Leiterplatte Blog - Wie man einen PCB Board Stackup gestaltet

Jede Ebene in einer Leiterplatte spielt eine spezifische Rolle bei der Bestimmung des elektrischen Verhaltens. Signalebene transportieren Energie und elektrische Signale zwischen Komponenten, aber es sei denn, Sie platzieren Kupferebenen richtig in den inneren Schichten, sie/Sie funktionieren möglicherweise nicht richtig. Zusätzlich zu den Signalschichten, Ihre Leiterplatte benötigt auch Strom und Bodenflugzeuge, und Sie müssen sie in die Leiterplatte Stapeln, um sicherzustellen, dass das neue Board ordnungsgemäß funktioniert. Also wo ist die Macht, Boden, und Signalschichten platziert? Dies ist eine der langjährigen Debatten in Leiterplatte Design, Designer zwingen, die beabsichtigte Anwendung ihrer Platine sorgfältig zu prüfen, die Funktionalität der Komponenten, und die Signaltoleranzen auf der Platine. Wenn Sie die Grenzen der Impedanzvariation verstehen, Jitter, Spannungswelligkeit vs. PDN-Impedanz, und Ablehnung von Übersprechen, Sie können die richtige Anordnung der Signal- und Ebenenschichten bestimmen, die auf der Platine platziert werden sollen. Um Ihre Designintention zum Leben zu erwecken, braucht es das richtige Leiterplatte Design-Toolset. Ob Sie eine einfache zweilagige Platine oder eine Hochgeschwindigkeits-Platine mit Dutzenden von Schichten erstellen möchten, Leiterplatte Designsofware muss für jede Anwendung geeignet sein.

Bei der Definition eines Signalebene-Stacks neigen Einsteiger-Designer möglicherweise dazu, die Dinge auf die Spitze zu bringen. Sie benötigen nur zwei Schichten pro Brett oder eine spezielle Schicht pro kleinen Stich. Die richtige Antwort liegt irgendwo dazwischen, abhängig von der Anzahl der Netze auf der Platine, dem akzeptablen Grad an Ripple/Jitter in der Schaltung, dem Vorhandensein gemischter Signale usw. Im Allgemeinen, wenn Ihr Proof of Concept gut auf einem Breadboard funktioniert, können Sie jede Layouttechnik verwenden, die Sie auf einem zweilagigen Board mögen und es besteht eine gute Chance, dass das Board funktioniert. In vielen Fällen müssen Sie möglicherweise eine Grid-Erdungsmethode für Hochgeschwindigkeitssignale verwenden, um ein gewisses Maß an EMI-Unterdrückung zu gewährleisten. Für komplexere Geräte, die mit hohen Geschwindigkeiten oder hohen Frequenzen (oder beides) arbeiten, benötigen Sie mindestens vier Leiterplattenstackups, einschließlich einer Leistungsebene, einer Erdungsebene und zwei Signalebenen. Bei der Bestimmung der erforderlichen Anzahl von Signalebenen wird zunächst die Anzahl der Signalnetze sowie die ungefähre Breite und Abstand zwischen Signalen berücksichtigt. Wenn Sie versuchen, die Anzahl der benötigten Signalschichten in einem Stapel zu schätzen, gibt es zwei grundlegende Schritte, die Sie ausführen können:

Ermittlung der Netzanzahl: Eine einfache Netzanzahl aus dem Schaltplan und den vorgeschlagenen Abmessungen der Leiterplatte kann verwendet werden, um die Anzahl der benötigten Signalschichten auf der Leiterplatte zu schätzen. Die Anzahl der Schichten ist in der Regel proportional zur Partitur (net*trace width)/(board width). Mit anderen Worten, mehr Netze mit breiteren Leiterbahnen müssen das Board größer machen oder mehr Signalschichten verwenden. Sie müssen standardmäßig die Erfahrung hier verwenden, um die genaue Anzahl der Signalschichten zu bestimmen, die erforderlich sind, um alle Netze in der gegebenen Leiterplattengröße unterzubringen.

