Руководство по созданию многослойных Pcb-стеков для оптимизации электропроизводительности и производительности

Введение в многослойные стекеры PCB

Проектирование многослойной печатной платы является одной из наиболее важных задач в современной электронике. Стекап - расположение слоев меди, изоляционные диэлектрики и препреги - непосредственно определяет целостность сигнала, электромагнитную совместимость, тепловые характеристики и выход продукции. Плохо спланированная стека может привести к перекрестному скрещиванию, несоответствиям импеданса, чрезмерным излучаемым выбросам или декларационному декларативу, который делает всю сборку непригодной для использования. И наоборот, хорошо структурированная стека с контролируемым импедансом и симметричным распределением меди позволяет надежно сосуществовать высокоскоростным цифровым схемам, чувствительным аналоговым секциям и плотной маршрутизации. Эта статья предоставляет всеобъемлющие, действенные руководящие принципы для проектирования многослойных стеков ПХБ, которые одновременно оптимизируют электрические характеристики и технологичность.

Основы многослойных накопителей PCB

Многослойная ПХД состоит из чередующихся слоев проводящей медной фольги и изоляционных диэлектрических материалов, ламинированных вместе под воздействием тепла и давления. Наиболее распространенными материалами являются FR-4 (тканые стеклянные эпоксидные) для общего назначения, с расширенными вариантами, такими как ламинаты с низкими потерями для высокочастотных применений. Стекап включает в себя слои ядра (диэлектрические с медью с обеих сторон) и слои препрега (диэлектрические листы, которые связывают ядра вместе). Расположение слоев сигнала, плоскостей питания и наземных плоскостей определяет электрическое поведение платы.

К числу ключевых параметров относятся:

Поддержание симметрии в стеке является одним из наиболее важных производственных правил: симметричная конструкция вокруг вертикального центра предотвращает крен или скручивание платы во время ламинирования и перелива.

Ключевые рекомендации по созданию эффективных стеков ПХБ

Функции планировочного уровня явно

Перед тем как прочертить один след, назначьте по одному медному слою четкую функцию. Выделите один или несколько слоев твердым наземным плоскостям, один - силовым плоскостям (или расщепленным силовым островам), а остальные слои - сигнальной маршрутизации. Это функциональное разделение уменьшает шумоподключение и упрощает отсоединение. Например, в 4-слойном стеке общим высокопроизводительным расположением является: верхний сигнал - наземная плоскость - силовая плоскость - нижний сигнал. Наземные и силовые плоскости образуют ориентир низкого давления для сигналов и обеспечивают отличное экранирование. Для 6-слойных или 8-слойных плат используют дополнительные наземные плоскости для экранирования высокоскоростных сигнальных слоев.

Поддерживайте симметричный Stackup

Симметрия относится к одинаковому распределению меди и диэлектрической толщине по обе стороны от центральной линии платы. Асимметричные стекпы (например, толстая медь с одной стороны, тонкая с другой) вызывают неравномерное напряжение во время ламинирования, что приводит к деформации. Изогнутые доски трудно паять и могут выйти из строя во время сборки. Для поддержания симметрии:

Используйте выделенные наземные и силовые самолеты

Твердые наземные и силовые плоскости обеспечивают непрерывный обратный путь низкой индуктивности для высокочастотных сигналов, уменьшая площадь петли и минимизируя EMI. Избегайте разделения наземных плоскостей для аналоговых и цифровых секций на одном и том же слое; вместо этого используйте отдельные наземные плоскости на разных слоях, соединенных в одной точке, если изоляция имеет решающее значение. Плоскости питания должны быть расположены рядом с наземными плоскостями для создания высокочастотного разъединяющего конденсатора (пара плоскостей). Емкость между плоскостями помогает подавлять шум рельсов питания и уменьшать излучаемые выбросы. Для конструкций со смешанными сигналами сохраняйте цифровые и аналоговые наземные плоскости отдельно, но соединяйте их под ADC или DAC, чтобы избежать наземных петель.

