برد مدار چاپی یک‌رو در مقابل دو‌رو در مقابل چندلایه: انتخاب طراحی مناسب برای پروژه شما

PCB ها ستون فقرات الکترونیک مدرن هستند، اما همه PCB ها برابر نیستند. انتخاب بین یک طرفه، دو طرفه،و PCB های چند لایه بستگی به عواملی مانند پیچیدگی داردهر نوع دارای مزایای منحصر به فرد و محدودیت هایی است که آنها را برای کاربردهای مختلف مناسب می کند، از چراغ قوه LED ساده تا روترهای پیشرفته 5G.

این راهنما تفاوت های کلیدی بین این سه نوع PCB را تجزیه و تحلیل می کند، ساخت، عملکرد، هزینه ها و موارد استفاده ایده آل آنها را مقایسه می کند.مهندسان، طراحان و تولید کنندگان می توانند تصمیمات آگاهانه ای بگیرند که عملکرد و مقرون به صرفه را متعادل کنند.

نکات کلیدی
1PCB های تک طرفه ساده ترین و ارزان ترین هستند، با اجزای یک طرف، ایده آل برای دستگاه های کم پیچیدگی (به عنوان مثال، ماشین حساب) اما محدود به دلیل تراکم پایین و مسیر دهی سیگنال.
2PCB های دو طرفه انعطاف پذیری بیشتری با اجزای هر دو طرف و ویاس های سوراخ را ارائه می دهند و از پیچیدگی متوسط (به عنوان مثال ، تخته های Arduino) با هزینه متوسط پشتیبانی می کنند.
3PCB های چند لایه ای (4+ لایه) چگالی بالا، یکپارچگی سیگنال برتر و مدیریت انرژی را فراهم می کنند، که آنها را برای الکترونیک پیچیده (به عنوان مثال، تلفن های هوشمند،ایستگاه های پایه 5G) اما با هزینه بالاتر.
4انتخاب نوع مناسب، هزینه های تولید را تا ۲۰ تا ۵۰ درصد کاهش می دهد: طراحی بیش از حد با یک PCB چند لایه ای برای یک دستگاه ساده، صرفه جویی در پول است.در حالی که زیر مهندسی با یک صفحه یک طرفه برای یک طراحی پیچیده باعث شکست عملکرد می شود.

PCB های یک طرفه، دو طرفه و چند لایه ای چیست؟
تفاوت اصلی بین این انواع PCB ها در تعداد لایه ها و نحوه ترتیب اجزای و ردیف ها است.

PCB های یک طرفه
a.ساخت: یک لایه از ورق مس رسان که به یک طرف یک بستر عایق بندی (معمولا FR4) متصل شده است. اجزای بر روی طرف مس نصب می شوند.با تمام ردپای هایی که روی آن لایه واحد قرار گرفته اند.
b. ویژگی کلیدی: هیچ ویاس (شکاف هایی که لایه ها را به هم متصل می کنند) مورد نیاز نیست، زیرا تنها یک لایه رسانا وجود دارد.
c. ضخامت: به طور معمول 0.8 × 1.6mm، با 1 اونس مس (35μm ضخامت) برای رد.

PCB های دو طرفه
a.ساخت: لایه های مس در هر دو طرف بستر، با ویاس های سوراخ شده (سوراخ های پوشش داده شده) که خطوط بالا و پایین را به هم متصل می کنند. اجزای می توانند در هر دو طرف نصب شوند.
b. ویژگی کلیدی: Vias اجازه می دهد تا سیگنال ها بین لایه ها "پرش" کنند و مسیر پیچیده تری را نسبت به PCB های تک طرفه فراهم کنند.
c. ضخامت: 0.8 × 2.4mm، با 1 × 2 اونس مس برای ردیابی (35 × 70μm).

PCB های چند لایه ای
a.ساخت: چهار یا چند لایه مس (شماره های حتی استاندارد هستند) که با لایه های جدا کننده بستر جدا شده اند (prepreg و هسته). لایه های داخلی اغلب به عنوان سطوح زمین یا شبکه های توزیع برق عمل می کنند.,در حالی که لایه های بیرونی اجزای را نگه می دارند.
ب. ویژگی های کلیدی: راه های کور (توصیل لایه های بیرونی به لایه های داخلی) و راه های دفن شده (توصیل لایه های داخلی فقط) امکان مسیریابی متراکم را بدون قربانی کردن فضا فراهم می کند.ردپای مقاومت کنترل شده از سیگنال های با سرعت بالا پشتیبانی می کند.
c. ضخامت: 1.2 × 3.2mm برای 4 × 16 لایه، با 1 × 3 اونس مس (35 × 105μm) بسته به نیازهای قدرت.

