Potreba vysokovýkonných zariadení s rozšírenou funkcionalitou sa v neustále sa meniacej oblasti elektroniky zvyšuje. Potreba technológie dosiek plošných spojov (PCB) viedla k výraznému pokroku, najmä v oblasti vysokofrekvenčných aplikácií. Využitie viacvrstvového dizajnu DPS sa stalo kľúčovým riešením pre uspokojenie náročných požiadaviek týchto aplikácií.

Nástup viacvrstvových PCB

Historicky boli dosky plošných spojov primárne charakterizované ich jednovrstvovou alebo dvojvrstvovou štruktúrou, ktorá obmedzovala ich vhodnosť pre vysokofrekvenčné aplikácie v dôsledku zhoršenia signálu a elektromagnetického rušenia (EMI). Zavedenie viacvrstvových dosiek plošných spojov však viedlo k výraznému pokroku v integrite signálu, zmiernení elektromagnetického rušenia (EMI) a celkovom výkone.
Viacvrstvové dosky plošných spojov (PCB) sa líšia od ich jednovrstvových alebo dvojvrstvových náprotivkov prítomnosťou troch alebo viacerých vodivých vrstiev, ktoré sú oddelené izolačným materiálom, bežne známym ako dielektrické vrstvy. Vzájomné prepojenie týchto vrstiev je uľahčené priechodmi, čo sú nepatrné vodivé priechody, ktoré uľahčujú komunikáciu medzi rôznymi vrstvami. Komplikovaný dizajn viacvrstvových dosiek plošných spojov umožňuje väčšiu koncentráciu komponentov a zložitých obvodov, čo ich robí nevyhnutnými pre najmodernejšie technológie.
Viacvrstvové PCB typicky vykazujú vysoký stupeň tuhosti kvôli inherentnej výzve dosiahnuť viac vrstiev v rámci flexibilnej štruktúry PCB. Elektrické spojenia medzi vrstvami sa vytvárajú prostredníctvom využitia niekoľkých typov priechodov, vrátane slepých a zakopaných priechodov.
Konfigurácia zahŕňa umiestnenie dvoch vrstiev na povrchu na vytvorenie spojenia medzi doskou plošných spojov (PCB) a vonkajším prostredím. Vo všeobecnosti je hustota vrstiev na doskách plošných spojov (PCB) rovnomerná. Je to predovšetkým kvôli náchylnosti nepárnych čísel k problémom, ako je deformácia.
Počet vrstiev sa typicky mení v závislosti od konkrétnej aplikácie, typicky spadá do rozsahu štyroch až dvanástich vrstiev.
Väčšina aplikácií si zvyčajne vyžaduje minimálne štyri a maximálne osem vrstiev. Na rozdiel od toho aplikácie, ako sú smartfóny, využívajú celkovo dvanásť vrstiev.

Hlavné aplikácie

Viacvrstvové PCB sa používajú v širokej škále elektronických aplikácií, vrátane:
●Spotrebná elektronika, kde viacvrstvové dosky plošných spojov zohrávajú základnú úlohu pri poskytovaní potrebného napájania a signálov pre širokú škálu produktov, ako sú smartfóny, tablety, herné konzoly a nositeľné zariadenia. Elegantná a prenosná elektronika, na ktorú sme denne závislí, sa pripisuje jej kompaktnému dizajnu a vysokej hustote komponentov
●V oblasti telekomunikácií využitie viacvrstvových PCB uľahčuje plynulý prenos hlasu, dát a video signálov cez siete, čím zaručuje spoľahlivú a efektívnu komunikáciu
●Priemyselné riadiace systémy silne závisia od viacvrstvových dosiek plošných spojov (PCB) kvôli ich schopnosti efektívne riadiť zložité riadiace systémy, monitorovacie mechanizmy a automatizačné postupy. Ako základný podporný systém sa na ne spoliehajú ovládacie panely strojov, robotika a priemyselná automatizácia
●Viacvrstvové PCB sú dôležité aj pre zdravotnícke zariadenia, pretože sú rozhodujúce pre zabezpečenie presnosti, spoľahlivosti a kompaktnosti. Dôležitá úloha diagnostických zariadení, systémov monitorovania pacientov a život zachraňujúcich zdravotníckych zariadení výrazne ovplyvňuje.

