برد چند لایه چیست و چه کاربردی دارد؟

برد چند لایه چیست؟

برد چند لایه نوعی PCB است که از سه یا بیشتر لایه‌ی رسانا (معمولاً مس) تشکیل شده و این لایه‌ها به صورت متناوب با لایه‌های عایق (Dielectric) در میان آن‌ها قرار گرفته‌اند. تمام لایه‌ها با استفاده از فشار و حرارت، در یک ساختار یکپارچه لمینت می‌شوند.

برخلاف بردهای تک‌لایه یا دولایه که سیم‌کشی‌ها تنها روی یک یا دو سطح انجام می‌شود، برد چند لایه امکان طراحی پیچیده‌تری را فراهم می‌کند. در این بردها می‌توان سیگنال‌های دیجیتال، خطوط تغذیه و زمین، و حتی مسیرهای فرکانس بالا را به‌صورت مجزا مدیریت کرد.

ساختار برد چند لایه

یک برد چند لایه ممکن است شامل بخش‌های زیر باشد:

• لایه‌های سیگنال (Signal Layers): برای عبور سیگنال‌های منطقی یا آنالوگ

• لایه‌های تغذیه (Power Planes): توزیع ولتاژهای مثبت

• لایه‌های زمین (Ground Planes): به‌منظور حذف نویز و مرجع سیگنال

• لایه‌های عایق (Dielectric): بین لایه‌های مسی برای جلوگیری از اتصال کوتاه و حفظ استحکام

لایه‌ها با استفاده از ویای (VIA) به یکدیگر متصل می‌شوند. ویای‌ها سوراخ‌هایی هستند که با مس پوشیده شده و امکان ارتباط عمودی بین لایه‌ها را فراهم می‌کنند. سه نوع VIA متداول وجود دارد:

• Through-hole VIA: از بالاترین تا پایین‌ترین لایه

• Blind VIA: بین لایه سطحی و یکی از لایه‌های داخلی

• Buried VIA: فقط بین لایه‌های داخلی، بدون تماس با سطح

مزایای برد چند لایه

1. صرفه‌جویی در فضا: با استفاده از چندین لایه، می‌توان طراحی‌های پیچیده را در فضای بسیار محدود انجام داد.

2. کاهش نویز الکترومغناطیسی (EMI): قرار دادن لایه زمین بین دو لایه سیگنال باعث محافظت بهتر در برابر نویز می‌شود.

3. بهبود عملکرد فرکانس بالا: تفکیک سیگنال‌ها و استفاده از مسیرهای کوتاه‌تر باعث افزایش سرعت پاسخ‌گویی مدار می‌شود.

4. افزایش پایداری حرارتی: ساختار چند لایه به توزیع بهتر حرارت کمک می‌کند.

5. کاهش طول مسیرهای سیگنال: با امکان سیم‌کشی در چند سطح، نیاز به مسیرهای پیچ‌خورده کاهش می‌یابد.

معایب برد چند لایه

• هزینه بالا: فرایند تولید پیچیده‌تر است و نیاز به تجهیزات خاص دارد.

• تعمیر دشوار: به دلیل لایه‌های داخلی، عیب‌یابی و تعمیر برد بسیار سخت‌تر است.

• زمان طراحی بیشتر: نیاز به دقت بالا در طراحی و تطبیق لایه‌ها وجود دارد.

کاربردهای برد چند لایه

به‌دلیل مزایای فنی زیاد، بردهای چند لایه در تجهیزات پیچیده و پیشرفته استفاده می‌شوند. برخی از کاربردهای اصلی آن عبارت‌اند از:

• لپ‌تاپ‌ها، گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها: برای فشرده‌سازی مدارات پردازنده، حافظه و ماژول‌های ارتباطی

• تجهیزات پزشکی: مانند مانیتورهای ضربان قلب یا سیستم‌های MRI که به دقت و قابلیت اطمینان بالا نیاز دارند

• هوافضا و صنایع نظامی: در پروژه‌هایی که به عملکرد در شرایط سخت و پیچیده نیاز دارند

• سرورها و تجهیزات شبکه: به‌دلیل عبور سیگنال‌های پرسرعت

• سیستم‌های کنترل صنعتی و رباتیک: که نیازمند طراحی فشرده و پایداری بالا هستند

نکات مهم در طراحی برد چند لایه

1. تفکیک دقیق سیگنال و تغذیه: برای کاهش تداخل و بهینه‌سازی نویز

2. استفاده صحیح از ویای: کاهش مقاومت و بهبود اتصال بین لایه‌ها

3. نسبت ضخامت لایه‌ها: تعیین ضخامت متناسب با نوع کاربرد (مثلاً فرکانس بالا یا توان بالا)

4. کنترل امپدانس: در مدارات RF یا پرسرعت برای حفظ کیفیت سیگنال

نتیجه‌گیری

بردهای چند لایه یکی از پیشرفته‌ترین ساختارهای مورد استفاده در طراحی سیستم‌های الکترونیکی مدرن هستند. آن‌ها نه‌تنها امکان پیچیده‌تر کردن مدارها را فراهم می‌کنند، بلکه باعث کاهش نویز، صرفه‌جویی در فضا، و بهبود کارایی الکتریکی مدار می‌شوند. البته این مزایا به بهای هزینه بالاتر و طراحی پیچیده‌تر به‌دست می‌آیند. با این حال، در بسیاری از پروژه‌های صنعتی و تخصصی، استفاده از برد چند لایه اجتناب‌ناپذیر است.