Többrétegű NYÁK-ok tervezése

Írta: Kategória: Tudásbázis Dátum: 2016-06-03 7 hozzászólás

Többrétegű NYÁK tervezéseEgyre sűrűbben merülnek fel kérdések ügyfeleink részéről a többrétegű nyomtatott áramkörök tervezésével kapcsolatban (többrétegű NYÁK-on a 4, 6, 8 réteget értjük). Ez nem csoda, hiszen a StandardNYÁK kategóriában nagyon alacsony áron rendelhetők 4 rétegű protopíusok vagy sorozatok, az 1 és 2 oldalas áramkörökkel megegyező minőségben, így a 4 rétegű NYÁK-ok is egyre népszerűbbek.

Míg 1 és 2 réteg (oldal) esetén általában egyértelmű, hogy mit hogyan érdemes és lehetséges megtervezni, addig sokan idegenkednek a 4 vagy több réteg használatától, és valamilyen fehér foltszerű űrtechnológiaként tekintenek rájuk. Jelen cikkben szeretnénk néhány tippet és segítséget adni a tervezéshez, és eloszlatni azokat a kételyeket, miszerint a többrétegű NYÁK-ok tervezése bonyolult, és csak profik számára elérhető.

Hogyan lesz költséghatékonyabb 4 réteg használata egy “sima kétoldalas” NYÁK-hoz képest?

Idő vs pénz a NYÁK gyártásbanAz elmúlt évek statisztikáiból kiindulva azt látjuk, hogy a sorozatok mellett nagyon nagy hangsúly van a kis darabszámú prototípusokon. Sokszor ezek a néhány darabos gyártások nem prototípusok, hanem maga a végleges “széria”. Az áramkör összköltségét tekintve emiatt az 1-5-10db-os gyártásoknál sokkal inkább a tervezésre fordított idő – azaz a tervezési költség – lesz hangsúlyosabb.

Ügyfeleinkkel beszéltünk az autorouter-ekről, és szinte mindenki egyöntetűen amellett teszi le a voksot, hogy bár jó dolog az automata huzalozó, de inkább kézzel huzaloznak, mert “mégis csak az a biztos”. A kézi huzalozásnak tehát a mai napig komoly létjogosultsága van, így kifejezetten fontos, hogy mennyi idő alatt készül el a tervezés.

Nézzünk egy gyors gyakorlati számítást:

Egy egyedi megrendelésekre dolgozó, elektronikai termékfejlesztéssel foglalkozó mikro- vagy kisvállalkozás új megbízást kap egy adatgyűjtő tervezésére és 5db elkészítésére. Az áramkör lelke egy 64 lábú TQFP tokos mikrokontroller, panel sok szenzort tartalmaz, és GSM modul is szükséges a NYÁK-ra. A kész NYÁK maximum 50x50mm méretű lehet. A huzalozás 2 réteg esetén 2×8 órát vesz igénybe a tervezőnek, akinek a nettó órabére 1 500 Ft, amely átlagosnak (de inkább alacsonynak) mondható 2016-ban hazánkban. A munkáltatónak ez kb. a duplájába, tehát óránként 3 000 Ft-ba kerül.

A tervezés bekerülési költsége tehát 48 000 Ft a cég számára.
NYÁK gyártás költsége 2 rétegen: kb. 10 000 Ft + ÁFA

Összesen: 58 000 Ft + ÁFA

Tételezzük fel, hogy az áramkör mérete változatlan marad, de ugyanezt 4 rétegen tervezi a tervező! A tervezési idő bár általában kevesebb, mint a 2 rétegű tervezés fele, de az egyszerűség kedvéért vegyük 1×8 órának.

A tervezés költsége a cégnek ekkor 24 000 Ft.
NYÁK gyártás költsége 4 rétegen : kb. 19 000 Ft + ÁFA

Összesen: 43 000 Ft + ÁFA

Mit nyert tehát a cég 4 réteg használatával?

  • tervezési és NYÁK gyártási költség megtakarítás együttesen: 26%
  • tervezési idő megtakarítás: 50%
  • sokkal nagyobb rugalmasságot a későbbi módosításoknál a rendelkezésre álló 4 réteg miatt

A megtakarított idő, azaz az előbb elkészülő termék pedig további előny!

 

Gyakorlati tippek a tervezéshez

Szükséges megismerkedni azzal a két fontos dologgal, amelyekben különbözik vagy különbözhet egy többrétegű kivitel a normál 1 és 2 oldalastól.