Výhody a výhody

Viacvrstvové PCB poskytujú niekoľko výhod a výhod vo vysokofrekvenčných aplikáciách, vrátane:
●Vylepšená integrita signálu: Viacvrstvové dosky plošných spojov uľahčujú smerovanie riadenej impedancie, minimalizujú skreslenie signálu a zabezpečujú spoľahlivý prenos vysokofrekvenčných signálov. Nižšie rušenie signálu viacvrstvových dosiek plošných spojov vedie k zlepšeniu výkonu, rýchlosti a spoľahlivosti
●Redukované EMI: Využitím vyhradených uzemňovacích a napájacích plôch viacvrstvové dosky plošných spojov účinne potláčajú EMI, čím zvyšujú spoľahlivosť systému a minimalizujú interferenciu so susednými obvodmi.
●Kompaktný dizajn: Vďaka schopnosti prispôsobiť sa viacerým komponentom a zložitým schémam smerovania umožňujú viacvrstvové dosky plošných spojov kompaktný dizajn, ktorý je rozhodujúci pre aplikácie s obmedzeným priestorom, ako sú mobilné zariadenia a letecké systémy.
●Vylepšené tepelné riadenie: Viacvrstvové dosky plošných spojov ponúkajú efektívny odvod tepla prostredníctvom integrácie tepelných priechodov a strategicky umiestnených medených vrstiev, čím sa zvyšuje spoľahlivosť a životnosť vysokovýkonných komponentov.
●Prispôsobivosť dizajnu: Všestrannosť viacvrstvových dosiek plošných spojov umožňuje väčšiu flexibilitu dizajnu, čo umožňuje inžinierom optimalizovať parametre výkonu, ako je impedančné prispôsobenie, oneskorenie šírenia signálu a distribúcia energie.

Nevýhody

Jednou z hlavných nevýhod spojených s viacvrstvovými doskami plošných spojov je ich vyššia cena v porovnaní s jednovrstvovými a dvojvrstvovými doskami plošných spojov vo všetkých fázach výrobného procesu. Vyššie náklady sú spojené najmä so špecializovaným vybavením potrebným na ich výrobu.
Výroba je tiež zložitejšia, keďže výroba viacvrstvových DPS si vyžaduje podstatne dlhšiu dobu navrhovania a precízne výrobné postupy v porovnaní s inými typmi DPS. Výrobná zložitosť: Výroba viacvrstvových dosiek plošných spojov si vyžaduje sofistikované výrobné procesy, vrátane presného zarovnania vrstiev, riadeného smerovania impedancie a prísnych opatrení na kontrolu kvality, čo vedie k zvýšeným výrobným nákladom a dlhším dodacím časom.
Viacvrstvové dosky plošných spojov si vyžadujú dôkladný predbežný návrh, a preto sú na ich vývoj potrební skúsení inžinieri. Výroba každej dosky si vyžaduje značné množstvo času, čo vedie k zvýšeným nákladom na pracovnú silu. Okrem toho to môže viesť k predĺženiu časových intervalov medzi zadaním objednávky a prijatím produktu, čo môže byť v niektorých situáciách problém.
Napriek tomu tieto obavy neohrozujú účinnosť viacvrstvových dosiek s plošnými spojmi (PCB). Hoci sú viacvrstvové PCB často drahšie ako jednovrstvové PCB, ponúkajú množstvo výhod v porovnaní s touto konkrétnou formou dosky plošných spojov.
Ako sa elektronické zariadenia stále zmenšujú a zvyšuje sa hustota výkonu, efektívny tepelný manažment sa stáva kritickým vo viacvrstvových PCB, čo si vyžaduje inovatívne riešenia na zmiernenie tepelných hotspotov a zabezpečenie optimálneho výkonu. Okrem toho si overenie výkonu viacvrstvových návrhov dosiek plošných spojov vyžaduje komplexné testovacie metódy vrátane simulácie, prototypovania a testovania zhody, aby sa zabezpečil súlad s priemyselnými štandardmi a špecifikáciami.

