技术科普丨一文搞懂多层PCB线路板的应用优势

2020-07-28 10:30:56 62












#前言#



印刷电路板(PCB)是当今大多数电子产品的核心,通过组件和接线机制的组合确定基本功能。过去的大多数PCB都相对简单并且受到制造技术的限制,而今天的PCB则要复杂得多。从先进的灵活选择到异形的品种,PCB在当今的电子世界中变得更加多样化。然而,特别受欢迎的是多层PCB。

虽然用于功能有限的简单电子设备的PCB通常由单层组成,但更复杂的电子设备(如计算机主板)由多层组成。这些就是所谓的多层PCB。随着现代电子设备日益复杂,这些多层PCB比以往任何时候都更加普及,而制造技术使它们的尺寸显着缩小。






#什么是多层PCB?#



多层PCB的定义是由三个或更多导电铜箔层制成的PCB。它们看起来像是几层双面电路板,层压并粘在一起,它们之间有多层隔热保温层。整个结构布置成使得两层放置在PCB的表面侧以连接到环境。通过诸如电镀通孔,盲孔和埋孔的通孔实现层之间的所有电连接。然后应用这种方法可以生成不同尺寸的高度复杂的PCB。

多层PCB应运而生对电子行业不断变化的变化。随着时间的推移,电子设备的功能逐渐变得越来越复杂,需要更复杂的PCB。不幸的是,PCB受到噪声,杂散电容和串扰等问题的限制,因此需要遵循某些设计约束。这些设计考虑使得难以从单面或甚至双面PCB获得令人满意的性能 - 因此多层PCB诞生了。

将双层PCB的功率封装到这种格式只是尺寸的一小部分,多层PCB在电子产品中越来越受欢迎。它们具有各种尺寸和厚度,以满足其扩展应用的需求,其变体范围从4到12层不等。层数通常是偶数,因为奇数层可能会导致电路中的问题,如翘曲,并且生产成本效益不高。大多数应用需要4到8层,但移动设备和智能手机等应用往往使用大约12层,而一些专业PCB制造商则拥有生产近100层多层PCB的能力。然而,具有多层的多层PCB很少见,因为它们的成本效率极低。

虽然多层PCB的生产往往更加昂贵且劳动密集,但多层PCB正成为现代技术的重要组成部分。这主要是由于它们提供了许多好处,特别是与单层和双层品种相比。


#多层PCB的优势#



从技术角度来看,多层PCB在设计方面具有多项优势。多层印刷电路板的这些优点包括:

1

小尺寸:使用多层印刷电路板最突出和最受赞誉的好处之一在于它们的尺寸。由于其分层设计,多层PCB本身比具有类似功能的其他PCB小。这为现代电子产品带来了巨大的好处,因为目前的趋势是致力于更小巧,更紧凑但功能更强大的小工具,如智能手机,笔记本电脑,平板电脑和可穿戴设备。

2

轻量化结构:采用更小的PCB,重量更轻,特别是因为单层和双层PCB互连所需的多个连接器被取消,有利于多层设计。这再次对现代电子产品有利,后者更倾向于移动性。

3

高质量:由于必须进行大量的工作和规划在制造多层PCB时,这些类型的PCB往往比单层和双层PCB更好。因此,它们也更加可靠。

4

提高耐久性:多层PCB往往因其性质而持久耐用。这些多层PCB不仅必须承受其自身的重量,而且还必须能够处理用于将它们粘合在一起的热量和压力。除了这些因素之外,多层PCB在电路层之间使用多层绝缘层,将它们与预浸料粘合剂和保护材料结合在一起。

5

增强的灵活性:虽然这并不适用于所有多层PCB组件,但有些确实采用了灵活的构造技术,从而形成了柔性多层PCB。对于可能在半规则的基础上发生轻微弯曲和弯曲的应用,这可能是非常理想的特性。同样,这并不适用于所有多层PCB,并且在柔性PCB中加入的层越多,PCB的柔性就越小。

6

功能更强大:多层PCB是极高密度的组件,将多层结合到一块PCB中。这些近距离使得电路板更具连接性,并且它们固有的电气性能使它们能够实现更大的容量和速度,尽管尺寸更小。

