양면 PCB와 단일 및 다층: 장점 및 레이어 선택 가이드

PCB 레이어 결정: 비용, 밀도 및 성능

모든 회로 기판 설계는 기본적인 선택, 즉 얼마나 많은 전도성 레이어가 필요한지부터 시작됩니다. 는 단면 vs 양면 PCB 질문은 첫 번째 분기점이고, 양면에서 다층으로의 단계는 두 번째입니다. 점프할 때마다 비용, 복잡성 및 기능이 추가됩니다. 단면 보드는 모든 구리를 한 면에 배치하여 모든 신호 트레이스가 교차하지 않고 구성 요소 리드 주위를 탐색하도록 합니다. 에이 양면 PCB 두 번째 구리 레이어를 추가하고 두 레이어를 도금된 스루홀로 연결하여 사용 가능한 라우팅 영역을 대략 두 배로 늘립니다. 다층 기판은 전용 전원 및 접지면을 사용하여 4개, 6개 이상의 층을 쌓아 상당한 가격 프리미엄으로 신호 무결성과 전자기 호환성을 변환합니다.

이 가이드는 다음을 통해 작동합니다. 양면 PCB vs multilayer PCB 그리고 단면 vs 양면 PCB 실용적인 측면에서의 비교: 평방 센티미터당 비용, 밀도, 최대 부품 핀 수 및 EMI 제어를 통해. 결국, 당신은 명확한 것을 갖게 될 것입니다 PCB 레이어 선택 가이드 이는 스택업을 과도하게 엔지니어링하지 않고도 보드 복잡성을 제품의 전기적 및 기계적 요구 사항에 맞게 조정합니다.

단면 PCB와 양면 PCB: 첫 번째 큰 단계

단면 PCB는 거의 항상 FR-4 또는 페놀성 종이로 한쪽 면에만 구리 호일이 있는 기판입니다. 구성 요소는 납이 납땜된 패드를 뚫고 나와 있는 비구리 측에 위치합니다. 모든 라우팅은 단일 구리 레이어에서 이루어지며, 이로 인해 다른 트레이스와 교차하는 트레이스는 우회하거나 0옴 점퍼 와이어를 사용하게 됩니다. 이는 소수의 개별 구성 요소가 포함된 전원 공급 장치, LED 보드 또는 간단한 센서 인터페이스 등 복잡도가 낮은 회로에 적합합니다. 마이크로컨트롤러, RF 섹션 또는 밀도가 높은 커넥터가 회로도에 들어가는 순간 단면 라우팅은 실용적이지 않거나 불가능해집니다.

는 양면 PCB advantages 비아로 단면 시작. 두 번째 구리 층을 추가하고 구멍을 통해 도금함으로써 어느 지점에서든 신호가 상단에서 하단 레이어로 이동할 수 있습니다. 설계자는 불가능한 쥐둥지 없이 고밀도 BGA 또는 QFP 패키지를 라우팅할 수 있습니다. 양면 보드는 또한 한 레이어에 접지 채우기를 허용하여 신호 반환 경로를 개선하고 방사 잡음을 줄입니다. 이는 단면 설계에는 없는 기능입니다. 두 번째 레이어와 도금된 구멍을 추가하는 데 드는 비용은 다음과 같습니다. 일반적으로 30%~60% 동등한 단면 보드에 비해 점퍼 와이어, 수동 조립 시간 및 신뢰성 위험을 구매하는 프리미엄입니다.

양면 PCB와 다층 PCB: 두 개의 레이어가 충분하지 않은 경우

는 양면 PCB vs multilayer PCB 신호 무결성, 전력 분배 또는 구성 요소 밀도가 두 개의 구리 평면을 압도할 때 임계값이 초과됩니다. 양면 보드는 전원과 접지가 신호와 함께 라우팅 공간을 공유하도록 강제하며, 종종 구성 요소 주위에 굵은 흔적이 엮이게 됩니다. 이는 높은 루프 인덕턴스, 전압 강하 및 누화를 생성합니다. 가장 단순한 다층인 4레이어 보드는 일반적으로 내부 레이어를 견고한 접지면과 전원면 전용으로 사용합니다. 이는 모든 신호의 반환 경로를 트레이스에 직접 인접하게 만들고 루프 영역을 줄이며 방사 방출을 다음과 같이 가져옵니다. 10dB 이상 조각난 바닥 채우기가 있는 2층 레이아웃과 비교됩니다.

