PCB a una sola o a due facce o a più strati: scegliere il design giusto per il tuo progetto

I circuiti stampati (PCB) sono la spina dorsale dell'elettronica moderna, ma non tutti i PCB sono uguali.e PCB multilivello dipende da fattori come la complessitàOgni tipo ha vantaggi e limitazioni unici, che lo rendono adatto a diverse applicazioni, dalle semplici torce a LED ai router 5G avanzati.

Questa guida riassume le differenze principali tra questi tre tipi di PCB, confrontando la loro costruzione, prestazioni, costi e casi d'uso ideali.ingegneri, i progettisti e i produttori possono prendere decisioni informate che bilancino funzionalità e convenienza.

Principali insegnamenti
1I PCB a una sola faccia sono i più semplici ed economici, con componenti su un lato, ideali per dispositivi di bassa complessità (ad esempio, calcolatrici), ma limitati dalla bassa densità e dal routing del segnale.
2I PCB a doppio lato offrono una maggiore flessibilità con componenti su entrambi i lati e via perforata, supportando una complessità moderata (ad esempio, schede Arduino) a un costo medio.
3.I PCB multilivello (4+ strati) forniscono elevata densità, integrità del segnale superiore e gestione dell'energia, rendendoli essenziali per l'elettronica complessa (ad esempio, smartphone,5G) ma ad un costo maggiore.
4La scelta del tipo giusto riduce i costi di produzione del 20­50%: la sovra-ingegneria con un PCB multilivello per un semplice dispositivo è spreco di denaro,mentre la sotto-ingegneria con una scheda unilaterale per un design complesso causa guasti di prestazioni.

Che cosa definisce PCB a un lato, a due lati e a più strati?
La differenza fondamentale tra questi tipi di PCB risiede nel loro numero di strati e nel modo in cui i componenti e le tracce sono disposti.

PCB unilaterali
a.Costruzione: un singolo strato di foglio di rame conduttivo attaccato ad un lato di un substrato isolante (tipicamente FR4).con tutte le tracce in rotta su quel singolo strato.
b. Caratteristica chiave: non sono necessari vias (fori che collegano gli strati), poiché esiste un solo strato conduttore.
c. Spessore: in genere 0,8 ‰ 1,6 mm, con 1 oz di rame (35 μm di spessore) per le tracce.

PCB a doppio lato
a.Costruzione: strati di rame su entrambi i lati del substrato, con vias a fori (fori rivestiti) che collegano le tracce superiore e inferiore.
b. Caratteristica chiave: i vios consentono ai segnali di "saltare" tra gli strati, consentendo un routing più complesso rispetto ai PCB unilaterali.
c. Spessore: 0,8 ‰ 2,4 mm, con 1 ‰ 2 oz di rame per tracce (35 ‰ 70 μm).

PCB a più strati
a.Costruzione: 4 o più strati di rame (numeri pari sono standard) separati da strati di substrato isolante (prepreg e nucleo).,mentre gli strati esterni tengono i componenti.
b. Caratteristiche chiave: le vie cieche (collegano gli strati esterni agli strati interni) e le vie sotterranee (collegano solo gli strati interni) consentono un percorso denso senza sacrificare spazio.Tracce di impedenza controllate supportano segnali ad alta velocità.
c. Spessore: 1,2 ∼3,2 mm per 4 ∼16 strati, con 1 ∼3 oz di rame (35 ∼105 μm) a seconda dei requisiti di potenza.

Confronto parallelo: caratteristiche chiave

Vantaggi e limitazioni per tipo
PCB unilaterali
Vantaggi:
a. Basso costo: il processo di fabbricazione più semplice (senza perforazione o rivestimento) riduce i costi di materiale e manodopera del 30-50% rispetto ai PCB a doppio lato.
b.Produczione rapida: non è necessario allineare i livelli o procedere alla lavorazione, consentendo tempi di produzione di 2-5 giorni per i prototipi.
c.Semplice ispezione: tutte le tracce e i componenti sono visibili da un lato, semplificando le prove manuali e la risoluzione dei problemi.

Limitazioni:
a.Bassa densità: le tracce non possono incrociarsi senza cortocircuito, limitando il numero di componenti e la complessità della progettazione.
b.Povera integrità del segnale: tracce lunghe e sinuose (necessarie per evitare incroci) causano ritardo del segnale e rumore nei progetti ad alta velocità.
c.Limita potenza: un singolo strato di rame limita il flusso di corrente, rendendoli inadatti a dispositivi ad alta potenza.