7

单连接点 :多层PCB设计用作单个单元,而不是与其他PCB组件串联。因此,它们具有单个连接点,而不是使用多个单层PCB所需的多个连接点。这证明在电子产品设计中也是有益的,因为它们仅需要在最终产品中包括单个连接点。这对于旨在最小化尺寸和重量的小型电子产品和小配件特别有用。

这些优势使多层PCB在各种应用中非常有用,特别是移动设备和高功能电子设备。反过来,随着许多行业转向移动解决方案,多层PCB在越来越多的行业特定应用中占据了一席之地。



#多层PCB的缺点#



多层PCB的优点很多,适用于各种先进技术。但是,这些类型的PCB并不适用于所有应用。实际上,若干缺点可能超过多层PCB优势,特别是对于成本较低且复杂度较低的电子设备。这些缺点包括:

1

成本更高:在制造过程的每个阶段,多层PCB都比单层和双层PCB贵得多。它们很难设计,花费大量时间来解决任何潜在的问题。它们还需要高度复杂的制造工艺来生产,这使得装配人员需要大量的时间和劳力。此外,由于这些PCB的性质,制造或组装过程中的任何错误都非常难以返工,从而导致额外的劳动力成本或废料费用。最重要的是,用于生产多层PCB的设备非常昂贵,因为它仍然是一项相对较新的技术。出于所有这些原因,除非小尺寸是应用的绝对必要,否则更便宜的替代品可能是更好的选择。

2

复杂的生产:多层PCB更多与其他PCB类型相比,难以生产,需要更多的设计时间和精心的制造技术。这是因为即使是PCB设计或制造中的小缺陷也会使其失效。

3

有限的可用性:多层PCB的最大问题之一是生产它们所需的机器。并非所有PCB制造商都有这种机器的资金或必要性,因此并非所有PCB制造商都携带它。这限制了可用于为客户生产多层PCB的PCB制造商的数量。因此,在决定PCB制造商作为合同制造商之前,最好仔细询问PCB制造商在多层PCB方面的能力。

4

需要技术设计师:如前所述,多层PCB需要事先进行大量设计。没有以前的经验,这可能会有问题。多层板需要层之间的互连,但必须同时减少串扰和阻抗问题。设计中的单个问题可能导致无法正常运行的电路板。

5

生产时间:随着复杂性的增加,制造要求也越来越多。这对多层PCB的周转率起着关键作用 - 每块板需要大量的时间来生产,从而导致更多的劳动力成本。此外,它可能导致订单下达和收到产品之间的时间间隔更长,这在某些情况下可能会出现问题。

这些优势使多层PCB在各种应用中非常有用,特别是移动设备和高功能电子设备。反过来,随着许多行业转向移动解决方案,多层PCB在越来越多的行业特定应用中占据了一席之地。



#多层PCB优于单层替代品的优势#



然而,这些问题并未从实用程序中消失多层PCB。虽然它们的成本往往超过单层PCB,但多层PCB相比这种类型的印刷电路板具有许多优势。

与单层替代方案相比,多层PCB的优势变得更加明显。多层PCB提供的一些关键改进包括:

1

更高的装配密度:虽然单层PCB的密度受其表面积的限制,但多层PCB倍增它们的密度通过分层。尽管PCB尺寸较小,但密度的增加可实现更大的功能,提高容量和速度。

2

尺寸更小:总体而言,多层PCB的尺寸小于单层PCB 。虽然单层PCB必须通过增加尺寸来增加电路的表面积,但多层PCB通过增加层来增加表面积,从而减小整体尺寸。这允许更高容量的多层PCB用于更小的器件,而高容量单层PCB必须安装在更大的产品中。

3

更轻的重量:多层PCB中的元件集成意味着对连接器和其他元件的需求减少,从而为复杂的电气应用提供了轻量级解决方案。多层PCB可以完成与多个单层PCB相同的工作量,但是尺寸更小,连接组件更少,减轻了重量。对于需要考虑重量的小型电子设备而言,这是一个必不可少的考虑因素。

4

增强的设计功能:总体而言,多层PCB能够超过平均单层PCB。通过更多地结合可控阻抗特性,更高的EMI屏蔽和整体改进的设计质量,多层PCB可以实现更多,尽管它们更小,重量更轻。

