تعد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أحادية الجانب هي الاختيار الصحيح للتطبيقات البسيطة ومنخفضة التكلفة؛ تتناسب مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات الوجهين مع التعقيد المعتدل مع قيود الميزانية؛ وتعد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات ضرورية للتصميمات عالية الكثافة أو عالية السرعة أو الحساسة للضوضاء. تمثل هذه الأنواع الثلاثة من ثنائي الفينيل متعدد الكلور تقدمًا في تعقيد التصنيع، والقدرة، والتكلفة - ولكل منها مجموعة محددة بوضوح من التطبيقات حيث توفر أفضل النتائج. لوحة أحادية الجانب تكلف 0.50 دولار للإنتاج هو القرار الهندسي والتجاري الصحيح لوحدة تحكم LED الأساسية؛ ستكون هذه اللوحة نفسها نقطة انطلاق غير عملية لمودم 5G. إن فهم الاختلافات الهيكلية والكهربائية والتصنيعية بين هذه الفئات الثلاث هو الأساس لاتخاذ قرارات سليمة بشأن ثنائي الفينيل متعدد الكلور منذ مرحلة التصميم الأولى.
لوحة الدوائر المطبوعة عبارة عن هيكل مصفح من طبقات نحاسية موصلة مفصولة بمادة ركيزة عازلة - وهي الأكثر شيوعًا صفائح الإيبوكسي الزجاجية FR4. يحدد عدد الطبقات النحاسية عدد قنوات التوجيه المستقلة الموجودة داخل اللوحة، والتي بدورها تتحكم في كثافة التوجيه، وسلامة الإشارة، وجودة توزيع الطاقة، وأداء التوافق الكهرومغناطيسي (EMC).
تمثل تكوينات الطبقة الأساسية الثلاثة طبقة قدرة هندسية متميزة:
تستخدم جميع أنواع ثنائي الفينيل متعدد الكلور الثلاثة نفس خيارات الركيزة الأساسية، على الرغم من أن اختيار المواد يصبح أكثر أهمية مع زيادة عدد الطبقات. FR4 (الإيبوكسي المقوى بالزجاج، Tg 130-170 درجة مئوية) هو المعيار لمعظم التطبيقات التجارية والصناعية. تصاميم عالية التردد أعلاه 1 جيجا هرتز تتطلب بشكل متزايد شرائح منخفضة الخسارة مثل Rogers 4003C (ثابت العزل الكهربائي εr = 3.55، ظل الخسارة 0.0027) أو Isola IS680 للحفاظ على سلامة الإشارة عبر طبقات متعددة - وهو الاعتبار الذي لا ينشأ في معظم التطبيقات أحادية الجانب.
يحتوي ثنائي الفينيل متعدد الكلور أحادي الجانب على طبقة واحدة من رقائق النحاس المرتبطة بوجه واحد من الركيزة العازلة. يتم تثبيت المكونات عادةً على الجانب النحاسي (بالنسبة للمكونات التي يتم ثقبها، تمر أسلاك الرصاص عبر اللوحة وتكون ملحومة على الجانب النحاسي) أو على جانب الركيزة العاري مع مكونات SMD ملحومة بمنصات نحاسية على الوجه المقابل.
يتم تصنيع الألواح أحادية الجانب من خلال عملية طرح مباشرة: يتم طلاء الركيزة المغطاة بالنحاس بمادة مقاومة للضوء، ويتم كشفها من خلال فيلم نمط الدائرة، ويتم تطويرها وحفرها لإزالة النحاس غير المرغوب فيه. إن غياب الطلاء من خلال الفتحة وتصفيح الطبقة الداخلية وعمليات المحاذاة المتعددة يجعل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أحادية الجانب هي أبسط وأرخص أنواع ثنائي الفينيل متعدد الكلور في التصنيع.
في الإنتاج بكميات كبيرة (100.000 وحدة)، يمكن إنتاج لوح FR4 قياسي أحادي الجانب بقياس 100 × 80 مم 0.10 دولار - 0.50 دولار لكل وحدة . تعتبر ميزة التكلفة هذه مهمة بالنسبة للإلكترونيات الاستهلاكية ذات الأهداف الصارمة فيما يتعلق بقائمة المواد.
القيد الأساسي للتصميم أحادي الجانب هو أن الآثار لا يمكن أن تتقاطع بدون سلك توصيل أو مقاومة صفر أوم - لا توجد طبقة ثانية لتوجيهها عبر أثر موجود. وهذا يحد من تعقيد الدائرة في التصميمات حيث يمكن توجيه جميع الاتصالات في تكوين مستو غير متقاطع. الحدود العليا العملية للتصميمات أحادية الجانب هي عادةً ما يلي:
تظل اللوحات أحادية الجانب قيد الإنتاج بكميات كبيرة عبر مجموعة من التطبيقات الراسخة:
يضيف ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو الوجهين طبقة نحاسية ثانية على الوجه المقابل للركيزة ويربط الطبقتين من خلال فتحات مطلية (PTH) - فتحات حفر مبطنة بالنحاس تعمل على إنشاء اتصالات كهربائية بين طبقات النحاس العلوية والسفلية. تعمل هذه الإضافة الفردية على تغيير مساحة التصميم المتاحة للمهندس بشكل أساسي.
