Учебник по двухслойным печатным платам: Практическое сквозное руководство (от основ до производства)

Двусторонние печатные платы являются стандартом для большинства современной электроники, предлагая баланс между сложностью и стоимостью. Этот учебник по двухслойным печатным платам охватывает весь жизненный цикл от первоначального определения до окончательной проверки производства. В отличие от более простых плат, двухслойные конструкции требуют точного выравнивания между верхним и нижним медными слоями с использованием металлизированных сквозных отверстий (переходных отверстий). APTPCB (APTPCB PCB Factory) специализируется на изготовлении этих плат с высокой точностью, чтобы гарантировать, что ваш дизайн будет функционировать точно так, как задумано.

Ключевые выводы

Определение: Двухслойная печатная плата имеет проводящую медь с обеих сторон подложки, соединенную переходными отверстиями.
Соединение: Переходные отверстия являются критически важным компонентом, который отличает эти платы от однослойных вариантов.
Поток проектирования: Процесс включает в себя захват схемы, компоновку, трассировку и генерацию файлов.
Проверка: Проверка правил проектирования (DRC) и проектирование для производства (DFM) обязательны перед производством.
Фактор стоимости: Они немного дороже однослойных плат, но значительно дешевле многослойных стеков.
Распространенная ошибка: Игнорирование соотношения сторон переходных отверстий может привести к производственным сбоям.
Выходные данные: Последний шаг — это генерация файлов Gerber и данных сверления для производителя.

Что на самом деле означает учебник по двухслойным печатным платам (область применения и границы)

Понимание основного определения — это первый шаг перед погружением в сложные метрики. Двухслойная печатная плата состоит из непроводящего субстрата (обычно FR4), зажатого между двумя слоями меди. В то время как основы однослойных печатных плат сосредоточены на трассировке всего на одной поверхности без пересечения дорожек, двухслойные конструкции позволяют дорожкам пересекаться, переходя на противоположную сторону через переходные отверстия (виасы).

Область применения этого руководства включает физическую структуру и процесс цифрового проектирования. Оно охватывает управление верхним слоем (сторона компонентов) и нижним слоем (сторона пайки). Также рассматривается критическая роль «стекапа» (stackup), который определяет толщину основного материала и вес меди. Освоение этого руководства позволяет инженерам проектировать более плотные схемы, которые помещаются в меньшие корпуса.

Важные метрики (как оценить качество)

После определения области применения необходимо количественно оценить качество и технологичность платы. Следующие метрики определяют, является ли проект жизнеспособным для стандартных производственных процессов.

Метрика	Почему это важно	Типичный диапазон или влияющие факторы	Как измерить
Ширина / Расстояние дорожки	Предотвращает короткие замыкания и обеспечивает токовую нагрузку.	От 4 до 6 мил для стандарта; шире для питания.	Проверка правил проектирования CAD (DRC).
Соотношение сторон переходного отверстия	Обеспечивает прохождение раствора для металлизации через отверстие во время производства.	От 1:8 до 1:10 (Диаметр отверстия : Толщина платы).	Разделите толщину платы на диаметр сверла.
Толщина меди	Определяет токонесущую способность и теплоотвод.	1oz (35µm) является стандартом; 2oz+ для питания.	Указано в документации по стеку.
Кольцевой поясок	Гарантирует, что сверло попадает в центр контактной площадки, не нарушая соединение.	Минимум от 4mil до 6mil в зависимости от класса.	Измеряется от края отверстия до края контактной площадки.
Контроль импеданса	Критически важен для высокоскоростных сигналов для предотвращения потери данных.	Допуск ±10% (например, 50Ω или 90Ω).	Моделирование TDR (Time Domain Reflectometry).
Изгиб и скручивание	Влияет на сборку, особенно для компонентов поверхностного монтажа.	< 0,75% для SMT; < 1,5% для сквозных отверстий.	Поместите на плоскую поверхность и измерьте высоту зазора.

