Technologie PCB - Comment concevoir un empilement de plan de signal laminé PCB

Chaque couche dans un PCB joue un rôle spécifique dans la détermination du comportement électrique. Les couches de plan de signal transmettent l'alimentation et les signaux électriques entre les composants, mais elles peuvent ne pas fonctionner correctement à moins que le plan de cuivre ne soit correctement placé dans la couche interne. En plus de la couche de signal, votre PCB a besoin de couches d'alimentation et de mise à la terre que vous devez placer dans votre pile de PCB pour vous assurer que la nouvelle carte fonctionnera.

Où sont placées les couches de puissance, de terre et de signal? C'est l'une des questions qui ont longtemps été débattues dans la conception de PCB, forçant les concepteurs à réfléchir soigneusement à l'utilisation prévue de leurs cartes, à la fonctionnalité de leurs composants et à la tolérance du signal sur les cartes. Si vous connaissez les limites de la variation d'impédance, de la gigue, de l'ondulation de tension et de l'impédance PDN, ainsi que la suppression de diaphonie, vous pouvez déterminer l'alignement correct des couches de signal et des couches planes à placer sur la carte.

En général, si votre preuve de concept est faite sur une planche d'essai, vous pouvez utiliser n'importe quelle technique de mise en page préférée sur une planche à double couche, et cette planche fonctionnera probablement. Vous devrez peut - être utiliser une méthode de mise à la terre du Réseau pour traiter les signaux à grande vitesse afin de fournir un certain degré de suppression EMI. Pour les appareils plus complexes fonctionnant à haute vitesse ou à haute fréquence (ou les deux), vous aurez besoin d'au moins quatre couches de PCB, y compris une couche d'alimentation, une couche de terre et deux couches de signal.

Lors de la détermination du nombre de couches de plan de signal souhaité, la première chose à considérer est le nombre de réseaux de signaux ainsi que la largeur approximative et l'espacement entre les signaux. Lorsque vous essayez d'estimer le nombre de couches de signal dont vous avez besoin dans votre pile, vous pouvez suivre deux étapes de base:

Déterminer le comptage net: le nombre de couches de signal nécessaires sur la carte peut être estimé en utilisant un comptage net simple

E indique l'intention et la taille de la carte proposée. Le nombre de couches est généralement proportionnel à la fraction (net * line width) / (Board width). En d'autres termes, plus de réseaux avec des lignes plus larges nécessitent des cartes plus grandes ou plus de couches de signal. Par défaut, vous devez utiliser l'expérience ici pour déterminer le nombre exact de couches de signal nécessaires pour accueillir tous les réseaux à une taille de carte donnée.

Ajouter une couche Plate: Si vous devez utiliser une couche de signal de câblage à impédance contrôlée, vous devez maintenant placer une couche de référence pour chaque couche de signal à impédance contrôlée. Si les composants sont denses, il est nécessaire de disposer d'un plan de puissance sous la couche de composants, car il n'y a pas assez d'espace sur la couche de surface pour accueillir les guides de puissance. Cela peut conduire à un nombre de couches de surface à deux chiffres requis pour une carte HDI à valeur nette élevée, mais la couche de référence fournira un blindage et une impédance caractéristique cohérente.

Une fois que vous avez déterminé le nombre correct de couches pour le multicouche, vous pouvez procéder à l'arrangement du nombre de couches dans la pile PCB.

Conception PCB laminé

La prochaine étape dans la conception de la stratification de PCB consiste à organiser chaque couche pour fournir le câblage. Les empilements sont généralement disposés symétriquement autour d'un noyau central pour éviter le gauchissement lors de l'assemblage et du fonctionnement à haute température. La disposition de la couche plane et de la couche de signal est essentielle pour le câblage de contrôle d'impédance, car il est nécessaire d'utiliser des équations spécifiques pour différents arrangements de câblage pour assurer le contrôle d'impédance.

Pour les conceptions de stratifiés rigides et flexibles, il est nécessaire de définir différentes zones dans le stratifié pour les zones rigides et flexibles. Les outils de conception de couches dans Allegro facilitent ce processus. Après avoir capturé le schéma en tant que disposition PCB vierge, vous pouvez définir une pile de couches et convertir entre les différentes couches. Vous pouvez ensuite procéder à la détermination de la taille de câblage requise pour le câblage à impédance contrôlée.

