בעיצוב מעגלים דיגיטליים ורדיו מהירים מודרני, שלמות אות כבר אינה מותרות - זה דרישה.כפי שדרות השעון לדחוף לתוך טווח ג'יגה'רץ, הבנייה הפיזית של לוח המעגל המודפס (PCB) הופך קריטי בדיוק כמו הרכיבים עצמם. כאחד הכלים החזקים ביותר לשמירה על פיראטיות אותות הוא תוספת נשלטת היטב.

מה זה Controlled Stack-up?

תוכנית מבוססת ערימה הוא תוכנית שכבתית מוגדרת מראש עבור PCB שבו עובי, תכונות חומריות, וסדר של כל שכבה מפורט בקפידה כדי להשיג התנהגות חשמלית צפויה.בניגוד ערימה גנרית שבו שכבות מסודרים arbitrbitrly, ערימה מבוקרת מטרות ערכים מסוימים ערימה מסוימת, קבועים דיאלקטריים, והפסדים שיזוף.המטרה היא ליצור קו עקבי עבור כל סביבות במהירות גבוהה.

המשתנים המרכזיים בערימה מבוקרת כוללים את מספר השכבות, משקל הנחושה לשכבה, החומר הדיאלקטרי (בעיקר FR-4, מגרון 6, או רוג'רס laminates), את עובי טרום-הלב, ואת הסדר של אות, קרקע ומטוסי כוח. בעיצובים מהירים, כל שכבה מציגה קצבה קצבה טפילית בהשכלה ובקפיות, כך את הערימה-up- חייב למזער הפסקות.

(ב) מדוע הדבר הזה לבידוד אות?(FirLT:1) כאשר שני אותות נוסעים על שכבות סמוכים ללא מטוס התייחסות מוצק ביניהם, הם יכולים להיות בעלי כורח ובאופן בלתי נמנע, המוביל לקרוס.A ערימה מבוקרת מבטיחה שלכל שכבת אות יש משטח או כוח סמוך, יצירת נתיב החזרה נמוך וניווט אלקטרומגנטי לאזור הנשלט על ידי מערכת אקולוגית זו היא טכניקה מבוססת על בסיס מודרני.

היתרונות הקריטיים של דגם טוב-עיצוב

המונחים: rising insolation andצמצם את Crosstalk

אולי היתרון הישיר ביותר של ערימה מבוקרת הוא ההפחתה הדרמטית בצחצוק בין עקבות סמוכים.על ידי הצבת מטוס קרקע מוצק בין שתי שכבות אות (תצורה סטריפליין), קווי שדה החשמליים מופסקים על מטוס ההתייחסות, מונעים הפיכה לשכבות אחרות. בדומה לכך, מיקרוסטריפטים על השכבות החיצוניות במרחק של מטוס סמוך לקרקע, שפועל כמגן.

אלקטרומגנטי נמוך (EMI)

קרינה אלקטרומגנטית מבוקרת היא מקור משותף של כשל רגולטורי. a היטב מעוצבת ערימה מכיל זרמים גבוה ספארי בתוך צמד מטוס הסימון-הההה, מה שהופך את ה- PCB למבנה מוגן.השימוש במטוסים קרקעיים רצופים על שכבות חיצוניות (לפעמים עם שיטפון באדמה על השכבה העליונה) עוד יותר מקטין פליטות קורנות. גישה זו חשובה במיוחד עבור מוצרים שצריכים לעבור FCC או בדיקות תאימות.

חוסר ציות עקבי מעבר למועצת

עובי דיאלקטרי ומשקל נחושת מאפשרים למתכננים לכוון אימפולסים אופייניים - באופן אטי 50 ⁇ עבור עקבות חד-קצה אחד ו -90 ⁇ או 100 ⁇ עבור זוגות שונים. כאשר הערימה נשלטת, ואת הווריאציות האי-ציות על פני הלוח נשאר בתוך ±5% או יותר. זה עקביות מצמצם השתקפות ועיוות, במיוחד עבור קישורים מהירים.

שיפור הטוהר

יתרון צד של ערימה מבוקרת משופר משלוח כוח.על ידי הצבת כוח ומטוסי קרקע הקרבה קרובה (ב dielectric ביניהם), עלייה של קיבול המטוס, צמצום רעש גבוה על רכבת הכוח.זה היתרונות הן אנלוגיות ודיגיטליות על ידי הורדת רצפת רעש.

עקרונות עיצוב חיוניים ואסטרטגיות

ניהול דיאלקטרי

הדחף האופייני של עקבות מיקרו סטריפ תלוי רוחב עקבות, עובי נחושת, גובה דיאלקטרי (מעקב אל מטוס ההתייחסות), ואת הקבוע הדיאלקטרי (r) עבור ערימה מבוקרת, המעצב מפרט את הגובה הדיאלקטרי כדי להתאים את האימפולס הרצוי.מטווח טרום-פרוג טיפוסי מ 0.1 מ"מ ל 0.3 מ"מ עבור שכבות מהירות גבוהה.