Руководство по выбору по сценариям (компромиссы)

Метрики предоставляют данные, но контекст применения диктует, какие значения следует выбирать. Различные сценарии требуют приоритизации одних атрибутов над другими.

1. Быстрое прототипирование

Приоритет: Скорость и низкая стоимость.
Компромисс: Используйте стандартные спецификации (например, трасса 6mil, переходное отверстие 0,3 мм), чтобы избежать затрат на индивидуальную разработку.
Рекомендация: Придерживайтесь стандартного материала FR4 TG130.

2. Блоки питания (БП)

Приоритет: Токонесущая способность и рассеивание тепла.
Компромисс: Более высокая стоимость для толстой меди (2oz или 3oz).
Рекомендация: Значительно увеличить ширину дорожек и использовать тепловые переходные отверстия.

3. Бытовая электроника (IoT)

Приоритет: Размер и целостность сигнала.
Компромисс: Более жесткие допуски увеличивают сложность производства.
Рекомендация: Использовать меньшие переходные отверстия и тщательное согласование импеданса для антенн.

4. Промышленные контроллеры

Приоритет: Долговечность и помехоустойчивость.
Компромисс: Надежность важнее миниатюризации.
Рекомендация: Использовать более широкие зазоры для предотвращения искрения и материалы с высоким TG для термостойкости.

5. Автомобильные приложения

Приоритет: Надежность при вибрации и термических циклах.
Компромисс: Строгие валидационные испытания увеличивают время выполнения заказа.
Рекомендация: Требовать производство по стандарту IPC Class 3.

6. Высокочастотные / РЧ

Приоритет: Чистота сигнала.
Компромисс: Дорогие материалы подложки (например, Rogers или Teflon).
Рекомендация: Строго контролировать диэлектрическую проницаемость; стандартный FR4 может слишком сильно варьироваться.

От проектирования к производству (контрольные точки реализации)

После выбора подходящего сценария необходимо методично выполнить этап проектирования. Этот раздел руководства по двухслойным печатным платам описывает конкретные контрольные точки для перехода от концепции к физической плате.

1. Захват схемы

Рекомендация: Убедитесь, что каждый вывод подключен логически.
Риск: Неподключенные цепи приводят к отсутствию дорожек.
Приемлемость: Выполните проверку электрических правил (ERC) в вашем САПР.

2. Размещение компонентов

Рекомендация: Группируйте связанные компоненты для минимизации длины трасс.
Риск: Разрозненное размещение увеличивает шум и сложность трассировки.
Приемлемость: Визуальный осмотр линий "ratsnest" на предмет минимального пересечения.

3. Именование слоев стека печатной платы

Рекомендация: Используйте стандартные обозначения (Top, Bottom, Silk_Top, Mask_Top).
Риск: Производитель путает сторону пайки со стороной компонентов.
Приемлемость: Убедитесь, что названия слоев соответствуют требованиям производителя.

4. Трассировка и переходные отверстия

Рекомендация: Сначала трассируйте питание и землю, затем критические сигналы.
Риск: Нехватка места для плоскостей питания.
Приемлемость: 100% трассировка в САПР.

5. Заливка медью (земляная плоскость)

Рекомендация: Заполните пустые места на обоих слоях земляной медью.
Риск: "Островки" неподключенной меди могут действовать как антенны.
Приемлемость: Убедитесь, что все заливки подключены к земляной сети.

6. Очистка шелкографии

Рекомендация: Переместите текст подальше от контактных площадок и переходных отверстий.
Риск: Чернила на контактных площадках препятствуют пайке.
Приемлемость: Визуальная проверка отсутствия наложения текста на паяемые области.

7. Руководство по файлам сверления (Генерация)

Рекомендация: Экспортируйте файлы NC Drill в формате Excellon.
Риск: Несоответствие координат между отверстиями для сверления и медными контактными площадками.
Приемка: Загрузите файлы сверловки и Gerber в программу просмотра для проверки выравнивания.