1. Átmenőfuratok, vakfuratok és temetett furatok

A kép mutatja, hogy míg 2 rézréteg esetén a furatgalvánok (via-k) csak az alkatrész és a forrasztási oldal között vihetik át a jelet, addig 4 vagy több réteg esetén a köztes rétegebe is lehet csatlakozni.

 Többrétegű NYÁK átmenő furat, zsákfurat/vakfurat, temetett furat

  1. Ha a via minden rétegen áthalad, akkor azt átmenőfuratnak hívjuk (angolul: through hole).
  2. Ha a via az alkatrész vagy forrasztás oldal felől egy vagy több másik rétegbe vezet, de végül nem ér végig a NYÁK keresztmetszetén, azt vakfuratnak hívjuk (angolul: blind via).
  3. Ha a via csak a belső rétegeket köti össze, akkor azt temetett furatnak nevezzük (angolul: buried via).

tipp_ikon_4Minden zsákfurattal és vakfurattal hely spórolható, de egyben drágítják is a gyártást. Minél nagyobb a rétegszám, és minél bonyolultabb a konstrukció, annál nagyobb lesz a hibalehetőség (selejtarány), és a fizetendő végösszeg is. Ezeket a variációkat akkor érdemes használni, ha a terméknél a kis méret az elsődleges szempont. 

tipp_ikon_4A fenti ábrán csak a szemléltetés miatt van a temetett via a “mag”-ban, de ez a gyakorlatban nem gyártható le. A temetett via-k csak azonos szigetelővel rendelkező rétegpárok között gyárthatóak (az azonos szigetelőn levő rézrétegpárok egyszerre mennek a furatgalvanizálóba, a rétegpárok és a mag összepréselése után már csak az átmenő furatok és a zsákfuratok galvanizálására van lehetőség). Mindig legyünk körültekintőek: a terv sok mindent elbír, de ettől még lehet, hogy a gyártás lehetetlen!  

Cégünknél ONLINE csak olyan NYÁK-ok rendelhetők, amelyek nem tartalmaznak zsákfuratokat és temetett via-kat. A zsákfuratos és temetett via-s tervekre minden esetben egyedi ajánlatot adunk, mivel ezek nem gyárthatók általában a többi megrendeléssel egy pooling táblán!

A hagyományosnak mondható esetekben csak átmenőfuratokat tartalmaz a többrétegű NYÁK, a furatokat egy darab fúrófájl tartalmazza. Ha zsákfuratot vagy temetett furatot is tervezünk a konstrukcióba, akkor szükséges valamilyen módon megadni, hogy mely rétegek átmenőfuratosak, és mely rétegek között vannak zsákfuratok, temetett furatok.

Az egyik megadási mód, hogy furatjelöléseket használunk, és egy külön fúrótáblázatban jelezzük a furatok átmérőjét és, hogy melyik rétegek között értendők az összeköttetések.

 NYÁK zsákfuratok

A másik lehetőség, hogy több fúrófájlt készítünk, és az elnevezésekben egyértelműen jelezzük, hogy mely rétegek közti fúrásokat jelölik. Például:

Project1_Drill_Through.drd – átmenőfuratok
Project1_Drill_Inner1-Inner2.drd – az 1. és 2. belső rétegek közötti temetett furatok fúrófájlja.

2.  “Stack-up” azaz rétegfelépítés határozza meg az egyes rétegek sorrendjét. Mivel a gyártás forrásai gyakorlatilag minden esetben a Gerber fájlok, ezért szükséges az egyes rétegek között valamilyen sorrendet definiálni. A belső rétegek sorrendje elsősorban impedancia szempontjából lehet lényeges nagysebességű jelek esetén, de a legtöbb esetben szinte lényegtelen.

A stack-up háromféle részt tartalmaz:

 Többrétegű NYÁK rézrétegek, szigetelő, mag

  1. Rézréteg (copper): a már jól ismert rézrajzolat.
  2. Szigetelő (prepreg): a rézrétegek közti FR-4 szigetelők, melyek vastagsága attól függ, hogy hol helyezkednek el a stack-up-ban.
  3. Mag (core): az általában legvastagabb, nevezetes szigetelő a “mag”, aminek két oldalára jön az 1. és 2., illetve a 3. és 4. rézréteg, köztük a vékonyabb szigetelővel.