다층 보드는 또한 마이크로스트립이나 스트립라인 임피던스 제어가 필요한 핀 수가 많은 BGA와 고밀도 메모리 인터페이스를 처리합니다. 2층 보드의 DDR3 또는 DDR4 메모리 버스는 타이밍을 유지하면서 라우팅하는 것이 거의 불가능합니다. 기준면이 묻혀 있는 4개 또는 6개의 레이어가 기준선입니다. 이 기능의 가격은 가파르다. 4레이어 보드 비용 2~3회 2층에 상당하는 수준이며, 라미네이션 주기가 늘어나기 때문에 리드타임이 늘어납니다. 양면에서 다층으로 전환하는 결정은 명확한 기술 요구 사항에 따라 이루어져야 하며, 더 많은 층이 항상 더 낫다는 가정에 따라 이루어져서는 안됩니다.

양면 PCB의 장점: 두 개의 레이어가 업계 기본으로 남아 있는 이유

는 양면 PCB advantages 라우팅 완화를 넘어 확장됩니다. 비용이 가장 확실합니다. 2층 보드는 단일 적층 주기, 표준 양면 구리 피복 적층판 및 간단한 드릴-플레이트-식각 공정을 사용합니다. 내부 레이어 등록 및 라미네이션 단계가 없기 때문에 수율은 높고 가격은 저렴합니다. 에 대한 1온스 구리를 포함하는 FR-4의 100 × 100mm 보드 , 10개 조각으로 구성된 양면 프로토타입 배치의 가격은 50달러 미만인 반면, 4개 레이어에 해당하는 제품은 종종 150달러를 초과합니다.

재작업과 디버깅은 두 계층에서 더 간단합니다. 모든 흔적은 두 개의 외부 표면 중 하나에서 볼 수 있습니다. 프로빙을 위해 X선이 필요한 신호가 묻혀 있지 않습니다. 흔적을 잘라내거나 보드 와이어를 추가해야 하는 경우 접근이 쉽지 않습니다. 대조적으로, 4레이어 보드에서 내부 레이어 트레이스를 수정하는 것은 사실상 불가능합니다. 이러한 가시성은 불러오기 및 결함 찾기를 가속화하므로 최종 제품이 더 높은 레이어 수로 이동하더라도 많은 개발 보드와 개념 증명 프로토타입이 2레이어를 유지하는 이유입니다. 는 양면 PCB applications 이로부터 가장 큰 이점을 얻는 것은 적당한 복잡성, 높은 비용 민감도, 빠른 반복이 필요한 소비자 가전 제어, LED 드라이버 및 산업용 센서 인터페이스입니다.

양면 PCB의 단점: 직면하게 될 한계

인정하다 양면 PCB disadvantages 강점을 나열하는 것만큼 중요합니다. 첫 번째 한계는 전력 분배입니다. 전용 플레인이 없으면 공급 전류는 신호와 레이어를 공유하는 트레이스를 따라 흐릅니다. 이는 부하에서 전압 리플을 생성하고 근처 네트에 스위칭 잡음을 연결합니다. 고전류 모터 드라이버가 스타 접지 없이 동일한 구리 층을 공유하는 경우 깨끗한 3.3V 레일을 요구하는 마이크로컨트롤러는 주기적인 재설정을 겪을 수 있습니다. 4레이어 보드에서 견고한 전력면은 모든 지점에 10mΩ 미만의 임피던스를 제공합니다. 2층 보드에서는 0.5mm 폭의 트레이스를 통한 동일한 연결이 나타날 수 있습니다. 수백 밀리옴 그리고 corresponding voltage droop.

전자기 간섭(EMI)은 두 레이어에서 억제하기가 더 어렵습니다. 한 레이어의 연속 접지면이 도움이 되지만 라우팅에 반대쪽 면을 사용해야 하는 경우 해당 평면의 모든 슬롯 또는 분할이 슬롯 안테나를 생성합니다. 접지 복귀 경로의 간격 위로 고속 신호를 전달하면 다음과 같은 낮은 주파수에서 EMC 테스트 실패가 발생할 수 있습니다. 30MHz . 유일한 해결책은 접지면을 비아로 연결하고 중요한 신호를 불연속성으로부터 멀리하는 것입니다. 이는 부품 밀도가 증가함에 따라 불가능해지는 제약입니다. 보드가 방사성 방출 테스트에 실패하고 페라이트나 차폐로 디버깅할 수 없는 경우 근본 원인은 다층 스택업으로만 해결할 수 있는 부적절한 접지 구조인 경우가 많습니다.