PCB a doppio lato
Vantaggi:
a.Densità aumentata: le vie permettono alle tracce di attraversare il livello opposto, supportando 2×3 volte più componenti rispetto ai PCB monoli.
b. Migliore routing del segnale: le tracce più brevi (grazie alle vie) riducono la perdita del segnale, rendendoli adatti per progetti digitali a bassa velocità (≤100MHz).
c. Equilibrio economico-efficiente: più conveniente rispetto ai PCB a più strati, offrendo al contempo una maggiore flessibilità rispetto ai PCB a una sola faccia.

Limitazioni:
a. Ancora limitato dal numero di strati: i progetti complessi (ad esempio, con più di 100 componenti o segnali ad alta velocità) possono richiedere più strati per evitare il crosstalk.
b. Affidabilità dei filtri: i filtri perforati sono soggetti a crepe del barile sotto stress termico, un rischio in ambienti ad alta temperatura (ad esempio, motori automobilistici).

PCB a più strati
Vantaggi:
a.Alta densità: gli strati interni e le vie avanzate (blind/buried) consentono 5×10 volte più componenti rispetto ai PCB a doppio lato, fondamentali per dispositivi compatti come gli smartphone.
b.Integrità del segnale superiore: tracce di impedenza controllate (50Ω/100Ω) e piani di terra dedicati riducono al minimo il crosstalk e l'EMI, supportando segnali ad alta velocità (1Gbps+).
c. Distribuzione efficiente dell'energia: strati di alimentazione separati riducono il calo di tensione, gestendo correnti elevate (10A+) per dispositivi che richiedono energia come i ricevitori 5G.
d. Resistenza meccanica: gli strati multipli di substrato li rendono più rigidi e resistenti alla deformazione rispetto ai PCB mono/doppialaterali.

Limitazioni:
a.Costi più elevati: la fabbricazione complessa (allineamento di strati, tramite perforazione, laminazione) aumenta i costi di 2×5 volte rispetto ai PCB a doppio lato.
b.Tempi di produzione più lunghi: l'ingegneria e i test di precisione estendono i tempi di produzione a 7-14 giorni per i prototipi e più a lungo per le schede ad alto numero di strati.
c.Sfide per il rifacimento: i difetti dello strato interno sono difficili da riparare, aumentando i tassi di rottami e i costi di rifacimento.

Applicazioni ideali per ogni tipo di PCB
L'adeguamento del tipo di PCB all'applicazione garantisce prestazioni e costi ottimali.

PCB unilaterali
Migliore per dispositivi a basso costo e di bassa complessità in cui lo spazio e le prestazioni non sono fondamentali:
a.Elettronica di consumo: telecomandi, calcolatori, torce a LED e giocattoli.
b.Sensori industriali: semplici sensori di temperatura o umidità con componenti minimi.
c. alimentatori: alimentatori lineari di base con pochi componenti attivi.
Esempio: un PCB per giocattoli per bambini utilizza un disegno unilaterale per mantenere i costi al di sotto di 1$ l'unità, con 1015 componenti (LED, resistori, un semplice circuito integrato).

PCB a doppio lato
Adatti a dispositivi di complessità moderata che richiedono più componenti e un percorso migliore rispetto ai PCB unilaterali:
a.Sistemi incorporati: schede Arduino, Raspberry Pi Pico e dispositivi di base basati su microcontrollori.
b.Accessori automobilistici: caricabatterie per auto, telecamere sul cruscotto e ricevitori Bluetooth.
c. attrezzature audio: amplificatori per cuffie, altoparlanti di base e radio FM.
Esempio: un Arduino Uno utilizza un PCB a doppio lato per montare più di 50 componenti (porta USB, regolatore di tensione, pin GPIO) con tracce dirette su entrambi i lati tramite vias a foro.

