PCB Stack-Up'ın Yüksek Hızlı İşaret Performansı'nda Eleştirel Rolü

Hızlı hızlı baskılı devre kurulu (PCB) tasarımı, modern elektroniklerde belirleyici bir meydan okuma haline geldi, yönetim içindeki dielektrik malzemelerinin sürekli olarak düzenlenmesi - sadece mekanik bir detay değil. Aslında, tek etkili fiziksel parametre yönetimi sinyali, elektromanyetik uyumluluk ve genel bir sistem, herhangi bir şekilde tasarlanmış bir çatı parçası haline gelebilir.

Uzak oranları, gigahertz aralığına tırmanmaya devam ettikçe, bu etkileri yöneten bir yığın ekrandaki sinyallerin basit DC iletimli yayılıma yol açma davranışı.Bu rejimde, parasitic inductance, cleance, and direniş - büyük ölçüde çatı tarafından belirlenir - yüksek performanslı bir şekilde performansla çalışan herhangi bir mühendis için nasıl tasarlanır, yüksek hızlı dijital arayüzler için gerekli olan bir inceleme sağlar.

PCB Stack-Up İnşaatının Temelleri

Bir PCB yığını, seri, kalınlık ve malzeme özellikleri ile iletken ve tabakalar halinde tanımlanır.Insulating katmanları, güç dağılımı ve zemin referencing.Insulating katmanları (dielektrikler) yüksek hızlı tasarımlarda, her tabakanın doğrudan bir amacı vardır ve her sinyale göre görülen elektrik ortamı doğrudan etkiler.

Katman türleri ve işlevleri

Standart PCB katmanları dört kategoriye girer:

  • [FONT:0]Signal katmanları[[[Dönetici: 1) Gerçek verileri veya saat izlerini taşır. Yüksek hızlı tasarımlarda, sinyalleri genellikle tanımlanmış bir geri dönüş yolunu ve kontrollü bir yönlendirme sağlamak için tabakalara yol açar.
  • [FONT:0)Power uçaklar - Gemi DC gerilim rayları tahtadaki borular genellikle güç bütünlüğüne katkıda bulunan sağlam bakır dökmeler ve zemin uçaklarla çiftleştirildiğinde, düşük hacimli dağıtımlı dağıtımlar dağıtılabilir.
  • [FONT:0)Ground uçakları) - sinyal akımı için düşük girişli bir geri dönüş yolu sağlayın ve elektromanyetik müdahaleye karşı koruyucu bir tabaka olarak hareket edin (EMI). Bir sinyal katmanının altındaki sürekli bir zemin uçağı sinyal kalitesi korumak için en etkili önlemdir.
  • [FONT:0)Dielektrik katmanları (prepreg ve çekirdek))[T:0)Dört tabakaları ve plazmin sabit (Dk) doğrudan iletim hatlarının karakteristik yönünü kontrol eder ve iç içe geçiş derecelerini kontrol eder.

Core vs. Prepreg Construction

Çoğu PCB, temel malzemenin bir kombinasyonunu kullanarak inşa edilir (her iki tarafta bakır ile tedavi edilen substrat) ve prepreg (iki düzlem arasında bir araya getirilen çubuk tabakaları) için tasarım katmanının temel veya önbellekli bir hacimde olup olmadığının belirlenmesi gerekir.

Nasıl Stack-Up Doğrudan Etkiler Yüksek Hızlı Sinyal Dürüstlüğü

Signal bütünlüğü (SI), kabul edilebilir amplimal, zamanlama ve form ile alıcıya yol açma yeteneğine işaret eder. yüksek frekanslarda, yığınlama SI: karakteristik dürtü, çapraztalk, geri dönüş yolu sürekliliği ve dielektrik kayıplarının dört bir tarafını yönetir.

