PCB-Neuigkeiten - Stack-up Probleme im High-Speed PCB Design

Mit dem kontinuierlichen Aufkommen von Hochgeschwindigkeitsstrecken, die Komplexität der Leiterplatten wird immer höher und höher. Um Störungen durch elektrische Faktoren zu vermeiden, Signalschicht und Leistungsschicht müssen getrennt werden, so das Design von Mehrschichtige Leiterplatten beteiligt ist. Bei der Gestaltung von Mehrschichtplatten, die Anordnung der Schichten ist besonders wichtig. Ein gutes Stapeldesign reduziert die Auswirkungen von EMI und Übersprechen erheblich. In der folgenden Aussprache, Wir werden speziell analysieren, wie sich Stack Design auf die elektrische Leistung von Hochgeschwindigkeitsschaltungen auswirkt.

eine. Multilayer board and copper layer (Plane)
Compared with ordinary Leiterplatten bei der Gestaltung von Mehrschichtplatten, zusätzlich zum Hinzufügen der notwendigen Signalverdrahtungsschichten, the most important thing is to arrange independent power and ground layers (copper layers). In digitalen Hochgeschwindigkeitssystemen, the advantages of using power and ground to replace the previous power and ground buses are mainly:
Provide a stable reference voltage for the conversion of digital signals.
Evenly apply power to each logic device at the same time
Effectively suppress crosstalk between signals
The reason is that the use of a large area of copper as the power supply and ground layer greatly reduces the resistance between the power supply and the ground, so dass die Spannung auf der Leistungsschicht sehr gleichmäßig und stabil ist, und es kann sicherstellen, dass jede Signalleitung eine enge Erdungsebene hat, die ihr entspricht. Zur gleichen Zeit, die charakteristische Impedanz der Signalleitung reduziert wird, was auch sehr vorteilhaft ist, um Übersprechen effektiv zu reduzieren. Daher, für einige High-End High-Speed Schaltungen, it has been clearly stipulated that a 6-layer (or more) stacking solution must be used, wie Intels Anforderungen an PC133 Speichermodul Leiterplatten. Dies bezieht sich hauptsächlich auf die elektrischen Eigenschaften der Mehrschichtplatte, sowie die Unterdrückung elektromagnetischer Strahlung, und sogar die Fähigkeit, physikalischen und mechanischen Schäden zu widerstehen, ist deutlich besser als die niedrige Schicht Leiterplatte.
Wenn Sie den Kostenfaktor berücksichtigen, Es ist nicht so, dass je mehr Schichten, desto teurer der Preis, weil die Kosten der Leiterplatte hängt nicht nur mit der Anzahl der Schichten zusammen, aber auch bezogen auf die Dichte der Verdrahtung pro Flächeneinheit. Nach Reduzierung der Anzahl der Schichten, Die Verkabelung Der Platz wird zwangsläufig reduziert, dadurch die Dichte der Spuren zu erhöhen, und auch die Konstruktionsanforderungen müssen durch Reduzierung der Linienbreite und Verkürzung des Abstandes reduziert werden. Oft kann der dadurch verursachte Kostenanstieg die Kostensenkung durch Reduzierung des Stacks übersteigen. In Verbindung mit der Verschlechterung der elektrischen Leistung, dieser Ansatz ist oft kontraproduktiv. Daher, für Designer, alle Aspekte müssen berücksichtigt werden.

zwei. The influence of the ground plane layer on the signal under high frequency
If we take the PCB microstrip wiring as a transmission line model, dann kann die Grundebene Schicht auch als Teil der Übertragungsleitung betrachtet werden. Hier, Das Konzept der "Schleife" kann verwendet werden, um das Konzept der "Masse" zu ersetzen. Die Erdkupferschicht ist eigentlich ein Signal Der Rückweg der Leitung. Die Leistungsschicht und die Masseschicht sind durch eine große Anzahl von Entkopplungskondensatoren verbunden. Im Falle von AC, Die Leistungsschicht und die Bodenschicht können als gleichwertig angesehen werden. Was ist der Unterschied zwischen der Stromschleife bei Niederfrequenz und Hochfrequenz? Aus der Abbildung unten, wir können sehen, dass bei niedriger Frequenz, Der Strom fließt mit geringstem Widerstand entlang des Weges zurück, während bei hoher Frequenz, der Strom ist entlang der kleinsten Induktivität. Der Loop Flow Back ist auch der Weg mit der geringsten Impedanz, und der Schleifenstrom wird konzentriert und direkt unter der Signalspur verteilt.