Fügen Sie Ihre ebenen Schichten hinzu: Wenn Sie eine kontrollierte Impedanzführung für Ihre Signalschichten benötigen, müssen Sie jetzt Referenzschichten für jede gesteuerte Impedanzsignalschicht platzieren. Sind die Bauteile dicht verpackt, ist eine Leistungsebene unterhalb der Bauteilschicht erforderlich, da auf der Oberflächenschicht nicht genügend Platz für die Stromschienen vorhanden ist. Dies kann zu einer zweistelligen Anzahl von Oberflächenschichten führen, die für HDI-Platinen mit hohem Nettowert erforderlich sind, aber die Referenzschicht bietet Abschirmung und konstante charakteristische Impedanz. Sobald die richtige Anzahl von Schichten für eine mehrschichtige Platine ermittelt wurde, können Sie mit der Anordnung der Anzahl der Schichten im Leiterplattenstack fortfahren.

Gestaltung des PCB-Stapels

Der nächste Schritt im PCB-Stack-up-Design besteht darin, jede Schicht so anzuordnen, dass Spurpfade bereitgestellt werden. Ihre Laminate sind in der Regel symmetrisch um einen zentralen Kern angeordnet, um ein Verformen während der Montage und Handhabung bei hohen Temperaturen zu verhindern. Die Platzierung von Ebenen und Signalschichten ist entscheidend für impedanzgesteuertes Routing, da Sie spezifische Gleichungen für verschiedene Leiterplattenplatzierungen verwenden müssen, um sicherzustellen, dass die Impedanz gesteuert wird. Für starr-flex-Stack-up-Designs müssen Sie im Stack-up für starr-flex-Bereiche verschiedene Regionen definieren. Das Layer Stack Design Tool in Allegro macht diesen Prozess einfach. Nachdem der Schaltplan als leeres LeiterplattenLayout erfasst wurde, können Schichtstapel definiert und Übergänge durch die verschiedenen Schichten definiert werden. Anschließend können Sie die Leiterbahngröße bestimmen, die für das kontrollierte Impedanzrouting erforderlich ist.

Stripline vs. Microstrip und kontrollierte Impedanz

Um die Impedanz zu steuern, sollten die Leiterbahnen, die auf der inneren Schicht zwischen den beiden planaren Schichten geführt werden, unter Verwendung der Stripline-Impedanzgleichung konstruiert werden. Diese Gleichung definiert die Geometrie, die erforderlich ist, damit eine Stripline einen spezifischen charakteristischen Impedanzwert hat. Da es drei verschiedene geometrische Parameter in der Gleichung gibt, um die Impedanz zu bestimmen, ist es einfach, zuerst die Anzahl der erforderlichen Schichten zu bestimmen, da dies die Schichtdicke für eine gegebene Leiterplattendicke bestimmt. Kupfergewichte für interne Signalebenen betragen typischerweise 0,5 oder 1 oz./sq.. ft. Dies verwendet die Leiterbahnbreite als Parameter, um eine spezifische charakteristische Impedanz zu bestimmen. Das gleiche Verfahren gilt für Mikrostreifenlinien auf der Oberflächenschicht. Nach der Bestimmung der Schichtdicke und des Kupfergewichts müssen Sie nur die Leiterbahnbreite bestimmen, die die charakteristische Impedanz definiert. Leiterplattendesign-Tools umfassen einen Impedanzrechner, der Ihnen helfen kann, Ihre Leiterbahnen so zu dimensionieren, dass sie ihre charakteristische Impedanz definieren. Wenn Sie Differentialpaare verwenden müssen, definieren Sie einfach die Leiterbahnen in jeder Schicht als Differentialpaare und der Impedanzrechner ermittelt den richtigen Abstand zwischen den Leiterbahnen. Wenn sie auf der eigentlichen Platine geroutet werden, können sie kapazitiv oder induktiv mit anderen Leiterbahnen und Leitern gekoppelt werden. Parasitische Kapazität und Induktivität von nahe gelegenen Leitern können die Leiterbahnimpedanz im tatsächlichen Layout ändern. Um sicherzustellen, dass Sie das Impedanz-Ziel für alle Schichten im Stack erreicht haben, benötigen Sie ein Impedanzanalysetool, um die Impedanz im ausgewählten Signalnetz zu verfolgen. Wenn Sie unannehmbar große Änderungen im LeiterplattenLayout sehen, können Sie schnell Leiterbahnen auswählen und das Routing anpassen, um diese Impedanzänderungen in der Verbindung zu beseitigen. Der Abstand zwischen den Leiterbahnen in diesem Bereich sollte angepasst werden, um diese Impedanzänderung zu beseitigen oder innerhalb akzeptabler Toleranzen zu bringen. Sie können die gewünschte Impedanztoleranz in den Entwurfsregeln definieren, und der Impedanzrechner nach dem Layout überprüft das Routing mit dem gewünschten Impedanzwert. In der obigen Diskussion haben wir uns nur mit digitalen Signalen beschäftigt, weil sie anspruchsvoller sind als analoge Systeme. Wie wäre es mit einer rein analogen oder gemischten Platine? Für analoge Platinen ist die Stromintegrität viel einfacher, aber die Signalintegrität ist viel schwieriger. Bei Mixed-Signal-Boards müssen Sie den oben gezeigten digitalen Ansatz mit dem hier beschriebenen analogen Ansatz kombinieren.