يتم حفر منافذ PTH من خلال سماكة اللوحة الكاملة ثم يتم طلاءها بالنحاس حتى يصل سمك الجدار إلى 100 سم 25 ميكرون كحد أدنى لكل IPC-6012 الفئة 2 (تجاري قياسي) أو 20 ميكرون كحد أدنى لكل فئة 1. يخلق الطلاء اتصالاً كهربائيًا وميكانيكيًا موثوقًا بين الطبقات. عبر أقطار الحفر في نطاق التصنيع القياسي على الوجهين من 0.2 ملم إلى 6.3 ملم ، مع أحجام ثقب نهائية أصغر بمقدار 0.1-0.15 مم من قطر الحفر بعد الطلاء.
تضيف إضافة تصنيع PTH ترسيب النحاس الكيميائي، والطلاء الكهربائي، وخطوات فحص إضافية إلى عملية التصنيع - مما يزيد من تكلفة الوحدة بحوالي 30-60% على جانب واحد بنفس حجم اللوحة وحجمها، ولكنها توفر ضعف سعة التوجيه تقريبًا.
تحقق مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات قدرات لا يمكن الوصول إليها بشكل أساسي للتصميمات أحادية أو مزدوجة الجانب - ليس فقط من خلال سعة التوجيه الإضافية، ولكن من خلال الأداء الكهربائي المختلف نوعيًا الذي يتم تمكينه بواسطة الطائرات الأرضية الداخلية، وطائرات الطاقة، والتوجيه المزدوج التفاضلي المتحكم فيه في بيئة محمية.
يبدأ التصنيع متعدد الطبقات بنوى طبقة داخلية فردية مزدوجة الجوانب، تتم معالجة كل منها مثل لوحة مستقلة مزدوجة الجوانب (صورة، حفر، فحص). تتم بعد ذلك محاذاة الطبقات الداخلية باستخدام دبابيس تسجيل دقيقة وتصفيحها مع طبقات الربط المسبقة (إيبوكسي الألياف الزجاجية المشربة مسبقًا) في مكبس هيدروليكي ساخن عند 170-200 درجة مئوية و250-400 رطل لكل بوصة مربعة . بعد التصفيح، تتم معالجة الطبقات الخارجية، ويقوم الحفر وطلاء PTH بتوصيل جميع الطبقات، ويتم الانتهاء من اللوحة.
عادةً ما تكون دقة التسجيل من طبقة إلى طبقة في التصنيع متعدد الطبقات عالي الجودة ±75-100 ميكرومتر ، مما يضمن محاذاة مواقع الحفر مع الوسادات النحاسية على جميع الطبقات الداخلية. التصنيع المتقدم باستخدام الميكروفيا المحفورة بالليزر يحقق التسجيل في الداخل ± 25 ميكرومتر للوحات HDI (الربط عالي الكثافة).
يوفر تخصيص الطبقات الداخلية للطاقة النحاسية الصلبة والمستويات الأرضية ثلاث فوائد مهمة لا يمكن تكرارها في التصميمات المكونة من طبقتين:
يحدد ترتيب طبقات الإشارة والطاقة والأرض ضمن مجموعة متعددة الطبقات الأداء الكهربائي للوحة. إن التصميم السيئ للتكديس ينفي مزايا الطبقات الإضافية؛ يعمل التصميم الجيد للتكديس على زيادة سلامة الإشارة وأداء PDN ضمن الحد الأدنى لعدد الطبقات.
| عدد الطبقات | الطبقة 1 | الطبقة 2 | الطبقة 3 | الطبقة 4 | الطبقات 5 – ن |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 طبقة | الإشارة (أعلى) | الطائرة الأرضية | طائرة السلطة | الإشارة (أسفل) | — |
| 6 طبقة | الإشارة (أعلى) | الطائرة الأرضية | إشارة (داخلية) | طائرة السلطة | الطائرة الأرضية / Signal (bottom) |
| 8 طبقة | الإشارة (أعلى) | الطائرة الأرضية | إشارة (داخلية 1) | طائرة السلطة | أرضي / إشارة / طاقة / إشارة (أسفل) |
تستهلك فتحات الفتحات القياسية في اللوحات متعددة الطبقات مساحة اللوحة والمساحة المضادة للوسادة في كل طبقة تمر عبرها، حتى الطبقات التي لا تتصل بها. في تصميمات عالية الكثافة مع مكونات BGA دقيقة ( 0.4-0.5 ملم )، تستهلك عمليات التوصيل عبر الفتحة مساحة توجيه كبيرة جدًا. تسمح الممرات العمياء (توصيل الطبقات الخارجية بالداخلية فقط) والمنافذ المدفونة (توصيل الطبقات الداخلية دون الوصول إلى السطح الخارجي) بتوجيه المروحة للخارج تحت BGAs التي لا يمكن تحقيقها عبر الفتحات. تضيف هذه التقنيات 30-80% من تكلفة التصنيع ولكنها ضرورية للمعالج الحديث عالي الكثافة وتوجيه الذاكرة.
