykorzystywane do produkcji wielowarstwowych płytek PCB z precyzją i niezawodnością.
●Testowanie i zapewnienie jakości: Rygorystyczne procedury testowe, w tym analiza integralności sygnału, pomiary impedancji, obrazowanie termiczne i testy EMI, są przeprowadzane w celu zapewnienia wydajności, niezawodności i zgodności wielowarstwowych płytek PCB ze standardami i specyfikacjami branżowymi.

Wniosek

Ewolucja konstrukcji wielowarstwowych płytek PCB zrewolucjonizowała dziedzinę elektroniki wysokiej częstotliwości, umożliwiając rozwój wyrafinowanych urządzeń o zwiększonej wydajności, niezawodności i funkcjonalności. Pomimo wyzwań związanych z integralnością sygnału, złożonością produkcji i zarządzaniem temperaturą, zalety wielowarstwowych płytek PCB znacznie przewyższają te wyzwania, co czyni je niezbędnymi w szerokim zakresie zastosowań wysokich częstotliwości, w tym w telekomunikacji, przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i elektronice medycznej. Dzięki ciągłemu postępowi w materiałach, technikach wytwarzania i metodologii projektowania wielowarstwowe płytki PCB będą w nadchodzących latach nadal napędzać innowacje w elektronice wysokiej częstotliwości.