מבנה ערימת המעגלים המודפסים הוא גורם מפתח הקובע את הביצועים שלו. מלוחות דו-צדדיים-פשוטים ועד ללוחות-רב-שכבתיים מורכבים, ערימת מעגלים מודפסים היא כמו בניית מסגרת של בניין מעגלים, הנושאת פונקציות חשובות כמו העברת אותות, חלוקת כוח, מיגון אלקטרומגנטי וכו', המשפיעה באופן עמוק על היציבות והאמינות של מכשירים אלקטרוניים.
1, הרעיון הבסיסי וההרכב של ערימת מעגלים מודפסים
ערימת מעגלים מודפסים היא בעצם הערמה ושילוב של שכבות על לוח מעגלים מודפסים. מעגלים מודפסים שלמים מורכבים בדרך כלל משכבת אות, שכבת כוח, שכבת קרקע ושכבה דיאלקטרית מבודדת. שכבת האותות היא כמו "כביש מהיר" להעברת מידע, האחראית על נשיאת שידור האותות האלקטרוניים; שכבת הכוח מספקת תמיכת חשמל יציבה לרכיבים אלקטרוניים בלוח המעגלים; כפוטנציאל ייחוס לאותות, שכבת ההארקה לא רק בונה מעגל יציב להעברת אותות, אלא גם מגן ביעילות על הפרעות אלקטרומגנטיות; השכבה הדיאלקטרית המבודדת פועלת כ"קיר בידוד" יציב, המפריד בין השכבות המוליכות כדי למנוע קצרים ולהבטיח שהן אינן מפריעות זו לזו.
אם לוקחים את הלוח הנפוץ בן 4 שכבות כדוגמה, מבנה מוערם טיפוסי מורכב משכבה עליונה (שכבת אות), שכבה שנייה (שכבת קרקע), שכבה שלישית (שכבת כוח) ושכבה תחתונה (שכבת אות). מבנה זה יכול לעמוד בדרישות בסיסיות בחלק מהמעגלים שאינם דורשים ביצועים גבוהים. אבל עם התפתחותם של מכשירים אלקטרוניים לעבר מהירות ומורכבות גבוהה, לוחות מעגלים מודפסים עם 6, 8 או אפילו יותר שכבות הפכו בהדרגה למיינסטרים. יותר שכבות אומרות שטח חיווט נרחב יותר, חלוקת כוח יציבה יותר והגנה טובה יותר על שלמות האות.
2, תפקידה של כל שכבה בערימת מעגלים מודפסים
1. שכבת אות
שכבת האותות היא נושאת הליבה של מעגלים מודפסים ליישום פונקציות מעגלים, האחראית על העברת אותות חשמליים שונים. במעגלים מהירים-, הביצועים של שכבת האות משפיעים ישירות על שלמות האות. כדי להפחית הפרעות חיצוניות, אותות- במהירות גבוהה ממוקמים בדרך כלל בשכבת האות ליד שכבת הקרקע, תוך שימוש בתכונות המיגון של שכבת הקרקע כדי להפחית את ההשפעה של הפרעות אלקטרומגנטיות על האות. יחד עם זאת, כיוון החיווט של שכבת האות הוא גם מכריע, ויש צורך להימנע מחיווט מקביל למרחקים ארוכים וחיווט בזווית ישרה כדי למנוע השתקפות אות ודיבור. לדוגמה, בממשקי העברת נתונים- במהירות גבוהה כגון USB 3.0, פריסה מדויקת של שכבת האות היא חיונית כדי להבטיח שידור נתונים נכון.
2. שכבת כוח
משימת הליבה של שכבת הכוח היא לספק כוח יציב לרכיבים האלקטרוניים בלוח המעגלים. במעגלים מודפסים רב-שכבתיים, שכבת חשמל שתוכננה במיוחד יכולה להפריד בין מקורות מתח ברמות מתח שונות כדי למנוע הפרעות הדדיות. שכבת הכוח צמודה לשכבת הקרקע, ועל ידי הקטנת המרחק בין השניים, ניתן להפחית את העכבה של מישור הכוח, לשפר את יעילות חלוקת הכוח ולהפחית רעשי הספק. בנוסף, שכבת החשמל צריכה להיות מחולקת ומבודדת כראוי כדי להבטיח שמודולים פונקציונליים שונים יכולים לקבל אספקת חשמל יציבה ולא מפריעה. כמו לוח אם של מחשב, הוא מסתמך על שכבת הכוח כדי לספק כוח יציב לרכיבים שונים כגון מעבד, כרטיס גרפי וזיכרון, מה שמבטיח את הפעולה הרגילה של כל רכיב.
3. שכבת הארקה
שכבת ההארקה ממלאת תפקידים קריטיים מרובים בערימת מעגלים מודפסים. הוא מספק פוטנציאל ייחוס יציב להעברת אותות, מבטיח שידור וקליטה מדויקים של אותות; ביצועי המיגון המצוינים שלו יכולים למעשה לחסום הפרעות אלקטרומגנטיות חיצוניות מלפלוש אל פנים המעגל, תוך הפחתת הקרינה האלקטרומגנטית של המעגל עצמו ושיפור התאימות האלקטרומגנטית; בנוסף, שכבת ההארקה מספקת גם נתיב החזרה עם עכבה נמוכה לשכבת הכוח, ומפחיתה עוד יותר את רעשי ההספק. בתכנון, שכבת ההארקה מונחת לרוב עם נחושת על פני שטח גדול כדי להפחית את התנגדות ההארקה ולשפר את יעילות ההארקה. בתחומים כגון ציוד אלקטרוני רפואי וציוד תעופה וחלל הדורשים תאימות אלקטרומגנטית גבוהה במיוחד, תפקידה של שכבת ההארקה חשוב במיוחד.
