PCB một mặt so với PCB hai mặt so với PCB đa lớp: Chọn thiết kế phù hợp cho dự án của bạn

Các bảng mạch in (PCB) là xương sống của điện tử hiện đại, nhưng không phải tất cả các PCB được tạo ra bằng nhau.và PCB đa lớp phụ thuộc vào các yếu tố như sự phức tạp, hạn chế không gian, nhu cầu hiệu suất và ngân sách. Mỗi loại có những lợi thế và hạn chế độc đáo, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng khác nhau từ đèn pin LED đơn giản đến bộ định tuyến 5G tiên tiến.

Hướng dẫn này phân tích các khác biệt chính giữa ba loại PCB này, so sánh cấu trúc, hiệu suất, chi phí và trường hợp sử dụng lý tưởng của chúng.kỹ sư, các nhà thiết kế và nhà sản xuất có thể đưa ra các quyết định sáng suốt cân bằng chức năng và giá cả phải chăng.

Những điểm quan trọng
1PCB một mặt là đơn giản nhất và rẻ nhất, với các thành phần ở một bên, lý tưởng cho các thiết bị phức tạp thấp (ví dụ, máy tính) nhưng bị giới hạn bởi mật độ thấp và định tuyến tín hiệu.
2. PCB hai mặt cung cấp sự linh hoạt hơn với các thành phần ở cả hai bên và đường ống xuyên lỗ, hỗ trợ sự phức tạp vừa phải (ví dụ: bảng Arduino) với chi phí ở mức trung bình.
3.Multilayer PCB (4 + lớp) cung cấp mật độ cao, tính toàn vẹn tín hiệu vượt trội và quản lý năng lượng, làm cho chúng rất cần thiết cho các thiết bị điện tử phức tạp (ví dụ: điện thoại thông minh, máy tính)5G) nhưng với chi phí cao hơn.
4Chọn đúng loại giảm chi phí sản xuất 20~50%: kỹ thuật quá mức với một PCB đa lớp cho một thiết bị đơn giản là lãng phí tiềntrong khi kỹ thuật dưới với một bảng một mặt cho một thiết kế phức tạp gây ra thất bại hiệu suất.

PCB một mặt, hai mặt và nhiều lớp được định nghĩa như thế nào?
Sự khác biệt cốt lõi giữa các loại PCB này nằm ở số lớp của chúng và cách các thành phần và dấu vết được sắp xếp.

PCB một mặt
a.Cấu trúc: Một lớp đơn của tấm đồng dẫn được gắn vào một bên của một nền cách điện (thường là FR4).với tất cả các dấu vết được định tuyến trên lớp duy nhất.
b. Đặc điểm chính: Không cần đường dẫn (nổ nối các lớp), vì chỉ có một lớp dẫn điện.
c. Độ dày: Thông thường 0,8 ∼ 1,6 mm, với 1 oz đồng (35μm độ dày) cho các dấu vết.

PCB hai mặt
a. Xây dựng: Các lớp đồng ở cả hai bên của nền, với các đường ống xuyên lỗ (rỗng bọc) kết nối các dấu vết trên và dưới. Các thành phần có thể được lắp đặt ở cả hai bên.
b. Tính năng chính: Vias cho phép tín hiệu "nhảy" giữa các lớp, cho phép định tuyến phức tạp hơn so với PCB một mặt.
c. Độ dày: 0,8 × 2,4 mm, với 1 × 2 oz đồng cho các dấu vết (35 × 70 μm).

PCB đa lớp
a.Cấu trúc: 4 hoặc nhiều lớp đồng (cả số là tiêu chuẩn) được tách bằng các lớp nền cách nhiệt (prepreg và lõi). Các lớp bên trong thường hoạt động như mặt đất hoặc mạng phân phối điện,trong khi các lớp bên ngoài giữ các thành phần.
b. Các tính năng chính: Các đường mù (kết nối các lớp bên ngoài với các lớp bên trong) và các đường chôn (chỉ kết nối các lớp bên trong) cho phép định tuyến dày đặc mà không phải hy sinh không gian.Các dấu hiệu cản được kiểm soát hỗ trợ tín hiệu tốc độ cao.
c. Độ dày: 1,2 ∼ 3,2 mm cho 4 ∼ 16 lớp, với 1 ∼ 3 oz đồng (35 ∼ 105 μm) tùy thuộc vào yêu cầu điện.