A többrétegű nyomtatott áramkörök az egyes rétegek melegen történő préselésével készülnek. A lehető legkisebb csavarodás és elhajlás (vetemedés) érdekében a belső és a külső rétegek rajzolatának minél inkább egyenletesnek kell lennie. Ez azt jelenti, hogy érdemes minden rétegen telefóliával kitölteni az üres részeket, hogy préseléskor a NYÁK egyes rétegei minél nagyobb felületen tudjanak egymáshoz tapadni, és egyenletes legyen a teljes NYÁK vastagsága. Panelizált NYÁK-ok esetén a panelkeretre is ajánlott telefóliát tervezni!

tipp_ikon_4A telefóliás (groundplane/polygon) tápfeszültség rétegeken belül lehetőleg ne vezessünk jelvezetéket, a telefólia legyen ténylegesen egybefüggő. Ha megszakítjuk az összefüggőséget egy-egy vezetővel, akkor csökken a telefólia áramterhelhetősége, és kedvezőtlenebb lesz a helyzet EMC (ElectroMagnetic Compatibility)  szempontjából is. Emiatt a NYÁK-on belüli belső marásokkal is megfontoltan kell bánni, amelyek a táprétegeket is átvágnák.

tipp_ikon_4Érdemes a Gerber fájlokban kis számokkal jelezni az egyes rézrétegeken pl. az áramkör egyik sarkában, hogy a stack-up-ban hol helyezkednek el, ha ez egyértelműen nem derülne ki a Gerber fájlok elnevezéséből, vagy egyszerűen csak egyértelműsíteni szeretnénk azt.

Mire használhatók a plusz rétegek?

Tulajdonképpen bármire, de az elterjedt kombinációk az alábbiak (természetesen számos más variáció is lehet):

Példa 4 rétegnél:

  1. réteg: alkatrész oldali jelvezetékek
  2. réteg: belső réteg, + tápfeszültség réteg
  3. réteg: belső réteg, - tápfeszültség réteg (föld)
  4. réteg: forrasztás oldali jelvezetékek

Még egy példa 4 rétegnél:

  1. réteg: alkatrész oldali jelvezetékek
  2. réteg: belső réteg, jelvezetékek
  3. réteg: belső réteg, - tápfeszültség réteg (föld)
  4. réteg: forrasztás oldali jelvezetékek

Példa 6 rétegnél:

  1. réteg: alkatrész oldali jelvezetékek (alacsonyfrekvenciás)
  2. réteg: belső réteg, + tápfeszültség réteg
  3. réteg: belső réteg, jelvezetékek (nagyfrekvenciás vagy nagysebességű digitális)
  4. réteg: belső réteg, jelvezetékek (nagyfrekvenciás vagy nagysebességű digitális)
  5. réteg: belső réteg, - tápfeszültség réteg (föld)
  6. réteg: forrasztás oldali jelvezetékek (alacsonyfrekvenciás)

tipp_ikon_4Ha 6 vagy többrétegű NYÁK-ot tervezünk, akkor a nagyfrekvenciás jelvezetékek rétegét mindig a táprétegek közé tegyük, így kisebb EMC zavarkibocsátás érhető el. Ha nagyfrekvenciás jelvezetékekkel is dolgozunk a NYÁK-on, akkor ezeket mindig vegyük körbe földfóliával, és lehetőleg minél távolabb menjenek a panel szélétől. Ezzel csökkenthető a jelek kisugárzása.

NYÁK differenciális vezetékektipp_ikon_4Differenciális jelátvitel esetén használjunk olyan szoftvert, amely a huzalozás hosszát optimalizálni tudja (a differenciális vezetékpárok hossza megegyezzen, lásd az alábbi képen)! Az optimalizálás lényege, hogy ha a differenciális érpárok közül az egyik ér rövidebb, akkor azt egy meander alakzattal “megtoldjuk”. A meandert mindig ahhoz a végéhez tervezzük az érpárnak, amelyik végén a csatlakozópontok aszimmetrikusabban helyezkednek el.

 

Minél több réteg, annál jobb?