| المعلمة | ثنائي الفينيل متعدد الكلور من جانب واحد | ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الوجهين | ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد الطبقات |
|---|---|---|---|
| طبقات النحاس | 1 | 2 | 4-50 |
| كثافة التوجيه | منخفض | معتدل | عالية إلى عالية جدًا |
| مقاومة تسيطر عليها | غير عملي | محدود (<200 ميجاهرتز) | الدعم الكامل (نطاق جيجاهرتز) |
| طائرات طاقة/أرضية مخصصة | لا | جزئي | نعم (طائرات داخلية كاملة) |
| أداء EMI | فقير | معتدل | جيد إلى ممتاز |
| تكلفة التصنيع النسبية | 1 × (خط الأساس) | 1.3-1.6× | 2×–8× (4 إلى 12 طبقة) |
| دعم تعقيد التصميم | دوائر بسيطة | معتدل complexity | إشارة عالية السرعة وكثيفة ومختلطة |
| المهلة الزمنية (النموذج الأولي) | 24-48 ساعة | 24-72 ساعة | 3-7 أيام (4 لتر)؛ 5-14 يومًا (8 لتر) |
يجب أن يعمل إطار القرار الخاص باختيار نوع ثنائي الفينيل متعدد الكلور من خلال سلسلة من قيود التصميم حسب الأولوية. لا يكون تحسين التكلفة صالحًا إلا بعد التأكد من استيفاء المتطلبات الوظيفية، حيث يؤدي اختيار لوحة أحادية الجانب لتوفير التكلفة ثم اكتشاف استحالة التوجيه إلى إضاعة الوقت والمال أكثر من التوفير الأولي.
من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن اختيار عدد أقل من الطبقات يؤدي دائمًا إلى تقليل التكلفة الإجمالية للمشروع. من الناحية العملية، فإن الوقت الهندسي الإضافي الذي يتم إنفاقه في توجيه تصميم كثيف على طبقات قليلة جدًا، وزيادة مساحة اللوحة المطلوبة لحل تعارضات التوجيه، وتكاليف إعادة اختبار EMC من تشغيل شهادة فاشلة غالبًا ما تتجاوز فرق تكلفة التصنيع بين لوحة مكونة من طبقتين ولوحة مكونة من 4 طبقات. تكلف اللوحة المكونة من 4 طبقات ما يقرب من 2-2.5 × أكثر من اللوحة المكونة من طبقتين بكميات النموذج الأولي - غالبًا ما يكون الفرق من 30 إلى 80 دولارًا لكل لوحة - ولكن تجنب دورة اختبار EMC واحدة يوفر ما بين 5000 إلى 20000 دولار من رسوم المختبر والوقت الهندسي.
إن فهم الحد الأدنى لأحجام الميزات التي يمكن تحقيقها في كل نوع من أنواع ثنائي الفينيل متعدد الكلور يساعد المصممين على تجنب تحديد الأبعاد التي تتجاوز قدرة الشركة المصنعة التي اختاروها - وهو سبب شائع لتأخير النموذج الأولي والزيادات غير المتوقعة في التكلفة.
| معلمة التصميم | ثنائي الفينيل متعدد الكلور من جانب واحد | ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الوجهين | ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد الطبقات (std.) | متعدد الطبقات HDI |
|---|---|---|---|---|
| دقيقة. عرض التتبع | 0.20 ملم | 0.15 ملم | 0.10 ملم | 0.075 ملم |
| دقيقة. تباعد التتبع | 0.20 ملم | 0.15 ملم | 0.10 ملم | 0.075 ملم |
| دقيقة. قطر الحفر | 0.80 ملم (NPTH) | 0.20 ملم | 0.20 ملم | 0.10 ملم (laser) |
| دقيقة. حلقة حلقية | لا يوجد | 0.15 ملم | 0.10 ملم | 0.05 ملم |
| نسبة الارتفاع (الحفر) | لا يوجد | ما يصل إلى 8:1 | ما يصل إلى 10:1 | حتى 1:1 (أعمى) |
تحقق دائمًا من قواعد التصميم المحددة مع المُصنع الذي اخترته قبل الانتهاء من التصميم. تختلف قدرات المُصنع، كما أن التصميم وفقًا للحد الأدنى المطلق للقيم المذكورة أعلاه دون تأكيد يزيد من مخاطر مشكلات الإنتاجية وعقوبات التكلفة المرتبطة بها. يتمثل النهج العملي في استهداف 130-150% من القيم الدنيا المعلنة من قبل الشركة المصنعة بالنسبة للآثار والمساحات غير الحرجة، مع الاحتفاظ بميزات القاعدة الدنيا فقط للمناطق التي تكون ضرورية حقًا.