8. Проверка проектных правил (DRC)

Рекомендация: Установите правила, основанные на возможностях вашего производителя (например, стандартные правила APTPCB).
Риск: Сбой производства из-за слишком близкого расположения дорожек.
Приемка: Ноль ошибок в итоговом отчете DRC.

9. Экспорт Gerber

Рекомендация: Экспортируйте в формате RS-274X, который включает определения апертур.
Риск: Отсутствующие слои или неопределенные формы.
Приемка: Используйте Gerber Viewer для проверки каждого слоя.

10. Обзор DFM

Рекомендация: Отправьте файлы для предпроизводственной проверки.
Риск: Скрытые проблемы, такие как кислотные ловушки или заусенцы.
Приемка: Отчет об утверждении от инженера CAM.

Распространенные ошибки (и правильный подход)

Даже при наличии контрольного списка, разработчики часто попадают в определенные ловушки на этапе реализации. Избегание этих ошибок экономит время и сокращает брак.

Неправильное зеркалирование компонентов:
- Ошибка: Размещение компонентов на нижнем слое без зеркалирования посадочного места.
- Исправление: Всегда используйте команду "Flip" или "Mirror" в CAD при перемещении деталей на нижний слой.
Игнорирование кислотных ловушек:
- Ошибка: Прокладка дорожек под острыми углами (менее 90 градусов).
- Исправление: Используйте углы 45 градусов, чтобы предотвратить скопление кислоты во время травления.
Недостаточный зазор по краю:

Ошибка: Размещение меди слишком близко к краю платы.
Коррекция: Держите медь на расстоянии не менее 0,3 мм (12 мил) от края, чтобы предотвратить повреждение при резке.

Отсутствие перемычек паяльной маски (Missing Solder Mask Dams):

Ошибка: Размещение контактных площадок настолько близко, что маска между ними слишком тонка для печати.
Коррекция: Обеспечьте достаточное расстояние для "перемычки", чтобы предотвратить образование припоя.

Неоднозначные символы сверления:

Ошибка: Использование одного и того же символа для отверстий разного размера в документации.
Коррекция: Создайте четкую таблицу сверления с уникальными символами для каждого размера инструмента.

Чрезмерная зависимость от автотрассировщиков:

Ошибка: Доверие программному обеспечению для трассировки критических путей питания или сигнала.
Коррекция: Трассируйте чувствительные линии вручную; используйте автотрассировщики только для некритических соединений.

Пренебрежение тепловыми зазорами (Thermal Reliefs):

Ошибка: Подключение контактных площадок непосредственно к большим медным полигонам.
Коррекция: Используйте спицы теплового зазора, чтобы облегчить пайку.

Неправильное масштабирование файла:

Ошибка: Экспорт файлов Gerber в масштабе, отличном от 1:1.
Коррекция: Всегда проверяйте, чтобы настройки экспорта были установлены в масштабе 1:1.

FAQ

В: Какова стандартная толщина двухслойной печатной платы? О: Промышленный стандарт составляет 1,6 мм (0,062 дюйма), но толщины от 0,4 мм до 3,2 мм распространены в зависимости от применения.

В: Могу ли я использовать двухслойную печатную плату для высокоскоростных сигналов? A: Да, при условии, что вы поддерживаете непрерывную земляную плоскость с одной стороны для контроля импеданса и обеспечения обратного пути.

В: Как стоимость сравнивается с однослойными платами? О: Двухслойные платы немного дороже из-за процесса металлизации переходных отверстий, но разница незначительна для малых и средних объемов.

В: Какие файлы мне нужно отправить для производства? О: Обычно вам нужны файлы Gerber для всех медных слоев, маски и шелкографии, а также файл NC Drill и список цепей IPC.

