Notizie PCB - Problemi di stack-up nella progettazione PCB ad alta velocità

Con l'emergere continuo di circuiti ad alta velocità, la complessità delle schede PCB sta diventando sempre più elevata. Al fine di evitare interferenze da fattori elettrici, lo strato di segnale e lo strato di potenza devono essere separati, quindi è coinvolta la progettazione di PCB multistrato. Nella progettazione di schede multistrato, la disposizione degli strati è particolarmente importante. Un buon design dello stack ridurrà notevolmente l'impatto di EMI e crosstalk. Nella discussione seguente, analizzeremo specificamente come la progettazione dello stack influisce sulle prestazioni elettriche dei circuiti ad alta velocità.

uno. Scheda multistrato e strato di rame (piano) Rispetto alle schede PCB ordinarie nella progettazione di schede multistrato, oltre ad aggiungere i necessari strati di cablaggio del segnale, la cosa più importante è organizzare l'alimentazione indipendente e gli strati di terra (strati di rame). Nei sistemi di circuiti digitali ad alta velocità, i vantaggi di utilizzare potenza e terra per sostituire i bus di alimentazione e terra precedenti sono principalmente: Fornire una tensione di riferimento stabile per la conversione dei segnali digitali. Applicare uniformemente l'alimentazione a ogni dispositivo logico allo stesso tempo Sopprimere efficacemente la conversazione incrociata tra i segnali La ragione è che l'uso di una grande area di rame come l'alimentazione elettrica e lo strato di terra riduce notevolmente la resistenza tra l'alimentazione elettrica e il terreno, di modo che la tensione sullo strato di alimentazione è molto uniforme e stabile, Allo stesso tempo, l'impedenza caratteristica della linea del segnale è ridotta, che è anche molto utile per ridurre efficacemente la conversazione incrociata. Pertanto, per alcuni progetti di circuiti ad alta velocità di fascia alta, è stato chiaramente stabilito che deve essere utilizzata una soluzione di impilamento a 6 strati (o più), come i requisiti Intel per schede PCB per moduli di memoria PC133. Ciò sta principalmente considerando le caratteristiche elettriche della scheda multistrato, nonché la soppressione delle radiazioni elettromagnetiche e anche la capacità di resistere ai danni fisici e meccanici è significativamente migliore della scheda PCB a basso strato. Se si considera il fattore di costo, non è che più strati più costoso è il prezzo, perché il costo della scheda PCB non è solo correlato al numero di strati, ma anche alla densità del cablaggio per unità di area. Dopo aver ridotto il numero di strati, il cablaggio Lo spazio sarà inevitabilmente ridotto, aumentando così la densità delle tracce, e anche i requisiti di progettazione devono essere ridotti riducendo la larghezza della linea e accorciando la distanza. Spesso l'aumento dei costi causato da questi può superare la riduzione dei costi riducendo lo stack. Insieme al deterioramento delle prestazioni elettriche, questo approccio è spesso controproducente. Pertanto, per i progettisti, tutti gli aspetti devono essere considerati.