양면 PCB를 사용해야 하는 경우: 실용적인 결정표

는 question of 양면 PCB를 사용하는 경우 몇 가지 측정 가능한 임계값으로 답할 수 있습니다. 디자인이 아래 기준을 모두 충족한다면 2레이어 보드가 올바른 선택일 가능성이 높습니다. 하나 이상의 기준이 실패하면 다층을 고려해야 할 때입니다. 표는 일반적인 프로젝트 매개변수를 실행 가능한 최소 레이어 수에 매핑합니다.

이 테이블은 또한 양면 PCB vs multilayer PCB 경계. 48핀 QFP 마이크로컨트롤러, 몇 개의 연산 증폭기 및 일부 커넥터가 포함된 보드는 일반적으로 두 레이어로 깔끔하게 라우팅됩니다. 해당 QFP를 256볼 BGA FPGA로 바꾸면 2레이어 옵션이 사라집니다. 즉, 내부 볼 열은 빠져나갈 수 없습니다. 는 PCB 레이어를 선택하는 방법 프로세스는 "더 많은 레이어가 더 전문적"이라는 기본 선호가 아니라 브레이크아웃 타당성과 신호 무결성에 대한 정직한 평가로 시작됩니다.

PCB 레이어 선택 방법: 5단계 선택 가이드

구조화된 PCB 레이어 선택 가이드 불필요하게 복잡한 스택업으로 인한 비용 낭비와 처음부터 4겹이어야 했던 보드의 고통스러운 재회전을 방지합니다. 다음 단계를 순서대로 따르세요.

1. 구성 요소 사이의 보드 가장자리를 통과해야 하는 최대 신호 수를 계산합니다. 가장 높은 밀도 영역이 단일 레이어의 인접한 패드 사이에 2개 이상의 트레이스를 요구하는 경우 두 번째 레이어가 필수입니다. 개수가 두 레이어가 처리할 수 있는 수준을 초과하는 경우 4개로 이동합니다.
2. 클록 주파수뿐만 아니라 가장 빠른 신호 에지 속도를 식별합니다. 상승 시간이 1ns인 1MHz 신호는 50MHz 클럭과 동일한 고조파 함량을 갖습니다. 가장자리 요율이 아래인 경우 2ns , 제어된 임피던스 트레이스 및 연속 기준면은 신호 무결성에 매우 중요합니다. 이는 디자인을 4개 레이어로 추진합니다.
3. 전력 공급 네트워크를 평가합니다. 보드에 피크 전류가 2개 이상인 전압 레일이 2개 이상인 경우 각 1A , 전압 리플이 50mV 미만으로 유지되어야 하는 경우 다층 기판의 전용 전원 플레인이 가장 깨끗한 솔루션입니다. 주의 깊게 트레이스 크기 조정 및 분리를 통해 두 레이어를 작업할 수 있지만 레이아웃에 드는 노력과 재작업 위험이 더 높습니다.
4. 예산과 생산량을 확인하세요. 프로토타입과 소량 제작의 경우 4개 레이어로 인한 비용 불이익은 미미할 수 있습니다. 대용량 소비자 제품의 경우 보드당 0.80달러에서 2.40달러 사이의 차이가 빠르게 수백만 달러에 이릅니다. 기술적 성능이 적절하고 단가가 주요 동인일 때 양면 보드가 승리합니다.
5. CAD에서 레이아웃을 테스트합니다. 2층 배치를 시작하고 가장 제한된 영역의 경로를 지정해 보십시오. 설계 규칙을 위반하거나 조각난 접지면을 생성하지 않고 라우팅을 완료할 수 없는 경우 보드에서는 레이어가 더 필요하다는 메시지를 표시합니다. 선입견이 아닌 물리적 레이아웃 시도가 최종 결정자가 되도록 하십시오.

이 PCB 레이어를 선택하는 방법 방법론은 전기 요구 사항과 비용의 균형을 맞춥니다. 는 양면 PCB applications 5단계를 모두 통과하는 것은 광범위합니다. 모터 컨트롤러, LED 어레이, 센서 허브, 홈 자동화 게이트웨이 및 전동 공구 제어는 모두 2개 레이어에서 안정적으로 작동합니다. 2단계(고속 디지털 인터페이스, RF 프런트엔드, 고속 메모리 버스)에서 실패한 보드는 4개, 6개 또는 그 이상의 레이어가 필요한 보드입니다. 이해하기 양면 PCB disadvantages 신호 무결성 및 전력 공급 측면에서 호출이 명확해집니다. 라우팅이 완료되고 신호 반환이 그대로 유지되는 한 두 레이어에 머무르다가 에지 속도 및 평면 임피던스의 물리학이 요구할 때 한 단계 더 올라갑니다.