Karakteristik Impedance Control

Her yüksek hızlı izi, kontrol edilen bir karakteristik dürtü ile bir iletim hattı olarak tasarlanmalıdır, genellikle iki uçlu sinyal veya 90-100 ULLAH'ı dielektrikli iz genişliği, bakır kalınlığı, dielektrik kalınlığı ve alttaki iz, ve dielektrik sabit.In microstrip traces (outer tabakası, maruz kalan hava durumu), tersleme hatalarına bağlıdır.

Yüksek hızlı seri bağlantıları için% 10'luk bir toleransı korumak (ve genellikle yüksek hızda% 50 ±5%) yığınlamanın, yüksek çözünürlükte bulunan dielektrik kalınlığının sıkı bir toleransa işaret etmesi gerekir. Birçok kumaşçı, kontrol edilen elektrik materyalini açıkça belirtmelidir.

Crosstalk and Inter-Layer Isolation

Crosstalk, bir sinyal izinden elektromanyetik alanların istenmeyen gerilim veya bitişik bir izde mevcut olduğunda meydana gelir.Kitle hem de eğimli etkiler) ve [[Döneticiler:2) kondüktif[DDDöncükler[Döncükler) ile birlikte, uçtan fazla uçtan fazla yere uzanan zemin düzlemde gözlemler, çünkü alanlar yersiz sinyal tabakaları yersiz veya güç düzlemleri alternatif olarak değiştirmektir.

Sinyaller aynı katmanı paylaşırken bile, referans uçağına dikey mesafe (alelektrik kalınlığı) güç bütünlüğünü nasıl sıkılaştırabileceğinizi etkiler.

Çok katmanlı tahtalarda (altı tabaka veya daha fazlası), [[Çalışkanlık simetrisi) kritiktir.Yakalamasız bir yığın - bakır dağılımının orta düzlemde önemli ölçüde farklı olduğu - tahtanın toparçasına neden olabilir, kalınlık varyasyonlarına ve eğimli bir yığına yol açar.

Return Path Integrity

Her sinyal akımı düşük bir kesinti yol üzerinden kaynaklanmasına geri dönmeli. DC'de geri dönüş şu anda en az direnç yolunu takip ediyor.Bu döngü, sinyal izi altında doğrudan yayılabilir, en yakın bir yığın sinyale sahipse, her yüksek hızlı sinyal katmanının bir kesintiye uğraması gerekir, geri dönüş noktasının büyük bir akış katmanı oluşturması gerekir.Bu döngü, VMI'nin yolundan geçerken, sinyale doğru bir şekilde yayılabilir.

Dielektrik ve Davranışçı Kayıplar

1 Gbps'nin üzerindeki hızlarda, sıvı kaybı ve iletken (skin- efekti) kaybı önemli hale gelir.Spaz-up malzeme seçimi burada büyük bir rol oynar.Df, düşük kilo verme faktörü (Df) ile sabitlenebilir, bakır-4 gibi malzemeler, yüksek frekanslı yüzeylerdeki yüksek frekanslı yüzeylere sahip olabilir.

PCB Stack-Up Yüksek Hızlı Tasarım için Yapılar

Bir yığıntaki tabakaların sayısı, tasarımın yoğunluğu ve karmaşıklığına bağlıdır, ancak yüksek hızlı dijital sistemler için, dört tabaka genellikle önerilen başlangıç noktasıdır. İşte ortak konfigürasyonların ve ilgili güçlülerin bir kısmı.

Four-Layer Stack-Up: Yüksek Hız için Giriş Noktası

Standart dört katmanlı bir tahta genellikle üst bir sinyal katmanı kullanır, bir zemin uçağı, bir güç uçağı ve alt sinyal katmanı sağlar. Bu yapılandırma, orta hızlı tasarımlar için mükemmel sinyal bütünlüğü sağlar (< 1 Gbps) çünkü her sinyal katmanı sağlam bir referans uçağına bitişiktir.

  • [Top:0)Layer 1 (Top):) Signal/microstrip
  • 2.)[0]Layer 2:[Dönem:[Dönem:0)
  • [0]Layer 3:
  • [[Düzzaman:0)Layer 4 (Bottom):) Signal/microstrip

Daha yüksek hızlar için, Katman 1 ve Katman 2 arasındaki dielektrik, fıtrat alanları ve daha düşük haçı azaltmak için en aza indirgenmelidir. Birçok kumaşçı bu amaçla ince temel malzemeler sunar.