PCB a più strati
Indispensabile per elettronica complessa ad alte prestazioni, dove densità, velocità e affidabilità sono fondamentali:
a.Smartphone e dispositivi indossabili: i PCB a 6-12 strati confezionano processori, modem 5G e batterie in disegni sottili.
b.Infrastrutture per le telecomunicazioni: le stazioni base 5G e gli switch per i data center utilizzano PCB a 12-16 strati per trasmettitori mmWave a 28 GHz e segnali di 100 Gbps+.
c. Dispositivi medici: le macchine di risonanza magnetica e i pacemaker si basano su PCB a 4 ̊8 strati per un percorso preciso del segnale e una resistenza all'EMI.
d.Aerospaziale: i carichi utilizzati per i satelliti utilizzano PCB a strato di 812 con substrati ad alta Tg per resistere a temperature estreme e radiazioni.
Esempio: il PCB principale di uno smartphone 5G è un design a 8 strati: 2 strati esterni per i componenti, 2 strati interni per la distribuzione di energia e 4 strati per il routing del segnale ad alta velocità (5G, Wi-Fi 6E).

Disaggregazione dei costi: perché i PCB a più strati costano di più
La differenza di costo tra i tipi di PCB deriva dalla complessità della produzione:

Come scegliere il giusto tipo di PCB
Seguire il seguente quadro decisionale per selezionare il tipo di PCB ottimale:
1.Valuta il numero di componenti:
< 50 componenti: unilaterali.
50×200 componenti: a doppio lato.
200 componenti: multilivello.

2- Valuta la velocità del segnale:
≤ 100 MHz: a singolo o a doppio lato.
100MHz1Gbps: a doppio lato o a 4 strati.
1Gbps: livello 4+ con impedenza controllata.

3.Considerare i requisiti di potenza:
< 1A: unilaterale.
1·10A: a doppio lato con spessa rame.
10A: Multilivello con strati di potenza dedicati.

4- Controlla i limiti di spazio:
Grandi contenitori (ad esempio scatole industriali): mono/doppia facciata.
Dispositivi compatti (ad esempio, indossabili): multilivello.

5.Costo di bilancio e prestazioni:
Priorizzare i costi: utilizzare il tipo più semplice che soddisfi i requisiti.
Priorizzare le prestazioni: aggiornare a un numero di livelli più elevato per l'affidabilità.

Domande frequenti
D: Un progetto può iniziare con un PCB unilaterale e scalare a più strati?
R: Sì, molti prodotti si evolvono da singolo a doppio a multilivello con l'aggiunta di funzionalità.

D: I PCB a più strati sono sempre migliori per i segnali ad alta velocità?
R: In generale, sì. I loro piani di terra dedicati e le tracce di impedenza controllate riducono al minimo la perdita di segnale. Tuttavia, i PCB a doppio lato ben progettati possono gestire fino a 1Gbps in tracce corte (≤ 5 cm).

D: Come posso ridurre i costi quando utilizzo un PCB multistrato?
A: ottimizzare il numero di strati (ad esempio, utilizzare 4 strati invece di 6 se possibile), limitare le vie cieche / sepolte alle aree critiche,e utilizzare FR4 standard al posto di materiali costosi (a meno che non sia richiesto per l'alta frequenza).

D: I PCB unilaterali possono essere conformi alla RoHS?
R: Sì  La conformità RoHS dipende dai materiali (soldatura senza piombo, substrati senza alogeni), non dal numero di strati.

D: Qual è il numero massimo di strati per un PCB?
R: I PCB commerciali hanno in genere un massimo di 40 strati (ad esempio, per i supercomputer), ma la maggior parte delle applicazioni utilizza 4 ′′ 16 strati.

Conclusioni
La scelta tra PCB unilaterali, a doppio lato e multilivello dipende dall'equilibrio tra complessità, prestazioni e costi.mentre i pannelli a doppio lato offrono un terreno di mezzo per i disegni moderatiI PCB a più strati sono l'ideale per l'elettronica ad alte prestazioni e densa, nonostante il loro costo più elevato.

Allineando il tipo di PCB con il numero di componenti del progetto, la velocità del segnale, i bisogni di energia e i limiti di spazio,si può evitare un'ingegneria eccessiva (e una spesa eccessiva) o un'ingegneria insufficiente (e il rischio di fallimento)Mentre l'elettronica continua a ridursi e ad accelerarsi, i PCB multicapa cresceranno in importanza, ma le schede mono- e a doppio lato rimarranno vitali per le applicazioni a basso costo e di bassa complessità.

In ultima analisi, il tipo di PCB "giusto" è quello che soddisfa i requisiti di progettazione senza spese inutili, garantendo che il prodotto sia sia funzionale che competitivo sul mercato.