Tipy na návrh viacvrstvových dosiek plošných spojov

Pri vytváraní viacvrstvovej dosky plošných spojov (PCB) pre vysokofrekvenčné aplikácie sa zvyčajne hodí niekoľko užitočných návrhov.
S cieľom zmierniť problémy v dizajne viacvrstvových PCB sa primárna oblasť dôrazu zvyčajne točí okolo stohovania. Pri rozhodovaní o vrstvení je dôležité vziať do úvahy faktory, ako je funkčnosť, výroba a nasadenie.
Začnite optimalizáciou rozmerov dosky, pretože to ovplyvní rozhodnutia týkajúce sa iných charakteristík. Pri určovaní ideálnej veľkosti dosky zohľadnite nasledujúce faktory:
●Počet komponentov, ktoré sa majú umiestniť na dosku
●Veľkosť týchto komponentov
●Kde bude doska nainštalovaná
●Tolerancie výrobného partnera pre rozstupy, vôle a vŕtané otvory
Po rozhodnutí o počte vrstiev sa vykoná výber priechodov, či už slepých, priechodných otvorov, zakopaných alebo prestupov v podložke. Tento aspekt ovplyvňuje zložitosť výroby, teda kvalitu PCB.
V časti návrhu viacvrstvových dosiek plošných spojov je softvér na návrh dosiek plošných spojov nevyhnutnou súčasťou procesu návrhu. Pomáha dizajnérom generovať štruktúru mechanického a káblového spojenia DPS z netlistu a umiestniť túto štruktúru spojenia na viacvrstvové a generovať počítačom podporované súbory návrhu. Tento CAD je nevyhnutný pri výrobe PCB. Existuje niekoľko možností softvéru na návrh PCB, ktoré môžete použiť na návrh viacvrstvovej PCB. Niektoré z nich sa však používajú širšie ako iné, najmä kvôli ich jednoduchšiemu rozhraniu, okrem iného.
Zohľadňuje sa aj DFM, ktorej cieľom je vytvárať časti a komponenty produktu, ktoré uľahčujú výrobu. Cieľom je získať vysokokvalitné produkty pri znížených nákladoch. V dôsledku toho to znamená zefektívnenie, vylepšenie a zdokonalenie dizajnu produktu. DFM by sa malo vykonať včas pred začatím obrábania. Je nevyhnutné zapojiť všetky zainteresované strany do DFM. Zapojenie niekoľkých zainteresovaných strán vrátane dizajnérov, inžinierov, zmluvných výrobcov, dodávateľov materiálov a výrobcov foriem je kľúčové. Tým sa dajú zmierniť možné problémy s dizajnom.

Vyrobiteľnosť

Výroba viacvrstvových dosiek plošných spojov pre vysokofrekvenčné aplikácie zahŕňa niekoľko kľúčových krokov:
●Dizajn a rozloženie: Inžinieri využívajú špecializovaný softvér na návrh PCB na vytvorenie rozloženia, pričom zohľadňujú faktory, ako je integrita signálu, tepelné riadenie a zmiernenie EMI.
●Výber materiálu: Vysokokvalitné materiály s nízkou dielektrickou konštantou a stratovou tangentou sú zvolené tak, aby minimalizovali straty signálu a zachovali vysokofrekvenčný výkon.
●Plánovanie vrstvenia: Ukladanie vrstiev je starostlivo naplánované, aby sa optimalizovalo smerovanie signálu, prispôsobenie impedancie a rozptyl tepla, pričom sa berú do úvahy faktory, ako je frekvencia signálu, hrúbka dosky a hrúbka medi.
●Výroba a montáž: Na výrobu viacvrstvových dosiek plošných spojov s presnosťou a spoľahlivosťou sa používajú pokročilé výrobné techniky, ako je vŕtanie laserom, sekvenčná laminácia a leptanie s riadenou impedanciou.
●Testovanie a zabezpečenie kvality: Na zabezpečenie výkonu, spoľahlivosti a súladu viacvrstvových PCB s priemyselnými štandardmi a špecifikáciami sa vykonávajú prísne testovacie postupy vrátane analýzy integrity signálu, meraní impedancie, tepelného zobrazovania a testovania EMI.

Záver

Evolúcia viacvrstvového dizajnu PCB spôsobila revolúciu v oblasti vysokofrekvenčnej elektroniky a umožnila vývoj sofistikovaných zariadení so zvýšeným výkonom, spoľahlivosťou a funkčnosťou. Napriek výzvam v oblasti integrity signálu, zložitosti výroby a tepelného manažmentu výhody viacvrstvových dosiek plošných spojov ďaleko prevažujú nad výzvami, vďaka čomu sú nepostrádateľné v širokej škále vysokofrekvenčných aplikácií vrátane telekomunikácií, letectva, automobilového priemyslu a lekárskej elektroniky. S neustálym pokrokom v materiáloch, výrobných technikách a metodológiách dizajnu sú viacvrstvové PCB pripravené pokračovať v inováciách vo vysokofrekvenčnej elektronike v nasledujúcich rokoch.