Six-Layer Stack-Up: Routing Flexability ile Performansı

Altı katmanlı bir yönetim kurulu dört mil tabaka ve iki uçak katmanı sunar, iyi sinyal bütünlüğüne devam ederken daha karmaşık routing sağlar.En iyi düzenleme, merkeze yakın zemin ve güç uçaklarıdır, ancak yine de kritik sinyal tabakalarına bitişiktir.

  • [Top:0)Layer 1 (Top):), Signal/microstrip (kahkaha yolları)
  • 2.)[0]Layer 2:[Dönem:[Dönem:0)
  • [[Dönetici:0)Layer 3:), Signal/stripline (daha az eleştirel)
  • [0]Layer 4: [Döntgen:[Dönem:0)
  • [0]Layer 5:[[Dönem:0)[[Dönemli)
  • [FONT:0)Layer 6 (Bottom):), Signal/microstrip (kahkaha yolları)

Bu düzenleme hem dış sinyal katmanlarına bitişik bir zemin sağlar, iç tabakalar uçaklar arasında izole edilirken, bu da merkez hakkında simetriktir, mekanik stabilite sağlamak. Bazı tasarımcılar iki uçak katmanını bir araya getirmeyi tercih eder (bir uçak çiftleri) güç bütünlüğü için geçici olarak en aza indirmek için, bu, iç sinyal katmanları arasındaki izolasyonu azaltır.

Sekiz-Layer ve Yüksek Yeğenler

Çok yüksek çözünürlükte, sekiz veya daha fazla tabaka gerekli hale gelir: Her sinyal katmanı bir referans uçağına bitişik olmalıdır ve sekiz katmanlı bir gemide, iki uçak çiftleri (GND/PWR) birden fazla sessiz referans yüzeyleri sağlamak için kullanılabilir.

12 katmandan fazla tasarım için, PCB kumaşatörü ile dikkatli bir işbirliği önemlidir. Koleksiyonda malzeme kullanılabilirliği, prepreg kalınlığı seçenekleri ve laminat döngüsü kısıtlamaları için dikkate alınmalıdır. Birçok kumaş üreticisi yığın tasarım hizmetleri sunar ve önerilen bir yığın daha önceden yapılan bir yığın özelliklerini taklit edebilir.

Yüksek Hızlı Stack için malzeme seçimi

Dielektrik materyali genellikle yüksek hızlı PCB tasarımında en göz ardı edilen faktördür, ancak bu, daha düşük dağıtım faktörü ve ısı performansı ile malzeme değerlendirmelidir. Standard FR-4 (e.g., Isola 370HR, S1141), yaklaşık 3-5 Gbps hızlara kadar hızlar için yeterlidir, iz uzunluğu ve marj gereksinimlerine bağlı olarak.

Yaygın Yüksek Hızlı Dielektrik Malzemeleri

  • [FONT=0)FR-4 (Standart): [DDK ⁇ 4.2-4.6, Df ⁇ 0.02 1 GHz. Maliyet-törüntü ancak yüksek frekanslarda kaybı. daha düşük hız arabirimleri için uygun.
  • [FONT=0)Mid-Losss FR-4 (e.g., Isola 370HR, ITEQ-180A): ) Dk ⁇ 4.1-4.3, Df ⁇ 0.010-0.015. İyileştirilmiş kayıp kayıp kayıp özellikleri; genellikle 10 GbE ve PCIe Gen3 için kullanılır.
  • Low-Losss Laminats (e.g., Rogers 4350B, Isola Astra MT77): Dk ⁇ 3.5-3.7, Df < 0.004. milimetre- dalga ve 25+ Gbps seri bağlantıları için tasarlanmıştır.
  • PTFE-Based (e.g., Rogers RT/duroid, Taconic TLY): Dk ⁇ 2.2-2.6, Df < 0.001. RF/mikrobi ve 100+ Gbps sistemleri için Ultra-d kaybı. Yumuşak malzeme nedeniyle özel bir işlem gerektirir.