4. שכבת בידוד דיאלקטרית
השכבה הדיאלקטרית המבודדת ממוקמת בין כל שכבה מוליכה, ותפקידה העיקרי הוא להשיג בידוד חשמלי ולמנוע קצרים בין שכבות מוליכות שונות. לתכונות החומר יש השפעה משמעותית על הביצועים החשמליים של מעגלים מודפסים. חומרי בידוד נפוצים כוללים שרף אפוקסי, פולי-טטראפלואורואתילן וכו'. הקבוע הדיאלקטרי וזווית האובדן הדיאלקטרי של חומרים שונים משתנים, ופרמטרים אלו יכולים להשפיע על מהירות השידור ואובדן האותות. במעגלים מהירים-, חומרים דיאלקטריים מבודדים בעלי קבוע דיאלקטרי נמוך וזווית איבוד דיאלקטרי קטנה נבחרים בדרך כלל כדי להפחית את העיכוב ואובדן שידור האות, ולהבטיח שלמות האות.
3, תוכניות הערמה אופייניות למעגלים מודפסים עם שכבות שונות
לוח 4 שכבות
לוח 4-שכבות הוא מבנה לוח בסיסי רב-שכבתי, עם ערימות נפוצות הכוללות שכבה עליונה (שכבת אות), שכבה שנייה (שכבת קרקע), שכבה שלישית (שכבת כוח) ושכבה תחתונה (שכבת אות). מבנה זה מתאים למעגלים שאינם דורשים ביצועים גבוהים כמו מוצרי צריכה פשוטים, לוחות מעגלים חלקיים לציוד בקרה תעשייתי וכו'. עם זאת, בלוח 4 שכבות, מרחב החיווט של שכבת האות מוגבל, ונדרש תכנון קפדני של כיוון החיווט כדי למנוע הפרעות אות.
לוח 6 שכבות
בהשוואה ללוח ה-4-שכבתי, הלוח בן 6 השכבות מגדיל את שטח החיווט ואת שכבות החשמל והארקה. סכימת הערימה הנפוצה כוללת את השכבה העליונה (שכבת האות), השכבה השנייה (שכבת הקרקע), השכבה השלישית (שכבת האות), השכבה הרביעית (שכבת הכוח), השכבה החמישית (שכבת הקרקע) והשכבה התחתונה (שכבת האות). מבנה זה יכול לענות טוב יותר על הצרכים של מעגלים מורכבים במידה בינונית, כגון לוחות אם לסמארטפונים, חלק ממעגלי מכשירי הרשת וכו'. בלוח 6 השכבות, ניתן לסדר אותות במהירות גבוהה בשכבת האות ליד שכבת הקרקע באמצע כדי לשפר את שלמות האות.
לוח 8 שכבות
ללוח 8-שכבות יש שילובי ערימה עשירים יותר, שיכולים לספק תמיכה בביצועים טובים למעגלים מורכבים. ערימות נפוצות כוללות שכבה עליונה (שכבת אות), שכבה שנייה (שכבת קרקע), שכבה שלישית (שכבת אות), שכבה רביעית (שכבת חשמל), שכבה חמישית (שכבת חשמל), שכבה שישית (שכבת אות), שכבה שביעית (שכבת אות), ושכבה תחתונה (שכבת אות). 8-לוח שכבה מתאים לכרטיסי מעגלים עם ביצועים גבוהים של- וצפיפות- גבוהה, כגון מעגלים גרפיים של מחשבים וכו'. מסדר את שכבות החשמל והאדמה בצורה סבירה, לוח 8 השכבות יכול להפחית עוד יותר את רעשי החשמל ולשפר את שלמות האות.
4, מגמת הפיתוח העתידי של הערימת מעגלים מודפסים
עם התקדמות מתמשכת של הטכנולוגיה האלקטרונית והביקוש הגובר לביצועי מעגלים מודפסים, ערימת מעגלים מודפסים תוביל גם לכיווני פיתוח חדשים. בעתיד, היישום הנרחב של טכנולוגיות כגון 5G, בינה מלאכותית ואינטרנט של הדברים יגרום לדרישות נוספות למעגלים- במהירות גבוהה,-תדרים וצפיפות- גבוהה. זה יעודד את ערימת המעגלים המודפסים לאמץ יותר שכבות, חומרי בידוד מתקדמים יותר ומבני ערימה אופטימליים יותר כדי לעמוד בדרישות גבוהות יותר לשלמות האות, שלמות הספק ותאימות אלקטרומגנטית.
כדי להסתגל למגמה של מזעור והקלת משקל של מכשירים אלקטרוניים, ערימת מעגלים מודפסים תשים לב יותר לאינטגרציה ודילול. על ידי שימוש בטכנולוגיית חיבורים בצפיפות גבוהה (HDI), טכנולוגיית חורים עיוורים קבורים וכו', ניתן להשיג צפיפות חיווט גבוהה יותר בתוך מספר מוגבל של שכבות; שימוש בחומרי בידוד דקים יותר ורדיד נחושת כדי להפחית את העובי והמשקל של המעגלים המודפסים.