Bei hohen Frequenzen, wenn ein Draht direkt auf der Bodenschicht angeordnet ist, auch wenn es eine kürzere Schleife gibt, Der Schleifenstrom muss direkt von der Verdrahtungsschicht unter dem Ausgangssignalpfad zurück zur Signalquelle fließen. Dieser Pfad hat die kleinste Impedanz, das ist, Induktivität. Die kleinste und größte Kapazität. Diese Methode zur Unterdrückung des elektrischen Feldes durch große kapazitive Kopplung und Unterdrückung des Magnetfeldes durch kleine induktive Kopplung zur Aufrechterhaltung niedriger Reaktanz wird Selbstabschirmung genannt.
The following formula reflects the law that the current density on the return path under the signal line changes with various conditions:


A conclusion can be drawn from the formula: on the current loop, je näher die Position zur Signalleitung, je größer die Stromdichte. In diesem Fall, die Fläche der gesamten Schleife ist die kleinste, und die Induktivität ist auch die kleinste. Zur gleichen Zeit, Es kann sich vorstellen, dass, wenn die Signalleitung und die Schleife sehr nah sind, die Ströme der beiden sind ungefähr gleich, und die Richtungen sind entgegengesetzt. Die im Außenraum erzeugten Magnetfelder können sich gegenseitig aufheben, So ist das EWI nach außen auch sehr klein. Daher, Es ist am besten sicherzustellen, dass jede Signalverdrahtungsschicht eine enge Masseebene aufweist, die der Stapelanordnung entspricht.
Betrachten Sie nun das Problem des Übersprechens auf der Bodenebene. In hochfrequenten digitalen Schaltungen, Die Hauptursache für Übersprechen ist das Ergebnis der induktiven Kopplung. Aus der obigen Formel der Schleifenstrom-Dichteverteilung kann ersichtlich werden, dass, wenn mehrere Signalleitungen relativ nah sind, die gegenseitigen Schleifenströme überlappen sich. Zur Zeit, Die Magnetfelder zwischen den beiden werden sich zwangsläufig gegenseitig stören, die Übersprecherauschen erzeugen. Die Größe der Übersprechenspannung hängt vom Abstand D zwischen den Signalleitungen ab, Höhe H der Bodenebene und Koeffizient K, as shown in the figure below:

In the formula, K bezieht sich auf die Anstiegszeit des Signals und die Länge der Signalleitung, die sich gegenseitig stört. Für die gestapelte Konfiguration, Es ist zweifellos, dass die Verkürzung des Abstandes zwischen der Signalschicht und der Bodenschicht effektiv das Übersprechen der Bodenebene reduziert.
Im eigentlichen PCB-Layout, ein solches Problem häufig auftritt. Wenn Sie nicht auf die Kupferpflasterung der Stromversorgung und der Bodenschicht achten, Eine isolierte Nut kann im Kupferpflasterbereich auftreten. Diese Situation ist oft auf Vias zurückzuführen. It is caused by unreasonable design of isolation area or via hole (as shown in the figure). Die Folge ist, die Anstiegszeit zu verlangsamen und die Schleifenfläche zu vergrößern, was zu einer Erhöhung der Induktivität führt, die anfällig für unnötiges Übersprechen und EMI ist. Wir müssen dieses Phänomen vermeiden.

The increased inductance due to the detour of the loop current can be roughly expressed as:
L=5Dln(D/W)
D represents the vertical distance from the signal line to the nearest end of the broken slot, und W ist die Linienbreite der Spur.

drei. Several typical laminated schemes and analysis
After understanding the above basic knowledge, wir können den entsprechenden laminierten Konstruktionsplan zeichnen. Allgemein, try to follow the following rules:

The copper layers should preferably be arranged in pairs. Zum Beispiel, die 2, 5 oder 3, 4-Lagen der sechslagigen Platine sollten zusammen Kupfer sein. Dies ist auf die Anforderung einer ausgewogenen Struktur im Prozess zurückzuführen, weil unsymmetrische Kupferschichten zu einer Verformung der Leiterplatte führen können.
Die Signalschicht und die Kupferschicht sollten in Abständen platziert werden, und es ist am besten, dass jede Signalschicht an mindestens eine Kupferschicht angrenzend sein kann.
Die Verkürzung des Abstandes zwischen der Stromversorgung und der Bodenschicht fördert die Stabilität der Stromversorgung und die Reduzierung von EMI.
Bei sehr hoher Geschwindigkeit, Sie können eine zusätzliche Masseschicht hinzufügen, um die Signalschicht zu isolieren, Es wird jedoch empfohlen, keine weiteren Power Layer hinzuzufügen, um zu isolieren, die unnötige Störgeräusche verursachen können.
Aber die tatsächliche Situation ist, dass die verschiedenen oben genannten Faktoren nicht gleichzeitig befriedigt werden können. Zur Zeit, Wir müssen eine relativ vernünftige Lösung in Betracht ziehen. Several typical laminated design schemes are analyzed below:
First analyze the laminated design of the four-layer board. Im Allgemeinen, für komplexere Hochgeschwindigkeitsstrukturen, Es ist am besten, kein 4-Lagen-Board zu verwenden, weil es eine Reihe von instabilen Faktoren hat, sowohl in Bezug auf physikalische als auch elektrische Eigenschaften. Wenn Sie eine vierlagige Platine entwerfen müssen, Sie können erwägen, es so einzustellen: power-signal-signal-ground. Es gibt eine bessere Lösung: Die äußeren beiden Schichten sind beide geerdet, and the inner
Two-layer power and signal lines are used. Diese Lösung ist die beste Stapellösung für das Design von vierlagigen Brettern. Es hat eine ausgezeichnete Unterdrückungseffekt auf EMI, und es ist auch sehr vorteilhaft, die Impedanz der Signalleitung zu reduzieren. Leiterplatten mit höherer Verdrahtungsdichte sind schwieriger.
Im Folgenden geht es um das Stack Design von Sechsschichtplatten. Jetzt verwenden viele Leiterplatten 6-Lagen-Leiterplattentechnologie, wie das Design von Speichermodulen Leiterplatten. Most of them use 6-layer boards (high-capacity memory modules may use 10-layer boards. ). Der herkömmlichste 6-Lagen Board Stack ist wie folgt angeordnet: Signal-Masse-Signal-Signal-Power-Signal. Aus Sicht der Impedanzsteuerung, diese Vereinbarung ist vernünftig, aber weil die Stromversorgung weit von der Bodenebene entfernt ist, Der Strahlungseffekt des kleinen Gleichtakt-EMI ist nicht sehr gut. Wenn Sie den Kupferbereich in Schicht 3 und 4 ändern, Es verursacht schlechte Signalimpedanzkontrolle und starke Differenzmodus EMI. Es gibt auch einen Plan, eine Grundebene Ebene hinzuzufügen, das Layout ist: signal-ground-signal-power-ground-signal, so dass unabhängig von der Perspektive der Impedanzsteuerung oder aus der Perspektive der Verringerung des EMI, Es kann die Umgebung des Hochgeschwindigkeitssignalintegritätsentwurfs erreichen. Aber der Nachteil ist, dass das Stapeln von Schichten unausgewogen ist. Die dritte Schicht ist eine Signalverdrahtungsschicht, aber die entsprechende vierte Schicht ist eine Leistungsschicht mit einer großen Fläche aus Kupfer. Dies kann auf einige Probleme in der Leiterplattenherstellung stoßen. Bei der Gestaltung, Alle leeren Bereiche auf der dritten Schicht können mit Kupfer bedeckt werden, um den Effekt einer annähernd ausgewogenen Struktur zu erzielen.
Komplexere Schaltungsimplementierungen erfordern den Einsatz von 10-Lagen-Leiterplattentechnologie. Die 10-Schicht Leiterplatte hat eine sehr dünne isolierende dielektrische Schicht, und die Signalschicht kann sehr nah an der Erdungsebene sein. Hier entlang, die Impedanzänderung zwischen Schichten ist sehr gut geregelt. Allgemein, Solange es nicht erscheint Mit ernsthaften Stack Design Fehlern, Designer können einfach hochwertige High-Speed-Leiterplattendesigns abschließen. Wenn die Verdrahtung sehr kompliziert ist und mehr Verdrahtungsschichten erfordert, Wir können den Stapel so einstellen: signal-signal-ground-signal-signal-signal-power-signal-signal, Natürlich ist diese Situation nicht unsere beste Ja, Wir benötigen, dass die Signalspuren in einer kleinen Anzahl von Schichten angelegt werden, aber um andere Signalschichten mit redundanten Masseschichten zu isolieren, So ist das häufigere Stapelschema: Signal-Masse-Signal-Signal-Leistung-Masse-Signal-Signal-Signal-Masse-Signal-Signal-Masse-Signal, Sie können sehen, dass hier drei Grundebenen verwendet werden, and only one power supply is used (we only consider the case of a single power supply). Dies liegt daran, dass, obwohl die Leistungsschicht den gleichen Impedanzkontrolleffekt wie die Grundebene hat, Die Spannung auf der Leistungsschicht ist größeren Störungen unterworfen, es gibt mehr Oberschwingungen hoher Ordnung, und das EWI nach außen ist auch stark, so geht es mit dem Signal. Wie die Drahtschicht, Es ist am besten, von der Bodenebene abgeschirmt zu werden. Zur gleichen Zeit, wenn eine überschüssige Leistungsschicht zur Isolierung verwendet wird, Der Schleifenstrom muss durch den Entkopplungskondensator von der Masseebene in die Leistungsebene umgewandelt werden. Auf diese Weise, Übermäßiger Spannungsabfall am Entkopplungskondensator verursacht unnötige Geräuscheffekte.

Vier. Summarize
The above only discusses some of the problems encountered in PCB stack design. Die Besonderheiten sollten entsprechend der tatsächlichen Situation ermittelt werden. Im Rahmen der Fähigkeit, Es ist oft notwendig, die Signalqualität und -kosten zu berücksichtigen. Bei der Ausführung des Entwurfs des Laminatschemas gemäß den oben beschriebenen theoretischen Prinzipien, Wir müssen auch einige andere Verdrahtungsprinzipien berücksichtigen, um zusammenzuarbeiten, wie die Richtung jeder Schicht, die Definition der Netzbreite der Signalschicht, und Entkopplung Die Platzierung von Kondensatoren und so weiter. Nur wenn wir verschiedene Faktoren umfassend berücksichtigen, können wir endlich eine Leiterplatte mit besserer Leistung entwerfen.

Das obige ist eine Einführung in das Stapelproblem von High-Speed PCB Design. Ipcb wird auch Leiterplattenherstellern und Leiterplattenherstellungstechnologie zur Verfügung gestellt.