Ligne ruban et ligne microruban et impédance contrôlée

Pour contrôler l'impédance, le câblage de la couche interne entre deux couches planes doit être conçu à l'aide de l'équation d'impédance de la ligne à ruban. Cette équation définit la géométrie nécessaire pour qu'une ligne à ruban ait une valeur d'impédance caractéristique particulière. Comme il y a trois paramètres géométriques différents dans l'équation pour déterminer l'impédance, il est facile de déterminer d'abord le nombre de couches nécessaires, car cela déterminera l'épaisseur de la couche pour une épaisseur de plaque donnée. Le poids de cuivre de la couche plane du signal interne est généralement de 0,5 ou 1 oz / Pieds carrés Ceci utilise la largeur de ligne comme paramètre pour déterminer l'impédance d'une caractéristique particulière.

Le même processus s'applique aux lignes microruban sur la couche superficielle. Après avoir déterminé l'épaisseur de la couche et le poids du cuivre, il vous suffit de déterminer la largeur de ligne utilisée pour définir l'impédance caractéristique. L'outil de conception de PCB comprend un calculateur d'impédance qui peut vous aider à dimensionner votre câblage et ainsi définir

Impédance fractale. Si vous avez besoin de paires de différence, définissez simplement les lignes dans chaque couche comme paires de différence et le calculateur d'impédance déterminera l'espacement correct entre les lignes.

Ils peuvent être couplés électriquement ou inductivement à d'autres traces et conducteurs lors du câblage réel sur la carte. La capacité parasite et l'inductance des conducteurs voisins modifient l'impédance de câblage dans la disposition réelle. Pour vous assurer que vous avez atteint vos objectifs d'impédance pour toutes les couches de votre pile, vous avez besoin d'un outil d'analyse d'impédance pour suivre l'impédance de l'ensemble du réseau de signaux sélectionné. Si vous voyez de gros changements inacceptables dans la disposition de votre PCB, vous pouvez rapidement choisir le câblage et l'ajuster pour éliminer ces changements d'impédance dans l'interconnexion.

Les grandes variations d'impédance le long des traces sont marquées en rouge. L'espacement entre les traces de cette zone doit être ajusté pour éliminer ces variations d'impédance ou les placer dans des tolérances acceptables. Vous pouvez définir les tolérances d'impédance souhaitées dans les règles de conception et, après la mise en page, l'outil calculateur d'impédance vérifiera le câblage en fonction de la valeur d'impédance souhaitée.

Dans la discussion ci - dessus, nous avons examiné uniquement les signaux numériques, car ils sont plus exigeants que les systèmes analogiques. Que diriez - vous d'une carte analogique complète ou d'une carte à signaux mixtes? L'intégrité de l'alimentation est beaucoup plus facile pour une carte analogique, mais l'intégrité du signal est beaucoup plus difficile. Pour les tableaux à signaux mixtes, vous devez combiner la méthode numérique présentée ci - dessus avec la méthode analogique décrite ici.

Isolation du signal

L'autre option est plus et nécessite l'utilisation de poudre de cuivre de mise à la terre ou d'une clôture pour assurer l'isolation entre les différentes parties de la planche. Si la coulée à la terre est effectuée à côté du câblage analogique, un guide d'onde coplanaire avec une isolation élevée vient d'être créé, un choix commun pour le routage des signaux analogiques haute fréquence. Si vous utilisez une clôture ou une autre structure d'isolation conductrice à haute fréquence, vous devez utiliser un solveur de champ électromagnétique pour vérifier l'isolation et déterminer si l'isolation dans les différentes couches de signal doit être sélectionnée.

Programme de retour

Le mélange des signaux analogiques et numériques sur la carte impose des exigences strictes pour suivre le courant de déplacement de la boucle de terre et l'isolation entre les composants numériques et analogiques de la carte. La disposition de la carte doit être telle que les boucles analogiques ne se croisent pas à proximité des composants numériques et vice versa. Cela divise simplement les signaux numériques et analogiques en différentes couches séparées par leurs couches de terre respectives. Bien que cela augmente les coûts, il assure une isolation entre les différents composants.

Si le composant analogique est extrait d'une source d'alimentation alternative, il est également possible que le composant analogique nécessite une carte d'alimentation analogique dédiée. C'est un cas rare en dehors de l'électronique de puissance, mais il est conceptuellement facile à gérer tant que vous pouvez analyser la planification du chemin de retour. Si la partie analogique de puissance est située en amont et séparée de la partie numérique de signal, un seul plan de puissance peut être dédié aux deux signaux. Si les boucles sont correctement planifiées, les interférences entre les différentes sources d'alimentation et les composants mis à la terre peuvent être évitées. Pour une alimentation en courant continu avec un régulateur de commutation, le bruit de commutation de la partie continue doit être séparé de la partie AC, tout comme le signal numérique doit être séparé du signal analogique.