مقایسه کنار هم: ویژگی های کلیدی

مزایا و محدودیت ها بر اساس نوع
PCB های یک طرفه
مزایا:
a. هزینه پایین: ساده ترین فرآیند تولید (بدون حفاری یا پوشش) هزینه مواد و نیروی کار را در مقایسه با PCB های دو طرفه 30٪ تا 50٪ کاهش می دهد.
b. تولید سریع: نیازی به تراز لایه یا پردازش نیست، که باعث می شود زمان 2-5 روز برای نمونه های اولیه انجام شود.
c. بازرسی آسان: تمام ردیف ها و اجزای موجود در یک طرف قابل مشاهده هستند، که آزمایش دستی و رفع مشکل را ساده می کند.

محدودیت ها:
a. تراکم کم: ردیف ها نمی توانند بدون کوتاه شدن عبور کنند، تعداد قطعات و پیچیدگی طراحی را محدود می کنند.
ب. یکپارچگی سیگنال ضعیف: مسیرهای طولانی و پیچ و تاب (ضروری برای جلوگیری از تقاطع) باعث تاخیر سیگنال و سر و صدا در طرح های با سرعت بالا می شود.
c. کنترل قدرت محدود: یک لایه مس واحد جریان جریان را محدود می کند و آنها را برای دستگاه های با قدرت بالا مناسب نمی کند.

PCB های دو طرفه
مزایا:
a. تراکم افزایش یافته: ویاس ها اجازه عبور ردها را با مسیر در لایه مخالف می دهند و از 2 × 3 برابر بیشتر از PCB های تک طرفه پشتیبانی می کنند.
ب. مسیر دهی سیگنال بهتر: مسیرهای کوتاه تر (به لطف ویاس ها) از دست دادن سیگنال را کاهش می دهد و آنها را برای طرح های دیجیتال با سرعت پایین (≤100MHz) مناسب می کند.
c. تعادل مقرون به صرفه: مقرون به صرفه تر از PCB های چند لایه در حالی که انعطاف پذیری بیشتری نسبت به لوح های تک طرفه ارائه می دهد.

محدودیت ها:
a. هنوز تعداد لایه ها محدود است: طرح های پیچیده (به عنوان مثال، با بیش از 100 جزء یا سیگنال های با سرعت بالا) ممکن است به لایه های بیشتری برای جلوگیری از crosstalk نیاز داشته باشند.
b. قابلیت اطمینان از طریق: از طریق سوراخ ها مستعد ترک شدن بشکه تحت فشار حرارتی هستند، که یک خطر در محیط های با دمای بالا (به عنوان مثال موتورهای خودرو) است.

PCB های چند لایه ای
مزایا:
a. چگالی بالا: لایه های داخلی و ویاس های پیشرفته (کافر / دفن شده) باعث می شود تا اجزای 5 × 10 برابر بیشتر از PCB های دو طرفه ، که برای دستگاه های جمع و جور مانند تلفن های هوشمند بسیار مهم است.
b. یکپارچگی سیگنال برتر: ردپای مقاومت کنترل شده (50Ω / 100Ω) و هواپیماهای زمینی اختصاص داده شده ، از crosstalk و EMI به حداقل می رسند و از سیگنال های با سرعت بالا (1Gbps +) پشتیبانی می کنند.
ج. توزیع برق کارآمد: لایه های قدرت جداگانه کاهش افت ولتاژ را کاهش می دهند و جریان های بالا (10A+) را برای دستگاه های پر انرژی مانند گیرنده های 5G مدیریت می کنند.
d.مقاومت مکانیکی: لایه های زیربنایی متعدد آنها را سخت تر و مقاوم تر از PCB های تک طرفه / دو طرفه می کند.