Die Bandbreite eines digitalen Signals kann auf eine bestimmte Hochfrequenz erweitert werden, normalerweise wird die Eckfrequenz als Frequenz eines Binärsignals genommen. Die Eckfrequenz beträgt etwa 0.35/(Anstiegszeit), und für ein Signal mit einer Anstiegszeit von 1ns ist die Eckfrequenz 350MHz. Für schnellere digitale Signale bis zu etwa 20ps erstreckt sich die Kniefrequenz jetzt auf 17,5GHz. Bei analogen Signalen ist die Bandbreite viel enger, Sie müssen sich nur um die Impedanz der Leistungsebene und Einfüge-/Rücklaufverluste innerhalb dieser Bandbreite kümmern. Dies erleichtert die Netzintegrität und Signalintegrität. Jeder Verlust oder hohe PDN-Impedanz in der Signalkette außerhalb dieser Bandbreite ist vernachlässigbar.

Signalisolierung

Eine andere Option ist aggressiver und erfordert die Verwendung von geerdetem Kupferpulver oder durch Zäune, um die Isolierung zwischen verschiedenen Teilen der Platte zu gewährleisten. Wenn Sie den Ground Pour neben den analogen Leiterbahnen machen, haben Sie gerade einen koplanaren Wellenleiter erstellt, der eine hohe Isolation aufweist und eine gängige Wahl für das Routing von hochfrequenten analogen Signalen ist. Sollen Zäune oder andere hochfrequente leitfähige Isolationsstrukturen verwendet werden, sollte der elektromagnetische Feldlöser verwendet werden, um die Isolation zu untersuchen und festzustellen, ob Isolation in verschiedenen Signalschichten gewählt werden soll.

Rückführungsplan

Das Mischen von analogen und digitalen Signalen auf der Platine stellt strenge Anforderungen an die Verfolgung von Erdschleifenverschiebungsströmen und die Trennung zwischen digitalen und analogen Leiterplattenabschnitten. Das Layout der Platine sollte sicherstellen, dass sich die analogen Rückwege nicht in der Nähe der digitalen Komponenten kreuzen und umgekehrt. Dies trennt digitale und analoge Signale einfach in verschiedene Schichten getrennt durch ihre jeweiligen Masseebenen. Obwohl dies zusätzliche Kosten verursacht, es sorgt für die Isolierung zwischen den verschiedenen Teilen. Analoge Komponenten benötigen möglicherweise auch dedizierte analoge Steckdosenleisten, wenn sie aus Wechselstrom gezogen werden. Außerhalb der Leistungselektronik, Dies ist ein seltener Fall, Aber konzeptionell ist es einfach zu handhaben, solange Sie die Rücklaufplanung analysieren können. Wenn der analoge Stromabschnitt vorgeschaltet und vom digitalen Signalabschnitt getrennt ist, eine einzelne Leistungsebene kann für beide Signale verwendet werden. Interferenzen zwischen verschiedenen Leistungs- und Bodenabschnitten können verhindert werden, wenn der Rückweg korrekt geplant ist. Für DC-Leistungsbereiche mit Schaltreglern, Das Schaltgeräusch der DC-Sektion muss von der AC-Sektion getrennt werden, Ebenso wie digitale Signale von analogen Signalen getrennt werden müssen Leiterplatte.