So sánh cạnh nhau: Các đặc điểm chính

Ưu điểm và hạn chế theo loại
PCB một mặt
Ưu điểm:
a.Chi phí thấp: Quá trình sản xuất đơn giản nhất (không qua khoan hoặc mạ) làm giảm chi phí vật liệu và lao động 30~50% so với PCB hai mặt.
b. Sản xuất nhanh: Không cần phải sắp xếp lớp hoặc qua xử lý, cho phép thời gian dẫn đầu 2-5 ngày cho các nguyên mẫu.
c. Kiểm tra dễ dàng: Tất cả các dấu vết và thành phần đều có thể nhìn thấy ở một bên, đơn giản hóa kiểm tra và khắc phục sự cố bằng tay.

Hạn chế:
a. Mật độ thấp: Các dấu vết không thể vượt qua mà không bị rút ngắn, hạn chế số lượng thành phần và sự phức tạp của thiết kế.
b. Sự toàn vẹn tín hiệu kém: Các dấu vết dài, uốn cong (cần để tránh giao lộ) gây ra sự chậm trễ tín hiệu và tiếng ồn trong các thiết kế tốc độ cao.
c.Limited Power Handling: Lớp đồng duy nhất hạn chế dòng điện, khiến chúng không phù hợp với các thiết bị công suất cao.

PCB hai mặt
Ưu điểm:
a. Mật độ gia tăng: Vias cho phép các dấu vết vượt qua bằng cách định tuyến trên lớp đối diện, hỗ trợ 2 ¢ 3 lần nhiều thành phần hơn PCB một mặt.
b. Đường dẫn tín hiệu tốt hơn: Các dấu vết ngắn hơn (nhờ các đường dẫn) làm giảm mất tín hiệu, làm cho chúng phù hợp với các thiết kế kỹ thuật số tốc độ thấp (≤100MHz).
c.Cân bằng hiệu quả về chi phí: Giá cả phải chăng hơn so với PCB đa lớp trong khi cung cấp tính linh hoạt hơn so với bảng một mặt.

Hạn chế:
a.Vẫn bị giới hạn bởi số lớp: Các thiết kế phức tạp (ví dụ, với hơn 100 thành phần hoặc tín hiệu tốc độ cao) có thể yêu cầu nhiều lớp hơn để tránh giao tiếp qua lại.
b. Độ tin cậy qua đường: Các đường xuyên lỗ dễ bị nứt thùng dưới áp lực nhiệt, một rủi ro trong môi trường nhiệt độ cao (ví dụ: động cơ ô tô).

PCB đa lớp
Ưu điểm:
a. Độ mật độ cao: Các lớp bên trong và các đường viền tiên tiến (mùi / chôn) cho phép các thành phần nhiều hơn 5-10 lần so với PCB hai mặt, rất quan trọng đối với các thiết bị nhỏ gọn như điện thoại thông minh.
b. Tính toàn vẹn tín hiệu cao hơn: Các dấu vết trở kháng được kiểm soát (50Ω/100Ω) và các mặt phẳng mặt đất chuyên dụng giảm thiểu crosstalk và EMI, hỗ trợ tín hiệu tốc độ cao (1Gbps +).
Phân phối điện năng hiệu quả: Các lớp điện riêng biệt làm giảm giảm giảm điện áp, xử lý dòng điện cao (10A +) cho các thiết bị sử dụng điện như máy thu 5G.
d. Sức mạnh cơ học: Nhiều lớp nền làm cho chúng cứng hơn và chống biến dạng hơn PCB đơn / hai mặt.