محدودیت ها:
a.هزینه بالاتر: تولید پیچیده (تطبیق لایه، از طریق حفاری، لایه بندی) هزینه ها را در مقایسه با PCB های دو طرفه 2 × 5X افزایش می دهد.
ب.زمان پیشبرد طولانی تر: مهندسی دقیق و آزمایش زمان تولید را برای نمونه های اولیه به 7-14 روز و برای صفحه های دارای لایه های بالا طولانی تر می کند.
c. چالش های بازسازی: عیب های لایه داخلی برای تعمیر دشوار است، افزایش نرخ خرد و هزینه های بازسازی.

کاربردهای ایده آل برای هر نوع PCB
تطبیق نوع PCB با برنامه کاربردی عملکرد بهینه و بهره وری هزینه را تضمین می کند.

PCB های یک طرفه
بهترین برای دستگاه های کم پیچیدگی و کم هزینه که فضای و عملکرد آنها مهم نیست:
الف.الکترونیک مصرفی: کنترل های دور، ماشین حساب، چراغ های لامپ ال ای دی و اسباب بازی.
ب.سنسورهای صنعتی: سنسورهای ساده دمای یا رطوبت با حداقل اجزای موجود.
ج. منابع برق: منابع برق خطی پایه با تعداد کمی از اجزای فعال.
مثال: یک PCB اسباب بازی کودکان از یک طراحی یک طرفه استفاده می کند تا هزینه ها را کمتر از 1 دلار در هر واحد نگه دارد، با 1015 جزء (LED ها، مقاومت ها، یک IC ساده).

PCB های دو طرفه
مناسب برای دستگاه های پیچیده متوسط که به اجزای بیشتری و مسیریابی بهتر از PCB های تک طرفه نیاز دارند:
a.سیستم های جاسازی شده: تخته های Arduino، Raspberry Pi Pico و دستگاه های مبتنی بر میکروکنترلر.
ب. لوازم جانبی خودرو: شارژر خودرو، دوربین های داشبورد و گیرنده های بلوتوث.
ج. تجهیزات صوتی: تقویت کننده های هدفون، اسپیکر های پایه و رادیوهای FM.
مثال: یک Arduino Uno از یک PCB دو طرفه برای قرار دادن 50+ جزء (پورت USB، تنظیم کننده ولتاژ، پین GPIO) با ردپای هایی که از هر دو طرف از طریق ویاس های سوراخ شده است استفاده می کند.

PCB های چند لایه ای
برای الکترونیک های پیچیده و با کارایی بالا که تراکم، سرعت و قابلیت اطمینان بسیار مهم است، ضروری است:
a.اسمارتفون ها و وسایل پوشیدنی: PCB های 6 ٪12 لایه پردازنده ها، مودم های 5G و باتری ها را در طرح های باریک قرار می دهند.
ب. زیرساخت های مخابراتی: ایستگاه های پایه 5G و سوئیچ های مرکز داده از PCB های لایه 12-16 برای گیرنده های 28GHz mmWave و سیگنال های 100Gbps استفاده می کنند.
c. دستگاه های پزشکی: دستگاه های MRI و دستگاه های ایجاد ضربان قلب برای هدایت دقیق سیگنال و مقاومت EMI به PCB های لایه 4-8 تکیه می کنند.
d. هوافضا: بارهای مفید ماهواره ای از PCB های لایه 812 با زیربناهای Tg بالا برای مقاومت در برابر دمای شدید و تشعشعات استفاده می کنند.
مثال: PCB اصلی یک گوشی هوشمند 5G یک طراحی 8 لایه است: 2 لایه خارجی برای اجزای، 2 لایه داخلی برای توزیع برق و 4 لایه برای مسیر دهی سیگنال با سرعت بالا (5G، Wi-Fi 6E).

تجزیه هزینه ها: چرا PCB های چند لایه گران تر هستند؟
تفاوت هزینه بین انواع PCB ناشی از پیچیدگی تولید است:

چگونه نوع مناسب PCB را انتخاب کنیم
برای انتخاب بهترین نوع PCB از این چارچوب تصمیم گیری پیروی کنید:
1تعداد قطعات را ارزیابی کنید:
<50 جزء: یک طرفه.
50×200 قطعات: دو طرفه.
200 قطعه: چند لایه

2سرعت سیگنال را ارزیابی کنید:
≤100MHz: تک یا دو طرفه.
100MHz1Gbps: دو طرفه یا چهار لایه.
1Gbps: 4+ لایه با مقاومت کنترل شده

3. نیاز به قدرت را در نظر بگیرید:
<1A: یک طرفه.
۱-۱۰-A: دو طرفه با مس ضخیم.
10A: چند لایه با لایه های اختصاصی قدرت.