那么,在决定多层和单层结构时,这些因素意味着什么?从本质上讲,如果您希望生产质量至关重要的小型,轻便且复杂的设备,多层PCB可能是您的最佳选择。但是,如果尺寸和重量不是产品设计中的主要因素,那么单层或双层PCB设计可能更具成本效益。





#多层PCB应用#



上面讨论的优势和比较提出了一个问题:现实世界中多层PCB的用途是什么?答案就是任何用途。

对于众多行业而言,多层PCB已成为各种应用的首选。这种偏好很大程度上源于所有技术对移动性和功能性的持续推动。多层PCB是这一进程中的合理步骤,在减小尺寸的同时实现更多功能。因此,它们已经变得相当普遍,用于许多技术,包括:

消费电子产品

消费类电子产品是一个广泛的术语,用于涵盖广泛的公众使用的产品。这往往包括每天使用的产品,如智能手机和微波炉。这些消费电子产品中的每一个都包含PCB,但其中越来越多的是使用多层PCB而不是标准单层。为什么?大多数原因在于消费趋势。现代世界的人倾向于喜欢与他们的余生融为一体的多功能小工具和智能设备。从通用遥控器到智能手表,这些类型的设备在现代世界中相当普遍。他们也倾向于使用多层PCB来增加功能和缩小尺寸。

计算机电子

从服务器到主板的所有东西都使用多层PCB,主要是因为它们具有节省空间的特性和高功能性。对于这些应用,性能是PCB最基本的特性之一,而成本在优先级列表中相对较低。因此,多层PCB是该行业许多技术的理想解决方案。

电信

电信设备通常在多种通用应用中使用多层PCB,例如信号传输,GPS和卫星应用。其原因主要在于其耐用性和功能性。用于电信应用的PCB通常用于移动设备或户外塔。在这些应用中,耐用性至关重要,同时仍保持高水平的功能。

工业

多层PCB确实比目前市场上的其他几种选择更耐用,使其成为日常处理粗糙的应用的理想选择。因此,多层PCB在几种工业应用中变得流行,其中最值得注意的是工业控制。从工业计算机到控制系统,多层PCB在整个制造和工业应用中用于运行机械,有利于其耐用性以及小尺寸和功能性。

医疗器械

电子产品正在成为医疗保健行业日益重要的一部分,从治疗到诊断,在行业的各个角落都能发挥作用。与单层替代品相比,多层PCB因其体积小,重量轻和功能强大而在医疗行业中特别受欢迎。这些优势使得多层PCB用于现代X射线设备,心脏监护仪,CAT扫描设备和医疗测试设备等。

军事和国防

多层PCB在耐用性,功能性和低重量方面受到青睐,在高速电路中非常有用,这在军事应用中越来越受到重视。由于国防工业向高度紧凑的工程设计的发展,它们也受到青睐,因为小尺寸的多层PCB为其他组件留下了更多空间来发挥现有功能。

汽车

在现代汽车中,汽车越来越依赖电子元件,特别是随着电动汽车的兴起。从GPS和车载计算机到大灯开关和由电子设备控制的发动机传感器,使用正确类型的组件在汽车设计中变得越来越重要。这就是为什么许多汽车制造商开始偏爱多层PCB而不是其他替代品。虽然它们小而耐用,但多层PCB也具有高功能性和相对耐热性,因此非常适合汽车的内部环境。

航空航天

就像汽车,喷气式飞机和火箭在很大程度上依赖于现代电子产品,所有这些都必须非常精确。从地面上使用的计算机到驾驶舱中使用的计算机,航空航天PCB应用必须可靠,能够处理大气行程的压力,同时为周围设备的其余部分留出足够的空间。在这种情况下,多层PCB是理想的解决方案,具有足够的保护层以保持热量和外部应力不会损坏连接,以及由柔性材料制成的能力。它们更高的质量和功能也有助于航空航天工业的这种实用性,因为航空航天公司更愿意使用最好的材料来保证人员和设备的安全。

多层PCB应用领域远远不止这些,还用于各种其他行业,包括科学和研究行业,甚至家用电器和安全。从报警系统和光纤传感器到原子加速器和天气分析设备的所有设备都使用多层PCB,充分利用了这种PCB格式所节省的空间和重量,以及更高的功能。


转载来源:电子发烧友网



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