Tervezés szempontjából akár mondhatnánk ezt is. A gyakorlatban azt látjuk, hogy általában maximum 6-8 rétegen is igen komoly áramkörök megvalósíthatóak. Például a mobiltelefon alaplapok tipikusan 6-8 rétegűek. Lehetséges akár 20 vagy 32 réteg gyártása is, azonban ezek ára a hibalehetőségek miatt már annyira magas, hogy hazai viszonylatban szinte senki sem használja. Példaként egy egyedi rétegfelépítésű 6 rétegű 100x50mm-es, 15db-os kis prototípus HDI (High Density Interconnect) széria ára kb. 200-300 ezer Ft + ÁFA közé esik. (Gondoljunk bele: ha egy 160x100mm-es 20 rétegű NYÁK-nál az utolsó munkafázisok egyikében olyan hiba történik, ami miatt selejt az eredmény, akkor hibás darabonként(!) kb. 0,32 négyzetméternyi alapanyag és az ahhoz szükséges vegyszerek, munka és idő megy kárba.)

Egy kis érdekesség, hogy az Apple iPad Air 2 alaplapja 10 rétegű, egy keresztmetszeti csiszolat róla az alábbi képen látható.

10 rétegű NYÁK metszet

(forrás: www.techinsights.com)

 

Miért csak 4, 6, 8 rétegről esik szó? Nekem elég lenne 3 vagy 5 réteg is!

Gyártástechnológiailag kivitelezhető a páratlan rétegszám is, azonban ez aszimmetriát okoz a rétegfelépítésben: pl. 3 réteg esetén a középső réteg egyik fele FR-4-es anyag, a másik fele pedig rézfólia. Az elérhető FR4-es alapanyagokból nem kapható olyan laminátvastagság, hogy a vezető- és szigetelőrétegeket páratlan rétegszám esetén szimmetrikusan lehessen felépíteni. Így páratlan rétegszám esetén az elkészült NYÁK-nál olyan nagy lehet a csavarodás és az elhajlás okozta deformáció, hogy akár használhatatlanságot is okozhat. Bár össze lehetne hozni a páratlan rétegszámot szimmetrikus felépítéssel is, de ennek költsége végül magasabb lenne, mint a páros rétegszámnak.

Továbbá a többrétegű NYÁK-ok esetén az egyes rétegpárok azonos hordozón vannak. Azaz egy 4 rétegű NYÁK tulajdonképpen két darab vékony 2 rétegű NYÁK-ból áll, közöttük egy vastagabb FR-4 maggal. Tehát egy 3 rétegű NYÁK előállítási költsége gyakorlatilag ugyanaz, mint egy 4 rétegűé, azaz értelmetlen páratlan rétegszámok alkalmazása.

 

Összefoglalás

A 4 vagy többrétegű NYÁK-ok tervezése általában nem bonyolultabb az 1 és 2 rétegűekhez viszonyítva, sőt sokkal nagyobb szabadságot ad az áramköri elrendezés rugalmasságát tekintve. Ma már a legtöbb NYÁK tervező programmal könnyen lehetséges a többrétegű áramkörök tervezése. Legfőbb előnyként említhető, hogy a tervezés általában gyorsabb, így jelentős időmegtakarítás érhető el. Ha pl. egy 4 rétegű áramkörnél a két belső réteget kizárólag csak tápfeszültség rétegként használjuk, az máris óriási szabadságfokot ad a tervezésnél. Mindenképpen ajánljuk legalább egy próba erejéig azon ügyfeleinknek, akik az idejüket az 1 vagy 2 rétegen történő, helyhiány miatti rajzolat optimalizálás helyett az érdemi fejlesztéssel szeretnék tölteni.

 

Extra: mi az a HDI NYÁK?

HDI NYÁKAz angol High Density Interconnect magyar nyelven nagysűrűségű összekötést jelent. A HDI NYÁK-okon a legkorszerűbb technológiákkal átlagos értéknek mondható a legkisebb 0,075mm-es (3mil) vezető- és szigetelőtávolság, de a 0,05mm-es érték is kivitelezhető. Az ilyen finom rajzolat lehetővé teszi a nagylábszámú BGA tokok használatát, és a “via in pad” elrendezést, mivel a HDI NYÁK-okon lehetőség van ún. microvia-k használatára. A microvia-k mérete 0,05-0,1mm átmérőjű, és tipikusan lézerrel fúrtak. Az ilyen NYÁK-okra itthon jellemzően nagyon kicsi a kereslet, és már a prototípus gyártás költségei is legalább egy nagyságrenddel magasabbak, mint egy nem HDI NYÁK esetében.