両面 PCB と単層および多層: 利点と層選択ガイド

PCB 層の決定: コスト、密度、パフォーマンス

すべての回路基板の設計は、必要な導電層の数という基本的な選択から始まります。の 片面 PCB と両面 PCB この問題は最初の分かれ道であり、両面から多層へのステップは 2 番目の分岐点です。ジャンプするたびに、コスト、複雑さ、機能が追加されます。片面基板はすべての銅線を片面に配置し、すべての信号トレースが交差することなくコンポーネントのリード線の周囲を移動するようにします。あ 両面PCB 2 番目の銅層を追加し、メッキされたスルーホールで 2 層を接続することで、利用可能な配線領域が約 2 倍になります。多層基板は、専用の電源プレーンとグランド プレーンを備えた 4 層、6 層、またはそれ以上の層を積み重ね、大幅な価格割増で信号の完全性と電磁適合性を変換します。

このガイドでは、次の手順に従って作業します。 両面PCB vs multilayer PCB そして 片面 PCB と両面 PCB 実用的な観点からの比較: 平方センチメートルあたりのコスト、ビア密度、コンポーネントの最大ピン数、EMI 制御。最後には、明確な結果が得られます PCB層選択ガイド これにより、スタックアップを過剰に設計することなく、ボードの複雑さを製品の電気的および機械的要求に適合させることができます。

片面 PCB と両面 PCB: 最初の大きなステップ

片面 PCB は、片面のみに銅箔を備えた基板 (ほとんどの場合 FR-4 またはフェノール紙) です。コンポーネントは銅以外の面に配置され、リード線ははんだ付けパッドに突き出ています。すべての配線はその単一の銅層で行われるため、他の配線と交差する配線は迂回するか、ゼロオームのジャンパー線を使用する必要があります。これは、少数の個別コンポーネントを備えた電源、LED ボード、または単純なセンサー インターフェイスなど、複雑さの低い回路で機能します。マイクロコントローラー、RF セクション、または密集したコネクタが回路図に入ると、片面配線は非現実的または不可能になります。

の 両面PCB advantages 片面ではビアから始めます。 2 番目の銅層を追加し、穴を通してメッキすることにより、信号はいつでも最上層から最下層に移動できます。設計者は、不可能なネズミの巣を作ることなく、高密度 BGA または QFP パッケージを配線できます。両面基板では、1 つの層にグランドを充填することもできるため、信号のリターンパスが改善され、放射ノイズが低減されます。これは片面設計には存在しない機能です。 2 番目の層とメッキ穴を追加する場合のコストペナルティは次のとおりです。 通常は 30% ～ 60% 同等の片面基板に比べて、ジャンパ線、手作業による組み立て時間、信頼性リスクを買い取るプレミアムがかかります。

両面 PCB と多層 PCB: 2 層では不十分な場合

の 両面PCB vs multilayer PCB 信号の完全性、電力配分、またはコンポーネント密度が 2 つの銅プレーンを圧倒すると、しきい値を超えます。両面基板は、多くの場合、コンポーネントの周りを織り交ぜる太い配線として、電源とグランドに信号との配線スペースを共有させます。これにより、高いループ インダクタンス、電圧降下、クロストークが発生します。最も単純な多層である 4 層基板は通常、内側の層を固体のグランド プレーンと電源プレーン専用にします。これにより、すべての信号のリターンパスがトレース、スラッシュループエリア、および放射エミッションに直接隣接するようになります。 10dB以上 断片化されたグラウンドフィルを含む 2 層レイアウトと比較します。

多層ボードは、マイクロストリップまたはストリップラインのインピーダンス制御を必要とするピン数の多い BGA や高密度メモリ インターフェイスも処理します。 2 層ボード上の DDR3 または DDR4 メモリ バスを、タイミングを維持しながら配線することはほぼ不可能です。埋め込まれた基準面を持つ 4 つまたは 6 つの層がベースラインです。この機能の代償は非常に高く、4 層ボードのコストは高くなります。 2～3回 2 層に相当し、ラミネートサイクルが増えるためリードタイムが長くなります。両面から多層に移行する決定は、層が多い方が常に優れているという思い込みではなく、明確な技術要件に基づいて決定される必要があります。

両面 PCB の利点: 2 層が依然として業界のベースラインである理由

の 両面PCB advantages 配線リリーフを超えて拡張します。コストが最も明白です。 2 層基板では、1 回のラミネート サイクル、標準的な両面銅張りラミネート、および単純なドリル プレート エッチング プロセスが使用されます。内層の位置合わせと積層のステップがないため、歩留まりが高く、価格が低く抑えられます。のために 1オンスの銅を使用したFR-4の100 × 100 mmボード 、10 個の両面プロトタイプのバッチのコストは 50 ドル未満ですが、4 層の相当品は 150 ドルを超えることがよくあります。

2 つのレイヤーを使用すると、再作業とデバッグがより簡単になります。すべての痕跡は 2 つの外面のうちの 1 つに表示されます。 X 線を使って調べる必要がある埋もれた信号はありません。トレースを切断したり、ボッジ ワイヤを追加したりする必要がある場合でも、簡単にアクセスできます。対照的に、4 層基板上の内層トレースを変更することは事実上不可能です。この可視性により、立ち上げと障害発見が迅速化されます。これが、最終製品がより高い層数に移行する可能性がある場合でも、多くの開発ボードや概念実証プロトタイプが 2 層のままである理由です。の 両面PCB applications このことから最も恩恵を受けるのは、複雑さが中程度で、コストに対する感度が高く、高速な反復が必要な家電制御、LED ドライバー、産業用センサー インターフェイスなどです。