due. L'influenza dello strato del piano di terra sul segnale ad alta frequenza Se prendiamo il cablaggio del microcircuito PCB come modello di linea di trasmissione, allora lo strato del piano di terra può anche essere considerato come parte della linea di trasmissione. Qui, il concetto di "loop" può essere utilizzato per sostituire il concetto di "terra". Lo strato di rame macinato è in realtà un segnale Il percorso di ritorno della linea. Lo strato di potenza e lo strato di terra sono collegati da un gran numero di condensatori di disaccoppiamento. Nel caso di AC, lo strato di potenza e lo strato di terra possono essere considerati equivalenti. Qual è la differenza tra il ciclo corrente a bassa frequenza e ad alta frequenza? Dalla figura sottostante, possiamo vedere che a bassa frequenza, la corrente scorre indietro lungo il percorso con la più piccola resistenza, mentre ad alta frequenza, la corrente è lungo la più piccola induttanza. Il flusso di ritorno del loop è anche il percorso con la minore impedenza e la corrente del loop è concentrata e distribuita direttamente sotto la traccia del segnale. Alle alte frequenze, quando un cavo è disposto direttamente sullo strato di terra, anche se c'è un ciclo più corto, la corrente del ciclo deve fluire direttamente dallo strato di cablaggio sotto il percorso del segnale originario alla sorgente del segnale. Questo percorso ha la più piccola impedenza, cioè l'induttanza. La capacità più piccola e più grande. Questo metodo di sopprimere il campo elettrico da grande accoppiamento capacitivo e sopprimere il campo magnetico da piccolo accoppiamento induttivo per mantenere bassa reattività è chiamato auto-schermatura. La seguente formula riflette la legge che la densità di corrente sul percorso di ritorno sotto la linea del segnale cambia con varie condizioni: una conclusione può essere tratto dalla formula: sul ciclo corrente, più vicina è la posizione alla linea del segnale, maggiore è la densità di corrente. In questo caso, l'area dell'intero ciclo è la più piccola e l'induttanza è anche la più piccola. Allo stesso tempo, si può immaginare che se la linea del segnale e il loop sono molto vicini, le correnti dei due sono approssimativamente le stesse e le direzioni sono opposte. I campi magnetici generati nello spazio esterno possono annullarsi a vicenda, quindi l'EMI verso il mondo esterno è anche molto piccolo. Pertanto, è meglio assicurarsi che ogni strato di cablaggio del segnale abbia uno strato di piano di terra vicino corrispondente alla disposizione di impilamento. Considera ora il problema del crosstalk sul piano terra. Nei circuiti digitali ad alta frequenza, la causa principale del crosstalk è il risultato dell'accoppiamento induttivo. Si può vedere dalla formula di distribuzione della densità di corrente di loop sopra che quando più linee di segnale sono relativamente vicine, le correnti di loop reciproche si sovrappongono. In questo momento, i campi magnetici tra i due interferiranno inevitabilmente l'uno con l'altro, generando rumore crosstalk. L'ampiezza della tensione crosstalk è correlata alla distanza D tra le linee del segnale, all'altezza H del piano di terra e al coefficiente K, come mostrato nella figura seguente: Nella formula, K è correlata al tempo di salita del segnale e alla lunghezza della linea del segnale che interferisce tra loro. Per la configurazione impilata, è senza dubbio che accorciare la distanza tra lo strato di segnale e lo strato di terra ridurrà efficacemente la crosstalk del piano di terra. Nel layout reale del PCB, un tale problema è spesso riscontrato. Se non si presta attenzione alla pavimentazione in rame dell'alimentazione elettrica e dello strato di terra, una scanalatura isolata può apparire nell'area di pavimentazione in rame. Questa situazione è spesso dovuta a vias. È causato da progettazione irragionevole dell'area di isolamento o tramite foro (come mostrato in figura). La conseguenza è quella di rallentare il tempo di salita e aumentare l'area del loop, che porta ad un aumento dell'induttanza, che è incline a crosstalk e EMI inutili. Dobbiamo evitare questo fenomeno. L'induttanza aumentata dovuta alla deviazione della corrente del ciclo può essere approssimativamente espressa come: L=5Dln (D/W)D rappresenta la distanza verticale dalla linea del segnale all'estremità più vicina dello slot rotto e W è la larghezza della linea della traccia.

tre. Diversi schemi laminati tipici e analisi Dopo aver compreso le conoscenze di base di cui sopra, possiamo disegnare il piano di progettazione laminato corrispondente. In generale, prova a seguire le seguenti regole:

Gli strati di rame dovrebbero preferibilmente essere disposti in coppia. Ad esempio, i 2, 5 o 3, 4 strati della scheda a sei strati dovrebbero essere rame insieme. Ciò è dovuto al requisito di una struttura equilibrata nel processo, perché strati di rame sbilanciati possono causare deformazione PCB Warpage della scheda. Lo strato di segnale e lo strato di rame dovrebbero essere posizionati a intervalli ed è meglio che ogni strato di segnale possa essere adiacente ad almeno uno strato di rame. Ridurre la distanza tra l'alimentazione elettrica e lo strato di terra favorisce la stabilità dell'alimentazione elettrica e la riduzione dell'EMI. In caso di velocità molto elevata, è possibile aggiungere un ulteriore strato di terra per isolare il livello del segnale, ma si consiglia di non aggiungere più strati di potenza da isolare, che possono causare interferenze di rumore inutili. Ma la situazione attuale è che i vari fattori sopra menzionati non possono essere soddisfatti contemporaneamente. In questo momento, dobbiamo considerare una soluzione relativamente ragionevole. Diversi schemi di progettazione laminati tipici sono analizzati di seguito: Analizzare in primo luogo il design laminato della scheda a quattro strati. In generale, per circuiti ad alta velocità più complessi, è meglio non utilizzare una scheda a 4 strati, perché ha una serie di fattori instabili, sia in termini di caratteristiche fisiche che elettriche. Se devi progettare una scheda a quattro strati, puoi considerare di impostarla come: potenza-segnale-segnale-terra. C'è una soluzione migliore: i due strati esterni sono entrambi messi a terra e vengono utilizzate le linee interne di alimentazione e segnale a due strati. Questa soluzione è la migliore soluzione di impilamento per la progettazione di schede a quattro strati. Ha un eccellente effetto di soppressione sull'EMI ed è anche molto utile per ridurre l'impedenza della linea di segnale. Le schede con maggiore densità di cablaggio sono più difficili. Quanto segue si concentra sulla progettazione dello stack di schede a sei strati. Ora molti circuiti stampati utilizzano la tecnologia della scheda a 6 strati, come la progettazione di schede PCB del modulo di memoria. La maggior parte di loro utilizza schede a 6 strati (moduli di memoria ad alta capacità possono utilizzare schede a 10 strati). Lo stack di schede a 6 strati più convenzionale è organizzato in questo modo: segnale-terra-segnale-segnale-potenza-segnale. Dal punto di vista del controllo dell'impedenza, questa disposizione è ragionevole, ma poiché l'alimentazione elettrica è lontana dal piano di terra, è relativamente L'effetto di radiazione di piccola modalità comune EMI non è molto buono. Se si cambia l'area del rame a strati 3 e 4, causerà un cattivo controllo dell'impedenza del segnale e un forte modo differenziale EMI. C'è anche un piano per aggiungere uno strato del piano di terra, il layout è: segnale-terra-segnale-potenza-segnale-terra, in modo che non importa dal punto di vista del controllo dell'impedenza o dalla prospettiva di ridurre l'EMI, possa raggiungere l'ambiente di progettazione dell'integrità del segnale ad alta velocità necessario. Ma lo svantaggio è che l'impilamento degli strati è sbilanciato. Il terzo strato è uno strato di cablaggio del segnale, ma il quarto strato corrispondente è uno strato di potenza con una grande area di rame. Questo può incontrare alcuni problemi nella produzione di PCB. Durante la progettazione, tutte le aree vuote sul terzo strato possono essere coperte di rame per ottenere l'effetto di una struttura equilibrata approssimativa. L'implementazione di circuiti più complessi richiede l'uso della tecnologia di schede a dieci strati. La scheda PCB a 10 strati ha uno strato dielettrico isolante molto sottile e lo strato di segnale può essere molto vicino al piano di terra. In questo modo, il cambiamento di impedenza tra gli strati è molto ben controllato. Generalmente, finché non appare Con gravi errori di progettazione dello stack, i progettisti possono facilmente completare progetti di circuiti stampati ad alta velocità di alta qualità. Se il cablaggio è molto complicato e richiede più strati di cablaggio, possiamo impostare lo stack come: segnale-segnale-terra-segnale-segnale-segnale-segnale-segnale-potenza-segnale-segnale, naturalmente questa situazione non è la nostra migliore Sì, richiediamo che le tracce del segnale siano disposte in un piccolo numero di strati, ma per isolare altri strati di segnale con strati di terra ridondanti, Quindi lo schema di accatastamento più comune è: segnale-segnale-terra-segnale-potenza-segnale-terra-segnale-segnale-terra, si può vedere che qui vengono utilizzati tre strati del piano di terra e viene utilizzato solo un alimentatore (consideriamo solo il caso di un singolo alimentatore). Questo perché, sebbene lo strato di potenza abbia lo stesso effetto di controllo dell'impedenza dello strato piano di terra, la tensione sullo strato di potenza è soggetta a maggiori interferenze, ci sono più armoniche di alto ordine e l'EMI al mondo esterno è anche forte, quindi va con il segnale. Come lo strato di filo, è meglio essere schermati dal piano di terra. Allo stesso tempo, se viene utilizzato uno strato di potenza in eccesso per l'isolamento, la corrente loop dovrà essere convertita dal piano di terra al piano di potenza attraverso il condensatore di disaccoppiamento. In questo modo, una caduta eccessiva di tensione sul condensatore di disaccoppiamento causerà inutili effetti di rumore.

Quattro. Quanto sopra discute solo alcuni dei problemi incontrati nella progettazione di stack PCB. Le specifiche dovrebbero essere determinate in base alla situazione reale. Nell'ambito della capacità, è spesso necessario prendere in considerazione la qualità del segnale e il costo. Mentre eseguiamo la progettazione dello schema laminato in conformità con i principi teorici sopra descritti, dobbiamo anche considerare alcuni altri principi di cablaggio per cooperare, come la direzione di ogni strato, la definizione della larghezza della linea di alimentazione dello strato del segnale e il disaccoppiamento Il posizionamento dei condensatori e così via. Solo considerando in modo esauriente i vari fattori possiamo finalmente progettare un circuito stampato con prestazioni migliori.

Quanto sopra è un'introduzione al problema dell'impilamento della progettazione PCB ad alta velocità. Ipcb è fornito anche ai produttori di PCB e alla tecnologia di produzione PCB.