В: Каков минимальный размер переходного отверстия, который может изготовить APTPCB? О: Стандартные механические сверла могут делать отверстия до 0,2 мм или 0,15 мм. Лазерные сверла (для HDI) могут делать отверстия меньшего размера, но стоят дороже.

В: Нужна ли мне паяльная маска с обеих сторон? О: Да, для двухслойных плат паяльная маска обычно наносится с обеих сторон для защиты дорожек и предотвращения замыканий.

В: Как обрабатывать высокий ток на двухслойной плате? О: Используйте более широкие дорожки, более толстую медь (2 унции или 3 унции) и не наносите паяльную маску на дорожки с высоким током, чтобы добавить припой во время сборки.

В: В чем разница между металлизированными и неметаллизированными отверстиями? О: Металлизированные отверстия (PTH) имеют медь внутри для соединения слоев; неметаллизированные отверстия (NPTH) предназначены для монтажных винтов и не проводят электричество.

В: Могу ли я отремонтировать оборванную дорожку на двухслойной плате? О: Да, обычно путем пайки перемычки (обмоточного провода) между двумя соединенными точками.

В: Почему мой файл сверловки не совпадает с моим файлом Gerber? О: Это часто связано с различными форматами координат (например, 2:4 против 2:5) или настройками подавления нулей. Всегда проверяйте в просмотрщике.

Чтобы ваши знания из руководства по двухслойным печатным платам воплотились в успешный продукт, используйте правильные ресурсы.

Услуги по производству печатных плат: Изучите возможности для стандартных и усовершенствованных двухсторонних плат.
Рекомендации DFM: Подробные правила проектирования для обеспечения технологичности вашей платы.
Онлайн-расчет: Получите мгновенную смету расходов для вашего двухслойного проекта.

Глоссарий (ключевые термины)

Термин	Определение
Переходное отверстие (Via)	Металлизированное отверстие, соединяющее медные дорожки на разных слоях.
Контактная площадка (Pad)	Открытая медная область для пайки выводов компонентов.
FR4	Наиболее распространенный огнестойкий стеклотекстолитовый субстрат.
Паяльная маска	Защитное покрытие (обычно зеленое), предотвращающее образование паяльных мостиков.
Шелкография	Слой чернил, используемый для маркировки компонентов и логотипов.
Файл Gerber	Стандартный векторный формат, используемый для описания изображений печатных плат.
Файл сверловки NC	Файл, содержащий координаты и размеры инструментов для сверления отверстий.
HASL	Выравнивание припоя горячим воздухом (Hot Air Solder Leveling); распространенное финишное покрытие.
ENIG	Химическое никелирование с иммерсионным золочением (Electroless Nickel Immersion Gold); плоское, коррозионностойкое покрытие.
DRC	Design Rule Check; программная проверка ограничений компоновки.
Netlist	Список всех электрических соединений в проекте.
Stackup	Расположение слоев меди и изоляции в печатной плате.
Rat's Nest	Визуальные линии в САПР, показывающие неразведенные соединения.
Clearance	Минимальное расстояние, необходимое между двумя проводящими элементами.

Заключение (дальнейшие шаги)

Освоение процесса урока по двухслойным печатным платам крайне важно для любого инженера-электронщика. Понимая метрики, выбирая правильные параметры проектирования и тщательно проверяя свои файлы, вы обеспечиваете плавный переход от прототипа к производству. Двухслойные платы предлагают универсальность, необходимую для большинства приложений, от простых контроллеров до сложных устройств IoT.

Когда вы будете готовы к производству, убедитесь, что у вас готовы файлы Gerber, данные сверления и спецификации стека слоев. APTPCB оснащена для выполнения ваших требований с точностью и скоростью. Всегда выполняйте окончательную проверку DFM перед отправкой, чтобы избежать задержек. Начните свой проект сегодня, проверив свой дизайн по контрольным точкам, перечисленным выше.