Трёхслойные печатные платы

Почему трёхслойные печатные платы встречаются крайне редко, хотя кажутся дешевле четырёхслойных? Разбираем технологию производства PCB, влияние количества слоёв на стоимость и практический опыт контрактного производства электроники.

В нашей работе периодически появляются проекты, которые заставляют глубже разобраться в производственных технологиях. Недавно к нам поступил именно такой заказ.

Перед заказчиком стояла вполне понятная задача — максимально снизить стоимость изготовления электронного модуля. После анализа документации выяснилось, что печатная плата была четырёхслойной, однако один из внутренних слоёв практически не использовался.

Возникла логичная идея:

А если сделать плату трёхслойной?

На первый взгляд кажется, что если материалов станет меньше, то и цена должна снизиться. Но на практике этого не произошло. Именно этот случай и подтолкнул меня разобраться, почему трёхслойные печатные платы практически не встречаются в промышленном производстве.

Как вообще изготавливается многослойная печатная плата

Когда говорят о четырёхслойной плате, многие представляют четыре независимые платы, сложенные вместе.

На самом деле технология значительно интереснее.

Основой является пакет из:

• медной фольги;

• стеклотекстолита;

• препрега (диэлектрика с пропиткой).

Все слои собираются в единый «бутерброд». Затем пакет помещается под высокое давление и температуру. После прессования получается монолитная заготовка.

И только потом начинается дальнейшая обработка:

• сверление;

• металлизация отверстий;

• нанесение рисунка проводников;

• защитная маска;

• шелкография;

• финишное покрытие.

Именно поэтому количество слоёв влияет не только на расход материалов, но и на весь технологический процесс.

Почему четыре слоя стали стандартом

Сегодня подавляющее большинство относительно сложных электронных устройств используют именно четырёхслойные платы.

Типичная структура выглядит так:

• Верхний сигнальный слой.

• Сплошной слой земли.

• Слой питания.

• Нижний сигнальный слой.

Такая конструкция обеспечивает:

• хороший возврат токов;

• стабильное волновое сопротивление;

• меньший уровень помех;

• более простую трассировку.

Кроме того, производство четырёхслойных плат давно стало массовым.

А массовое производство почти всегда означает снижение стоимости.

Тогда почему не сделать три слоя?

Именно этот вопрос возник и у нашего заказчика. Если один внутренний слой практически пустой, зачем его оплачивать? Логика кажется абсолютно правильной. Но здесь начинается самое интересное.

Производство любит симметрию

Во время прессования пакет должен быть максимально симметричным.

Если конструкция становится несимметричной, появляются дополнительные риски:

• коробление платы;

• внутренние напряжения;

• изменение геометрии после пайки;

• сложности контроля толщины.

Поэтому большинство производителей печатных плат предпочитают работать с симметричными пакетами.

Именно поэтому получили распространение:

• 2 слоя;

• 4 слоя;

• 6 слоёв;

• 8 слоёв;

• 10 слоёв.

А вот трёхслойные конструкции встречаются крайне редко.

Даже если завод изготовит такую плату…

Предположим, производитель согласился изготовить трёхслойную плату. Кажется, что материалов стало меньше. Но появляются другие расходы.

Например:

• нестандартная подготовка производства;

• отдельный технологический маршрут;

• индивидуальная настройка прессования;

• повышенный контроль качества.

В результате экономия на одном слое меди и препрега зачастую оказывается значительно меньше дополнительных производственных затрат.

Иногда стоимость вообще остаётся прежней. А иногда даже становится выше. Именно такую ситуацию мы и увидели в рассматриваемом проекте.

Когда три слоя всё же используются

Совсем говорить, что трёхслойных плат не существует, было бы неправильно. Они действительно встречаются.

Но обычно это:

• специализированные изделия;

• опытные разработки;

• нестандартные технологические процессы;

• отдельные зарубежные производства.

Для массовой электроники это скорее исключение.

Что оказалось выгоднее

После обсуждения с заказчиком мы рассмотрели другой вариант. Не менять количество слоёв, а переработать разводку платы так, чтобы эффективнее использовать существующую четырёхслойную конструкцию. В ряде случаев это позволяет получить значительно больший экономический эффект, чем попытка перейти на нестандартную технологию.

На что ещё влияет количество слоёв

При выборе структуры печатной платы важно учитывать не только стоимость.

Количество слоёв напрямую влияет на:

• электромагнитную совместимость;

• качество питания микросхем;

• удобство разводки;

• размеры изделия;

• стоимость последующего SMT-монтажа;

• вероятность прохождения испытаний по ЭМС.

Поэтому хороший выбор структуры платы — это всегда компромисс между ценой, технологичностью и требованиями схемы.

Что мы рекомендуем заказчикам

Если стоит задача снизить стоимость изделия, лучше рассматривать конструкцию платы комплексно.

Иногда больший эффект дают:

• уменьшение габаритов платы;

• оптимизация расположения компонентов;

• замена корпуса отдельных микросхем;

• использование более распространённых электронных компонентов;

• оптимизация панели для производства;

• корректировка технологии сборки SMT и THT.

Во многих случаях это позволяет получить экономию без перехода на нестандартные конструкции печатных плат.

Итог

История с этим проектом ещё раз показала простую мысль. Не всегда уменьшение количества материалов приводит к снижению стоимости изделия. Современное производство печатных плат ориентировано на массовые технологические процессы. Именно поэтому четырёхслойные платы стали своеобразным промышленным стандартом, а трёхслойные конструкции остались редким исключением. Иногда самый выгодный путь — не отказаться от слоя, а правильно использовать уже существующую технологию. Именно такие вопросы мы стараемся обсуждать с заказчиком ещё на этапе подготовки производства. Очень часто небольшие изменения в конструкции позволяют снизить стоимость всей сборки значительно сильнее, чем кажется на первый взгляд.