שכבת רכבות ומטוס הקצאה

ב- PCBlayer רב, כל שכבת אות חייבת להיות צמודה לקרקע מוצקה או למטוס כוח.כלל משותף של אצבע הוא לעולם לא לנתב אותות מהירים על שכבות אות אחוריות ללא מטוס ביניהם.לדוגמה, ערימה של 6 שכבות לעתים קרובות משתמש הסדר הבא: FLT:0Layer 1: (למעלה), שכבה 2: קרקע 2:, שכבה 3:, שכבה 4: כוח, 5:5, 5, רוחב, 1 (F) יש לוודא התייחסות קרובה (F) לכל אות 1:0.

כאשר משתמשים במטוסי חשמל כשכבות התייחסות, ודא כי הם אינם מפוצלים או משבטים להפצת חשמל. מטוס כוח מפוצל על עקבות אות יוצר הפסקת אש וקרינה.אם יש צורך במתחים מרובים, מציב את הפיצולים על שכבה פנימית שאינה משמשת כפניה לסימנים קריטיים, או להשתמש במטוס קרקע ייעודי לכל התייחסות.

סטריפ - בחירת הקונפדרציה הנכונה

(FLT:0) סטריפינפירה (FLT:1) מתייחס לציור מוטבע בין שני מטוסי התייחסות (קרקע אטיבית) תצורה זו מציעה בידוד עליון מכיוון שהשדות מוגבלים בין שני המטוסים, וכתוצאה מכך צלב נמוך ושפל של EMI. Stripline הוא אידיאלי עבור אוטובוסים מהירים קווי שעון אבל מוסיף מורכבות ייצור ועלויות עקב שכבות נוספות.

(FLT:0Microstripipipipipipipipve:1) עקבות הם על השכבות החיצוניות עם מטוס התייחסות יחיד מתחת.הם קלים יותר לתוואי ויש להם הפחתה נמוכה יותר, אבל הם רגישים יותר להפרעות חיצוניות ומקרינים יותר EMI. עבור עיצובים מעורבים, לשמור את האותות הרגישים ביותר (למשל, RF או במהירות דיגיטלית) על שכבות פנימיות ושימוש במיקרוסקופים או רכיבים.

ניהול וחזרה

בכל פעם שסימן משנה שכבות, זרם החזרה חייב גם להחליף מטוסים ההתייחסות.אם דרך חוסר קרקע קרובה דרך, זרם ההחזר חייב למצוא דרך חלופית, יצירת לולאה גדולה המפחיתה את איכות האות ומגדילה את הקרוסאונדפט.

בעיצובים גבוהים של שקיפות, שימוש באמצעות תפרים לאורך הקצוות של מטוסים קרקעיים כדי להפחית את השיקום של המטוס ולשפר את ההגנה על יעילות. סטיץ באמצעות כל 1-2 מ"מ יוצר למעשה כלוב פאראדיי עבור שכבות האות.

דוגמאות לרישום ו- Stack-up

4Layer Stack-up עבור Cost-Sensitive High-Speed Designs

(ב) ליישומים רבים (למשל, USB 2.0, 10/100 Ethernet, FPGAs נמוך), לוח 4layer יכול לספק בידוד אות הולם אם תוכנן כראוי.A.A.A.A.A.A.A.A.FLT:0 (FLT:0) 1FLT 1: Layer 1:2 (FLT) שימוש קבוע:2 - LT5)

אפילו בעיצוב של 4layer, את הערימה צריך להיות נשלט על ידי כוח.עבור 50 ⁇ microstrip עם סטנדרטי FR-4 (εr - 4.2), המרחק משכבה 1 לשכבה 2 חייב להיות בדיוק מוגדר (למשל, 0.2 מ"מ טרום פרמ" עובי הפיכה הוא כי שתי שכבות אותות לחלוק רק אחד מטוס אחד, כך אסטרטגיה קפדנית (למשל, אוטורד) נדרש כדי להפחית שכבות רחבות).

6-Layer Stack-up for Mainstream High-Speed Digital

עבור עיצובים עם ממשקים מהירים רבים (למשל, זיכרון DDR4, PCIe Gen 3/4, Gigabit Ethernet), ערימה של 6 שכבות מספק גמישות ובודדה יותר. A מומלץ ערימה מבוקרת הוא:

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ (ב"ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) כרך ראשון (ב"ג) ,"הבא" (ב"ד)" (ב"ד)
  • (ב) ויקרא י"ד: ויקרא י"ד): "התחילה" (במדבר כ"ד)
  • (ב) כרך 4 (FLT:0) פאווראר 4: מטוס כוח עליון 1 - עם פיצול לתחומים שונים של מתח, אך שמר על עצמו אותות קריטיים
  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד:
  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

במסגרת הסדר זה, זוג האות הפנימי (Layer 3) מבודד לחלוטין על ידי מטוסים קרקעיים משני הצדדים, המספק בידוד מצוין עבור שעונים וקווי נתונים.המטוס הכוח (Layer 4) הוא כריך בין שני מטוסים קרקעיים (Layer 2 ושכבה 5), אשר מצמצם את רעש הכוח להפיכה אותות.