4. محدودیت های فضای را چک کنید:
محفظه های بزرگ (به عنوان مثال، جعبه های صنعتی): یک طرفه / دو طرفه.
دستگاه های فشرده (به عنوان مثال، پوشیدنی): چند لایه.

5هزینه و عملکرد تراز:
هزینه را اولویت بندی کنید: ساده ترین نوع را که نیازهای شما را برآورده می کند استفاده کنید.
اولویت عملکرد: ارتقا به تعداد لایه های بالاتر برای قابلیت اطمینان.

سوالات عمومی
س: آیا می توان یک طرح را با یک PCB یک طرفه شروع کرد و به چند لایه تبدیل کرد؟
A: بله، بسیاری از محصولات با اضافه شدن ویژگی ها از یک لایه به دو لایه به چند لایه تکامل می یابند. به عنوان مثال، ساعت های هوشمند اولیه از PCB های دو طرفه استفاده می کردند، در حالی که مدل های مدرن از طرح های لایه 6 8 استفاده می کنند.

س: آیا PCB های چند لایه ای همیشه برای سیگنال های با سرعت بالا بهتر هستند؟
A: به طور کلی، بله. خطوط زمینی اختصاصی و ردپای مقاومت کنترل شده آنها از دست دادن سیگنال را به حداقل می رساند. با این حال، PCB های دو طرفه طراحی شده به خوبی می توانند تا 1 گیگابایت در ثانیه در ردپای کوتاه (≤5 سانتی متر) را اداره کنند.

س: چگونه می توانم هزینه ها را هنگام استفاده از PCB چند لایه کاهش دهم؟
ج: تعداد لایه ها را بهینه کنید (به عنوان مثال، در صورت امکان از 4 لایه به جای 6 استفاده کنید) ، راه های کور / دفن شده را به مناطق بحرانی محدود کنید.و استفاده از FR4 استاندارد به جای مواد گران قیمت (مگر اینکه برای فرکانس بالا مورد نیاز باشد).

س: آیا PCB های یک طرفه می توانند با RoHS مطابقت داشته باشند؟
پاسخ: بله ✅ انطباق RoHS به مواد (پودر بدون سرب، زیربناهای بدون هالوجن) بستگی دارد، نه تعداد لایه ها. امروزه بیشتر PCB های تک طرفه از مواد انطباق RoHS استفاده می کنند.

س: حداکثر تعداد لایه برای PCB چیست؟
A: PCB های تجاری به طور معمول حداکثر 40 لایه دارند (به عنوان مثال، برای ابر رایانه ها) ، اما اکثر برنامه ها از 4 ′′16 لایه استفاده می کنند.

نتیجه گیری
انتخاب بین PCB های تک طرفه، دو طرفه و چند لایه به تعادل پیچیدگی، عملکرد و هزینه بستگی دارد. PCB های تک طرفه در دستگاه های ساده و کم هزینه برجسته هستند.در حالی که تخته های دو طرفه یک زمین متوسط برای طرح های متوسط ارائه می دهندPCB های چند لایه ای با وجود هزینه های بالاتر، برای الکترونیک های پر عملکرد و متراکم انتخاب می شوند.

با هماهنگی نوع PCB با تعداد قطعات پروژه شما، سرعت سیگنال، نیاز به انرژی و محدودیت های فضایی،شما می توانید از بیش از حد مهندسی (و هزینه بیش از حد) یا زیر مهندسی (و خطر شکست) جلوگیری کنیددر حالی که الکترونیک همچنان در حال کوچک شدن و افزایش سرعت است، PCB های چند لایه در اهمیت افزایش می یابند، اما لوح های تک و دو طرفه برای برنامه های کاربردی حساس به هزینه و کم پیچیدگی حیاتی باقی خواهند ماند.

در نهایت، نوع PCB درست همان نوع PCB است که بدون هزینه های غیر ضروری نیازهای طراحی شما را برآورده می کند، اطمینان حاصل می کند که محصول شما هم کاربردی و هم رقابتی در بازار است.