Hạn chế:
a.Chi phí cao hơn: Sản xuất phức tạp (định chỉnh lớp, thông qua khoan, mảng) làm tăng chi phí gấp 2×5 lần so với PCB hai mặt.
b. Thời gian dẫn đầu dài hơn: Kỹ thuật và thử nghiệm chính xác kéo dài thời gian sản xuất lên 7-14 ngày cho các nguyên mẫu, và lâu hơn cho các bảng có số lớp cao.
c. Thách thức tái chế: Các khiếm khuyết lớp bên trong rất khó sửa chữa, làm tăng tỷ lệ phế liệu và chi phí tái chế.

Các ứng dụng lý tưởng cho mỗi loại PCB
Khớp loại PCB với ứng dụng đảm bảo hiệu suất tối ưu và hiệu quả chi phí.

PCB một mặt
Tốt nhất cho các thiết bị phức tạp thấp, chi phí thấp, nơi không gian và hiệu suất không quan trọng:
a. Điện tử tiêu dùng: điều khiển từ xa, máy tính, đèn pin LED và đồ chơi.
b. Các cảm biến công nghiệp: Các cảm biến nhiệt độ hoặc độ ẩm đơn giản với các thành phần tối thiểu.
c. Các nguồn điện: Các nguồn điện tuyến tính cơ bản với ít thành phần hoạt động.
Ví dụ: PCB đồ chơi cho trẻ em sử dụng thiết kế một mặt để giữ chi phí dưới $ 1 mỗi đơn vị, với 1015 thành phần (LED, điện trở, một IC đơn giản).

PCB hai mặt
Thích hợp cho các thiết bị phức tạp vừa phải đòi hỏi nhiều thành phần hơn và định tuyến tốt hơn so với PCB một mặt:
a. Hệ thống nhúng: bảng Arduino, Raspberry Pi Pico và các thiết bị cơ bản dựa trên vi điều khiển.
b. Phụ kiện ô tô: Sạc xe, camera bảng điều khiển và máy thu Bluetooth.
Thiết bị âm thanh: Bộ khuếch đại tai nghe, loa cơ bản và đài phát thanh FM.
Ví dụ: Arduino Uno sử dụng một PCB hai mặt để lắp đặt 50+ thành phần (cổng USB, bộ điều chỉnh điện áp, chân GPIO) với các dấu vết được định tuyến ở cả hai bên thông qua đường ống xuyên lỗ.

PCB đa lớp
Không thể thiếu cho hiệu suất cao, điện tử phức tạp nơi mật độ, tốc độ và độ tin cậy là rất quan trọng:
a. Điện thoại thông minh và thiết bị đeo: PCB lớp 6-12 đóng gói bộ vi xử lý, modem 5G và pin thành các thiết kế mỏng.
b. Cơ sở hạ tầng viễn thông: Trạm cơ sở 5G và chuyển đổi trung tâm dữ liệu sử dụng PCB lớp 12 ∼ 16 cho máy thu sóng mmWave 28GHz và tín hiệu 100Gbps+.
c. Thiết bị y tế: Máy MRI và bộ tạo nhịp tim dựa trên PCB lớp 4-8 để định tuyến tín hiệu chính xác và kháng EMI.
d. Hàng không vũ trụ: Trọng lượng hữu ích vệ tinh sử dụng PCB lớp 812 với chất nền Tg cao để chịu được nhiệt độ và bức xạ cực cao.
Ví dụ: PCB chính của điện thoại thông minh 5G là một thiết kế 8 lớp: 2 lớp bên ngoài cho các thành phần, 2 lớp bên trong để phân phối điện, và 4 lớp để định tuyến tín hiệu tốc độ cao (5G, Wi-Fi 6E).

Phân tích chi phí: Tại sao PCB đa lớp đắt hơn
Sự khác biệt về chi phí giữa các loại PCB xuất phát từ sự phức tạp của sản xuất:

Làm thế nào để chọn đúng loại PCB
Theo khung quyết định này để chọn loại PCB tối ưu:
1Đánh giá số lượng thành phần:
<50 thành phần: Một mặt.
50×200 thành phần: Hai mặt.
200 thành phần: nhiều lớp.