Минимизируйте использование и размещайте их стратегически

Виас вводят паразитарную индуктивность и емкость, которые ухудшают целостность сигнала на высоких скоростях. Каждый через добавляет примерно 0,5-1 нН индуктивности, и эффект становится значительным выше примерно 1 ГГц. Чтобы минимизировать воздействие:

Пространство управляющего слоя и диэлектрическая толщина

Согласованные диэлектрические толщины между сигнальными слоями и их смежными плоскостями отсчета необходимы для равномерного импеданса. Изменения толщины вызывают несоответствие импеданса, которое отражает сигналы и ухудшает диаграммы глаз. Работайте с вашим производителем, чтобы выбрать стандартные толщины препрегов, которые достигают целевого импеданса. Поддерживайте ту же диэлектрическую толщину на симметричных парах слоев (например, между уровнем 2 и уровнем 3 должна равняться толщине между уровнем 4 и уровнем 5, если слой 3 и уровень 4 являются плоской парой). Избегайте больших различий в диэлектрическом интервале по доске, чтобы предотвратить неравномерное травление и покрытие.

Советы по дизайну для оптимизации электрических характеристик

Контроль импеданса и геометрия следов

Для высокоскоростных интерфейсов, таких как PCIe, USB 3.x, HDMI, DDR или Gigabit Ethernet, контролируемое импеданс не является предметом переговоров. Определите целевой одноконцевой (обычно 50 Ω) или дифференциальный (обычно 100 Ω или 90 Ω) импеданс с использованием 2D-решателей поля, предоставляемых вашим инструментом EDA или онлайн-калькулятором изготовителя. Ключевые переменные включают:

Всегда включайте таблицу стекапа в свои файлы дизайна, определяющую сопротивление цели, допуски (обычно ± 10%) и фактическую используемую стекапу. Для дифференциальных пар сохраняйте плотную связь, сохраняя расстояние между краями между следами меньше, чем высота диэлектрика до плоскости отсчета.

Стратегии маршрутизации сигналов для снижения EMI

Маршрут высокоскоростных сигналов на внутренних слоях (между наземными или силовыми плоскостями) для использования защитного эффекта окружающей меди. Внешние слои более восприимчивы к внешним помехам и также излучают больше. Держать критические сигналы подальше от краев доски — рекомендуется расстояние не менее пяти раз диэлектрическую толщину. Избегать маршрутизации по раздвоенным границам плоскости; если сигнал должен пересекать щель, добавить швовой конденсатор или использовать след наземного моста на соседнем слое. Для тактовых линий и других периодических сигналов использовать след наземного охранника (стриплайновая конструкция) для сдерживания полей.

Стратегия заземления для низкого шума

Наземная сеть низкого давления является основой чистой ПХД. Используйте непрерывные наземные плоскости по крайней мере на двух внутренних слоях. Соедините все наземные плоскости с несколькими прокладками вокруг периферии доски и вблизи каждого высокоскоростного компонента. Для ИС смешанного сигнала поместите границу между аналоговым и цифровым основанием непосредственно под устройство и соедините две плоскости только в этой точке - никогда не связывайте их вместе в другом месте. Избегайте создания «островков» земли, которые связаны только тонкими следами; они создают большие наземные петли, которые излучают и получают шум.

Отделение конденсаторов и целостность власти

Целостность мощности (PI) гарантирует, что напряжение, подаваемое на каждый ИС, остается в пределах заданных допусков при переходных нагрузках. Размещайте разъемные конденсаторы как можно ближе к силовым штифтам активных устройств. Используйте диапазон значений конденсатора (например, 10 мкФ, 100 нФ, 1 нФ) для покрытия широкого частотного спектра. Наименьшее значение (самый низкий ESL) следует размещать ближе всего к штифту. Используйте пару плоскости мощности - плоскости земли с тонкой диэлектрической (< 4 мили) для обеспечения высокочастотной разъемной емкости непосредственно между плоскостями. Проверяйте импеданс сети передачи мощности (PDN) с имитацией; сохраняйте импеданс ниже цели (например, 0,1 Ом при 1 МГц до 100 МГц для типичного цифрового рельса).

Соображения производства для экономически эффективного производства

Оптимизация счёта уровней

Выберите минимальное количество слоев, удовлетворяющих требованиям к электротехнике и маршрутизации. Каждый дополнительный слой увеличивает стоимость материала, циклы ламинирования, время бурения и риск утилизации. 4-слойной платы достаточно для многих конструкций с низкой и средней сложностью. Для плотного вентилятора BGA может потребоваться 6 или 8 слоев. Избегайте чрезмерной инженерии: если вы можете маршрутизировать все сигналы на двух внутренних слоях с достаточной основой, 4 слоя могут быть достаточными. Всегда имитируйте заторы маршрутизации в худшем случае, прежде чем совершать более высокое количество слоев.