両面 PCB の欠点: 到達する限界

了承する 両面PCB disadvantages 強みを列挙するのと同じくらい重要です。最初の制限は電力配分です。専用プレーンがないと、電源電流は信号と層を共有するトレースに沿って流れます。これにより、負荷に電圧リップルが発生し、スイッチング ノイズが近くのネットに結合します。クリーンな 3.3V レールを必要とするマイクロコントローラーは、大電流モータードライバーがスター接地なしで同じ銅層を共有している場合、定期的なリセットに悩まされる可能性があります。 4 層基板では、ソリッド パワー プレーンが任意のポイントに 10 mΩ 未満のインピーダンスを供給します。 2 層基板上では、0.5 mm 幅の配線を介した同じ接続により、次のような問題が発生する可能性があります。 数百ミリオーム そして corresponding voltage droop.

2 層では電磁干渉 (EMI) が抑制されにくくなります。 1 つの層に連続したグランド プレーンがあると便利ですが、反対側を配線に使用する必要がある場合は、そのプレーン内のスロットまたは分割によってスロット アンテナが作成されます。グランドリターンパスのギャップを介して高速信号を通過させると、次のような低い周波数で EMC テストに失敗する可能性があります。 30MHz 。唯一の解決策は、グランドプレーンをビアでつなぎ合わせ、重要な信号を不連続部分から遠ざけることですが、コンポーネントの密度が高まるにつれてこの制約は不可能になります。基板が放射性エミッションテストに合格せず、フェライトやシールドでデバッグできない場合、根本原因は多くの場合、多層スタックアップのみで修正できる不適切なグランド構造にあります。

両面 PCB をいつ使用するか: 実際的な決定表

の question of 両面 PCB を使用する場合 いくつかの測定可能なしきい値で答えることができます。設計が以下のすべての基準を満たしている場合、2 層基板が正しい選択である可能性があります。複数の基準が満たされない場合は、多層化を検討してください。この表は、一般的なプロジェクト パラメーターを実行可能な最小レイヤー数にマッピングします。

この表はまた、 両面PCB vs multilayer PCB 境界線。 48 ピン QFP マイクロコントローラー、いくつかのオペアンプ、およびいくつかのコネクタを備えたボードは、通常、2 層できれいに配線されます。その QFP を 256 ボール BGA FPGA に交換すると、2 層オプションはなくなります。ボールの内側の列は単に逃げることができません。の PCB層の選択方法 プロセスは、「レイヤーが多いほどプロフェッショナルになる」というデフォルトの設定ではなく、ブレークアウトの実現可能性と信号の完全性を正直に評価することから始まります。

PCB レイヤーの選択方法: 5 段階の選択ガイド

構造化された PCB層選択ガイド 不必要に複雑なスタックアップによる無駄なコストと、最初から 4 層であるはずだったボードの苦痛な再スピンの両方を防ぎます。次の手順を順番に実行してください。

1. コンポーネント間のボードエッジを通過する必要がある信号の最大数を数えます。 最高密度の領域で 1 つの層上の隣接するパッド間に 3 つ以上のトレースが必要な場合は、2 番目の層が必須です。数が 2 つのレイヤーで処理できる数を超える場合は、4 つに移動します。
2. クロック周波数だけでなく、最速の信号エッジ レートを特定します。 1 ns の立ち上がり時間を持つ 1 MHz 信号には、50 MHz クロックと同じ高調波成分が含まれます。エッジレートが以下の場合 2ns 、制御されたインピーダンストレースと連続的な基準面が信号の完全性にとって重要になります。これにより、デザインは 4 つのレイヤーに向かって推進されます。
3. 電力供給ネットワークを評価します。 ボードにピーク電流が上記を超える電圧レールが 3 つ以上ある場合 各1A また、電圧リップルを 50 mV 未満に抑える必要がある場合は、多層基板上の専用電源プレーンが最もクリーンなソリューションです。 2 つのレイヤーは、慎重にトレースのサイジングとデカップリングを行うことで機能しますが、レイアウトの手間とやり直しのリスクが高くなります。
4. ご予算や生産量をご確認ください。 プロトタイプや少量生産の場合、4 つのレイヤーによるコストのペナルティはわずかである可能性があります。大量消費者向け製品の場合、ボードあたり 0.80 ドルと 2.40 ドルの差はすぐに数百万ドルに達します。技術的パフォーマンスが適切であり、単価が主な要因である場合、両面基板が勝ちます。
5. CAD でレイアウトをテストします。 2 層の配置を開始し、最も制限された領域の配線を試みます。デザインルールに違反したり、断片化したグランドプレーンを作成したりせずに配線を完了できない場合、ボードはさらに多くの層が必要であることを通知します。先入観ではなく、物理的なレイアウトの試行を最終決定者とします。

これ PCB層の選択方法 方法論は、電気要件とコストのバランスをとります。の 両面PCB applications 5 つのステップすべてを通過するものは多岐にわたります。モーター コントローラー、LED アレイ、センサー ハブ、ホーム オートメーション ゲートウェイ、電動工具の制御はすべて 2 つのレイヤーで確実に動作します。ステップ 2 に失敗したボード (高速デジタル インターフェイス、RF フロントエンド、高速メモリ バス) は、4 層、6 層、またはそれ以上の層を必要とするボードです。理解する 両面PCB disadvantages 信号の完全性と電力供給により、通話が明確になります。ルーティングが完了し、信号リターンが損なわれない限り 2 つのレイヤに留まり、その後、エッジ レートとプレーン インピーダンスの物理的要求に応じてステップアップします。