Bir malzeme seçerken, tasarımcı ayrıca düşük kaybı sürdürürken mekanik stabiliteyi geliştiren cam takviye ile de dikkate almalıdır.

Bakır Yüzeyi

1 GHz'in üzerindeki frekanslarda, cilt etkisi bakırın yüzeyinde sınırlıyor. kaba bir bakır yüzeyi bu akımın yolunu arttırır, direniş ve kaybı arttırır. Modern yüksek hızlı laminatlar genellikle düz veya "düşük profil" bakır folyo (bazen de adlandırılır) için.0RTF veya [[Dönetici:2).VLP) Bu etkiyi azaltmak için.

Yüksek Hızlı Stack-Ups için Tasarım Kuralları ve En İyi Uygulamaları

Simülasyon bir yığın doğrulama için nihai araçtırken, birkaç başparmak kuralı sağlam bir sonuca doğru ilk tasarımını kılavuzabilir.

Her zaman bir Adjacent Referans Planı sağlayın

Her sinyal katmanı - özellikle yüksek hızlı saat veya verileri taşıyanlar - bir bağlantı için kesintisiz bir referans uçağı (var veya güç) olmalıdır. Referans uçağı sinyal izlerinin ötesinde iyi genişletmelidir ve minimum bölünmeler içerir.If a partition is impossible (e.g., for a connection) plan for dikmeler veya en aza indirmek için.

Kontrol Dielektrik Kalınlık Konist olarak

Bir sinyal katmanı ve referans uçağı arasındaki dielektrik kalınlığı, bu kalınlıkta sıkı bir toleransı (±10% veya daha iyi) ve seçilen prepreg ve çekirdek kalınlıkları sağlamak için kumaşatör ile çalışır. Bu, Dk inhomogeneity'yi tanıtabilir.

Diferansiyel Pairs için Uzun ve Spacing

Diferansiyel sinyalleme, istenen veya sıkı darbe için kesin bir değer sağlamak için iki ize bağlıdır.Birçok yüksek arayüzler için bir dielektrik ortamı sağlamalı. iki iz arasında (en-st) dikkat çekici bir yığınlama tasarımı ve genellikle tek uçlu bir şekilde daha geniş bir iz tutmalıdır.

Kumaşı için Katman Symmetri

Tahta-pazlık sırasında tahta savaş sayfasını önlemek için, bakır dağıtım, yığınların merkezi etrafında dengelenmelidir. Üst yarısının üç ağır bakır tabakaları ve alt yarısının ikisine sahipse, tahta muhtemelen yayacaktır. Birçok kumaşçı, tabaka saymalarında simetrik olmalıdır, bakır ağırlık ve malzeme türü.

Fabrication'ı Fabrication'tan önce doğrulamak için kullanın

Modern elektromanyetik alan Ansys HFSS, Keysight ADS veya OpenEMS gibi ücretsiz aletler, yığınla şarj edilebilirliği, haçı ve ekleme kaybı sağlar.Bu, önerilen çöp toplama işlemine başlamadan önce kritik izlerini taklit etmek için en iyi uygulamadır. Birçok PCB kumaşçı da ücretsiz bir engelleyici hesaplama hizmeti sunabilir (8000e.g, Polar SI kullanarak)

EMI ve EMC Uyumuna Dayanıklı Etkisi

Elektromanyetik müdahale (EMI) ürün sertifikasyonu daha sıkı hale gelir (FCC Bölüm 15, CISPR 32, vs.) Çatıdaki emisyonlar doğrudan iki şekilde yayılır: döngünün ve kalkanlar, sabit bir zemin düzlemde sabit alan ve kalkanlar için en etkili şekilde geri dönüş alanı azaltır.