8-Layer Stack-up for Advanced Friendly-Signal and RF Designs

כאשר העיצוב כולל מעגלים אנלוגיים רגישים, במהירות דיגיטלית ו- RF (למשל, רדיו מוגדר תוכנה, ציוד תחנת בסיס 5G), ערימה מבוקרת 8 שכבות הוא לעתים קרובות הכרחי.

  • (ב) כרך ראשון (ב"ג): "הקרקע" (במדבר כ"ד) - ⁇ " (במדבר כ"ד)
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) כרך ראשון (ב"ג) ,0) ,5 ,9) ,
  • (ב) ⁇ (ב"א): ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) כרך 5: מטוס פאוורפל (Powercio) 1 - עם דיאלקטרי דק מאוד לשכב 4 עבור רעש נמוך
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד:
  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד:

היופי של ערימה של 8 שכבות הוא כי כל שכבת אות יכול להיות מטוס קרקע ייעודי בצד אחד לפחות, ואותוות קריטיים ניתן להציב בתצורה פסליין.גישה עיצוב זו יכולה להשיג רמות בידוד יותר מ 60 dB בין שכבות, אשר חיוני עבור מערכות חתומות מעורבות שבו רעש דיגיטלי יכול לסווג ממירים אנלוגיים.

מלכודות נפוצות להימנע

שימוש במטוסי פיצול כשמדובר בתאונות מהירות

כאשר עקבות במהירות גבוהה חוצה חריץ או פיצול במטוס הקרקע, זרם החזרה חייב לנסוע סביב הפיצול, יצירת אזור לולאה גדול.זה לא רק מגביר את החדירה, אלא גם קורנת EMI. אם אתה צריך לעבור על פיצול, לספק קפיטור תפרים או, טוב יותר, להימנע מפיצות על פני פיצולים לחלוטין על ידי שימוש בשכבה ייעודית כמו הפניה.

Insufficient Via Stitching for Shield Layers

גם עם מטוסים מרובים קרקעיים, אם דרך החיבור ביניהם הם מדיי, יעילות מגן מתפוגג בתדרים גבוהים.עבור מיקרו-סטריפ למעברים פסים, להבטיח לפחות שתי קרקעיות באמצעות אות באמצעות.עבור מגן קצה, מקום באמצעות מרווחים פחות מ-λ/20 של תדירות הריבית הגבוהה ביותר (למשל, עבור 10 GHz, ספיגה פחות מ-1.5 מ"מ נדרש).

אובדן דיאלקטרי בתדירות גבוהה

סטנדרטי FR-4 יש אובדן של 0.02 או גבוה יותר ב 1 GHz, אשר יכול באופן משמעותי לזרז אותות מעל כמה ג'יגההרץ על עקבות ארוכים.עבור עיצובים הפועלים מעל 5 GHz, לבחור חומרים נמוכים כגון רוג'רס 4350B, Isola Astra MT77, או מגטרון 6.הערימה-up הרץ חייב לקחת בחשבון עבור קבוע דיאלקטרי בפועל והפסד בתדירות התפעולית, לא רק ערך 1 M.

צפו באפקט של קשיחות Copper

בתדרים גבוהים, הנוכחי מרוכז על פני השטח של נחושת (אפקט קיחושי) משטחים קשיחים להגדיל את ההתנגדות והפסד. ערימה מבוקרת צריך לציין נחושת חלקה (למשל, RTF או VLP נחושת) עבור שכבות מהירות קריטית, במיוחד בתצורה פסליין שבו השדות נמצאים במגע ישיר עם פני השטח נחושת.

כישלון לחיקוי לפני הפיצוץ

גם עם כללי העיצוב הטובים ביותר, אינטראקציות בלתי צפויות יכולות להתרחש עקב סובלנות חומרית, באמצעות גמגמים, וחזרות מטוס.תמיד לרוץ 2.5D או 3D סימולציות אלקטרומגנטיות (באמצעות כלים כמו Ansys HFSS, Keysight ADS, או Altium SIwave) כדי לאמת את ביצועי הערימה לפני שחרור הייצור.

מסקנה

בקרת ערימה PCB-up היא תרגול הנדסי בסיסי להשגת בידוד אות מהיר אמין ב PCB מודרני. על ידי ציון סדר השכבה, חומרים דיאלקטריים ועובי עם דיוק, מעצבים יכולים ליצור סביבה דטרמיניסטית הממזערת את crosstalk, מקטין את EMI, ושומר על תנופה עקבית על פני כל לוח העבודה.

לקריאה נוספת, מתייחס למשאבים בתעשייה כגון FLT:0 אלטיום מדריך לשלוט באימפולסיביותFLT:1, IEEE מאמרים על טכניקות עיצוב PCB מהירות גבוהה, ואת תקן IPC-2141A עבור עיצוב אי-ציות מבוקר.