2Đánh giá tốc độ tín hiệu:
≤ 100MHz: đơn hoặc hai mặt.
100MHz1Gbps: Hai mặt hoặc 4 lớp.
1Gbps: Lớp 4+ với trở kháng được kiểm soát.

3Xem xét yêu cầu năng lượng:
< 1A: Một mặt.
1?? 10A: hai mặt với đồng dày.
10A: Nhiều lớp với các lớp điện chuyên dụng.

4Kiểm tra hạn chế không gian:
Khung lớn (ví dụ: hộp công nghiệp): Một / hai mặt.
Thiết bị nhỏ gọn (ví dụ: thiết bị đeo): Nhiều lớp.

5Chi phí và hiệu suất:
Lập ưu tiên chi phí: Sử dụng loại đơn giản nhất đáp ứng các yêu cầu.
Đặt ưu tiên hiệu suất: nâng cấp lên một số lớp cao hơn cho độ tin cậy.

FAQ
Q: Một thiết kế có thể bắt đầu với một PCB một mặt và mở rộng đến nhiều lớp?
Đáp: Vâng, nhiều sản phẩm phát triển từ đơn đến hai đến nhiều lớp khi các tính năng được thêm vào. Ví dụ, đồng hồ thông minh đầu tiên sử dụng PCB hai mặt, trong khi các mô hình hiện đại sử dụng thiết kế 6-8 lớp.

Hỏi: PCB đa lớp luôn tốt hơn cho tín hiệu tốc độ cao?
A: Nói chung, có. Các mặt phẳng đất chuyên dụng và các dấu vết cản được kiểm soát của chúng làm giảm thiểu mất tín hiệu. Tuy nhiên, PCB hai mặt được thiết kế tốt có thể xử lý lên đến 1Gbps trong các dấu vết ngắn (≤ 5cm).

Q: Làm thế nào tôi giảm chi phí khi sử dụng PCB đa lớp?
A: Tối ưu hóa số lớp (ví dụ, sử dụng 4 lớp thay vì 6 nếu có thể), hạn chế đường mù / chôn vùi đến các khu vực quan trọng,và sử dụng FR4 tiêu chuẩn thay vì vật liệu đắt tiền (trừ khi được yêu cầu cho tần số cao).

Q: PCB một mặt có thể tuân thủ RoHS không?
Đáp: Có Ứng dụng tuân thủ RoHS phụ thuộc vào vật liệu (đan không chì, chất nền không halogen), không phải số lớp.

Q: Số lớp tối đa cho PCB là bao nhiêu?
A: PCB thương mại thường có tối đa 40 lớp (ví dụ, cho siêu máy tính), nhưng hầu hết các ứng dụng sử dụng 4 ′′ 16 lớp.

Kết luận
Sự lựa chọn giữa PCB một mặt, hai mặt và nhiều lớp phụ thuộc vào sự cân bằng sự phức tạp, hiệu suất và chi phí.trong khi bảng hai mặt cung cấp một nền trung gian cho các thiết kế vừa phải. PCB đa lớp là lựa chọn cho điện tử hiệu suất cao, dày đặc, mặc dù chi phí cao hơn.

Bằng cách sắp xếp loại PCB với số lượng thành phần của dự án, tốc độ tín hiệu, nhu cầu năng lượng và hạn chế không gian,bạn có thể tránh quá kỹ thuật (và chi tiêu quá nhiều) hoặc kỹ thuật dưới (và rủi ro thất bại)Khi các thiết bị điện tử tiếp tục co lại và tăng tốc, PCB đa lớp sẽ ngày càng trở nên quan trọng, nhưng các bảng đơn và hai mặt sẽ vẫn rất quan trọng cho các ứng dụng chi phí nhạy cảm, phức tạp thấp.

Cuối cùng, loại PCB phù hợp là loại đáp ứng các yêu cầu thiết kế của bạn mà không tốn chi phí không cần thiết, đảm bảo sản phẩm của bạn có chức năng và cạnh tranh trên thị trường.