Выбор материала и наличие предварительного

Выберите диэлектрики с согласованными значениями Dk и Df в интересующем диапазоне частот. Стандарт FR-4 (Dk ~ 4,5 при 1 МГц, ~ 4,2 при 1 ГГц) подходит для частот до нескольких ГГц. Выше 5 ГГц рассмотрим материалы с низкими потерями, такие как серии Rogers 4000, Isola FR-408HR или Megtron 6. Для чувствительных к затратам конструкций используйте гибридные конструкции: материал с низкими потерями только для высокоскоростных слоев сигнала при использовании стандартного FR-4 для остальных. Убедитесь, что выбранные толщины предварительного сигнала доступны и что производитель имеет опыт работы с выбранным материалом. Некоторые экзотические ламинаты требуют более длительного времени выполнения и специальной обработки.

Дизайн для правил изготовления

Каждый производитель печатных плат публикует набор правил проектирования, охватывающих минимальную ширину трассы, минимальное расстояние, минимальное кольцевое кольцо, через размеры и соотношения сторон. строго следуйте этим правилам, чтобы избежать дорогостоящих перепроектов. Общие типичные значения (для стандарта FR-4):

Если ваш дизайн требует более жестких допусков, обсудите с производителем заранее — некоторые могут достичь 3/3 мил или меньше с помощью передовых процессов. Избегайте использования чрезвычайно тонких диэлектриков (< 3 мил) если это абсолютно не необходимо; их труднее ламинировать последовательно.

Клиренс, толерантность и использование панели

Поддерживайте адекватный зазор между медными функциями и краями платы (обычно 0,5 мм для внутренних слоев, 1 мм для внешних слоев), чтобы предотвратить воздействие меди во время депанелирования. Обеспечить достаточный зазор вокруг монтажных отверстий, чтобы избежать коротких замыканий. Для проходов вблизи краев платы рассмотрите возможность использования зоны выдержки, чтобы избежать поломки во время маршрутизации. Работайте с вашим изготовителем для оптимизации использования панели: прямоугольные платы на стандартной панели 18×24 дюйма могут уменьшить отходы. Включите фидуциальные знаки для автоматической сборки и убедитесь, что текст и шелкография не перекрывают прокладки или прокладки.

Продвинутые примеры Stackup

Следующие типичные стекапы иллюстрируют, как применять обсуждаемые руководящие принципы:

4-слойный стек (низкая стоимость / умеренная скорость)

Такое расположение обеспечивает превосходное экранирование сигнальных слоев, при этом плоскости земли и мощности действуют как опорные линии низкого давления. Импеданс можно контролировать, регулируя толщину диэлектрика между Слоем 1 и Слоем 2, а также между Слоем 3 и Слоем 4.

6-слойный стек (хороший для высокоскоростных цифровых устройств)

Для улучшения целостности сигнала, поменяйте слой 3 и слой 4 так, чтобы рядом с каждым сигнальным слоем была пара плоскости земля/мощность. Альтернативно, используйте симметричное распределение 1-2-1-2-2-1-1: сигнал - земля - сигнал - мощность - земля - сигнал, который защищает оба внутренних сигнальных слоя.

8-слойный стек (высокая плотность, смешанные сигналы)

Этот стек обеспечивает три выделенных наземных плоскости, которые эффективно изолируют каждый сигнальный слой. Мощность и земля соседствуют (L4/L5) для оптимальной емкости плоскости. Дополнительные слои могут быть добавлены путем вставки дополнительных пар наземных сигналов.

Для дальнейшего чтения по стекап-дизайну и производственным ограничениям обратитесь к стандарту IPC-2141A или проверьте руководства по дизайну, опубликованные крупными производителями, такими как Sierra Circuits и Altium .

Заключение

Создание успешной многослойной компоновки печатных плат требует балансировки электрических характеристик с затратами и технологичностью. Представленные здесь руководящие принципы - планирование функций слоя, поддержание симметрии, использование выделенных плоскостей, управление импедансом и соблюдение правил изготовления - составляют основу надежного процесса проектирования. Всегда имитируйте критические сигналы на ранней стадии, четко сообщайте требования к штабелированию своему изготовителю и итерируйте на основе обратной связи. Хорошо продуманная штабелировка не только повышает надежность продукта, но и сокращает время выхода на рынок, избегая общих проблем с лентой. Применяйте эти принципы последовательно, и ваша следующая многослойная плата обеспечит электрические характеристики и производство выполнит требования вашего проекта.