Karmaşık imzalı içerik (analog ve dijital aynı tahtada), yığın-up fiziksel olarak bölmeli özel zemin uçaklarını dahil etmelidir - tek bir noktada ortak bir referansla - dijital geçiş gürültünün hassas analog devrelere girmesine engel olmak için.Bu bölümleme, yüksek hızlı dijital sinyallerin geri dönüş yollarını önlemek için dikkatli yapılmalıdır.

Pratik Stack-Up Design Process

Tüm kavramları bir araya getirmek için, burada yüksek hızlı bir PCB yığını tasarlamak için önerilen bir adım adım sürecidir.

  1. [FONT=0]Aksi arayüz listesini ifade eder.[[Dönetici:0) Tüm yüksek hızlı arayüzleri (PCIe, USB, Prat, Ethernet) ve onların dürtüleri, bütçe ve kesinti kısıtlamaları.
  2. [FONT:0) Katmanların sayısını seçin.[[Dönetici: 1) Rödül yoğunluğuna ve referans uçaklarına ihtiyaç duyan en az dört tabaka önerilir; orta-yüksek karmaşıklık için altı sekiz tabaka önerilir.
  3. [FONT:0]Choose dielektrik malzemeleri.[[Dönetici:0) Denge maliyeti ve performans. En kritik katmanlar ve düşük büyüklükteki malzeme için standart FR-4 kullanın.
  4. [FONT:0) Uçak ve sinyal türlerine giriş yapın.[ °T:1] Her sinyal tabakası sağlam bir referans uçağına bitişiktir.
  5. [FONT:0)Kalculate iz geometrileri.[DDDK:1) Bir dürtü hesaplayıcı (örneğin, Polar SI8000) hedefin doğrulanması ve seçilmiş dielektrik kalınlığına dayanan her sinyal katmanı için iz genişliği ve spacing belirlemek.
  6. [FONT:0] kritik ağları tespit etmek.[FONTT:0] Run 2D veya 3D alanı en hassas izlerinin (yüksek hızlı saatler, diferansiyel çiftler) doğrulanması için simülasyonlar yapar.
  7. [FONT:0)Tezleyiciye kadar yığınını (Ceff) ile ayrıntılı bir yığın çizimi içeren malzemeler, kalınlıklar, bakır ağırlıklar ve yetersiz hedefler.DFM'ye son vermeden önce bir DFM check.
  8. [FONT:0]Sürekli ölçümler ile güncellenebilir; [Dönder: 1] Bir zaman alan yansımaometresi (TDR) veya vektör ağı analizleyicisi (VNA) panele dahil edilen test kuponları için kesinti ve ekleme kaybı ölçmek için.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

PCB yığını sadece üretim detayı değil - yüksek hızlı sinyal bütünlüğünün inşa edildiği elektrik temelidir. karakteristik engel ve geri dönüş yolu yönetimi, yüksek hızlı performansın her yönü, yüksek tavanların ve malzemelerin toplanması ile şekillendirilir.

Veri oranları 112 Gbps PAM4 ve ötesinde tırmanmaya devam ettikçe, yığınlamanın rolü sadece gömülü bileşenler, cam çekirdekli substratlar ve ekinler gibi gelişmiş teknolojiler, yüksek hızlı dijital tasarımda başarı için en güvenilir yoldur.

Dış Kaynaklar

  • [FONT:0) PCB Tasarım ve Kumaşlandırma için IPC Standartları). - Tasarım kuralları ve malzeme özellikleri için temel referans.
  • [FONT:0)Rogers Corporation Advanced Electronics Solutions[[Dönetici: 1) Teknik kaynaklar ve laminat seçimi yüksek frekanslı PCB malzemeleri için kılavuzlar.
  • [FONT:0)Altium PCB Stack-Up Design Documentation) - Altium Tasarımcısı'nda yığın tasarımları uygulamak için pratik rehberlik.
  • [[FONT:0)Signal Integrity Journal) - Endüstri yüksek hızlı tasarım ve ölçüm üzerine kapsamlı makalelerle yayınlanmaktadır.