Công nghệ PCB - Về sự lựa chọn cấu trúc xếp chồng thiết kế PCB

Trước khi thiết kế PCB nhiều lớp, nhà thiết kế PCB trước tiên cần xác định cấu trúc bảng được sử dụng dựa trên kích thước mạch, kích thước bảng và các yêu cầu về khả năng tương thích điện từ (EMC), tức là quyết định có nên sử dụng bảng 4, 6 hoặc nhiều lớp hay không. Sau khi xác định số lớp, hãy xác định vị trí của các lớp điện bên trong và cách phân bổ các tín hiệu khác nhau trên các lớp đó. Đây là sự lựa chọn của cấu trúc xếp chồng PCB nhiều lớp. Cấu trúc xếp chồng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất tương thích điện từ của tấm in và cũng là một phương tiện quan trọng để ức chế nhiễu điện từ. Phần này mô tả những gì liên quan đến cấu trúc xếp chồng PCB nhiều lớp. Sau khi xác định số lượng các lớp năng lượng, hình thành và tín hiệu, sự sắp xếp tương đối của chúng là một chủ đề mà mọi kỹ sư PCB không thể tránh khỏi.

1. Nguyên tắc chung của bố trí lớp bảng mạch:

1. Để xác định cấu trúc nhiều lớp của bảng mạch PCB nhiều lớp, cần xem xét nhiều yếu tố. Từ quan điểm hệ thống dây điện, càng nhiều lớp, hệ thống dây điện càng tốt, nhưng chi phí và độ khó của việc làm tấm cũng sẽ tăng lên. Đối với các nhà sản xuất, liệu cấu trúc nhiều lớp có đối xứng hay không là trọng tâm cần chú ý khi sản xuất bảng mạch PCB, vì vậy việc lựa chọn số lượng lớp cần xem xét các khía cạnh khác nhau của nhu cầu để đạt được sự cân bằng tối ưu.

2. Đáy của bề mặt phần tử (lớp thứ hai) là mặt phẳng nối đất, cung cấp lớp che chắn của thiết bị và mặt phẳng tham chiếu của hệ thống dây dẫn trên cùng; Lớp tín hiệu nhạy cảm nên nằm cạnh lớp điện bên trong (nguồn điện bên trong/hình thành), sử dụng màng đồng lớp điện bên trong lớn để che chắn lớp tín hiệu. Lớp truyền tín hiệu tốc độ cao trong mạch phải là lớp trung gian tín hiệu và kẹp giữa hai lớp điện bên trong. Bằng cách này, màng đồng của hai lớp điện bên trong có thể cung cấp lá chắn điện từ cho việc truyền tín hiệu tốc độ cao, đồng thời có thể hạn chế hiệu quả bức xạ của tín hiệu tốc độ cao giữa hai lớp điện bên trong mà không gây nhiễu bên ngoài.

3. Tất cả các lớp tín hiệu càng gần mặt đất càng tốt.

4. Cố gắng tránh hai lớp tín hiệu liền kề trực tiếp; Dễ dàng giới thiệu nhiễu xuyên âm giữa các lớp tín hiệu liền kề, dẫn đến chức năng mạch bị hỏng. Thêm một mặt phẳng nối đất giữa hai lớp tín hiệu có thể tránh được nhiễu xuyên âm một cách hiệu quả.

5. Nguồn điện chính càng gần nó càng tốt.

6. Xem xét tính đối xứng của cấu trúc nhiều lớp.

2. Cấu trúc xếp chồng thường được sử dụng trong thiết kế PCB:

4 lớp tấm

Ví dụ sau đây sử dụng các tấm 4 lớp để minh họa cách sắp xếp và kết hợp các cấu trúc nhiều lớp khác nhau có thể được tối ưu hóa.

Đối với bảng 4 lớp thường được sử dụng, có một số phương pháp xếp chồng (từ trên xuống dưới):

(1) Siganl_1 (trên cùng), GND (bên trong_1), POWER (bên trong_2), Siganl_2 (dưới cùng).

(2) Siganl_1 (trên cùng), POWER (bên trong_1), GND (bên trong_2), Siganl_2 (dưới cùng).

(3) POWER (trên cùng), Siganl_1 (bên trong_1), GND (bên trong_2), Sigan_2 (bên dưới).

Rõ ràng, Phương án 3 thiếu sự kết hợp hiệu quả giữa các lớp công suất và hệ thống và không nên được áp dụng.

Vậy làm thế nào để chọn phương án 1 và phương án 2? Trong trường hợp bình thường, nhà thiết kế sẽ chọn tùy chọn 1 làm cấu trúc của bảng 4 tầng. Sở dĩ lựa chọn, không phải bởi vì không thể áp dụng phương án 2, mà là bởi vì bảng mạch PCB thông thường chỉ đặt thành phần ở tầng trên cùng, cho nên áp dụng phương án 1 thích hợp hơn. Tuy nhiên, khi các yếu tố cần được đặt trên cả lớp trên và lớp dưới cùng cùng một lúc, và độ dày điện môi giữa các lớp công suất bên trong và lớp tiếp xúc là lớn và sự kết hợp kém, cần phải xem xét lớp nào có ít đường tín hiệu hơn. Đối với tùy chọn 1, có ít đường tín hiệu hơn ở phía dưới cùng và có thể sử dụng một khu vực rộng lớn của màng đồng để ghép nối với lớp POWER; Ngược lại, nếu các thành phần được sắp xếp chủ yếu ở tầng trệt, bạn nên sử dụng tùy chọn 2 để tạo bảng.

Bảng 6 lớp

Sau khi hoàn thành phân tích cấu trúc xếp chồng của bảng 4 lớp, ví dụ sau đây sử dụng kết hợp bảng 6 lớp để minh họa sự sắp xếp và kết hợp của bảng 6 lớp và phương pháp ưa thích. (1) Siganl_1 (trên cùng), GND (bên trong_1), Siganl_2 (bên trong_2), Siganl_3 (bên trong_3), POWER (bên trong_4) và Siganl_4 (bên dưới). Giải pháp 1 sử dụng 4 lớp tín hiệu và 2 nguồn điện/hệ thống bên trong. Nó có nhiều lớp tín hiệu hơn và có lợi cho công việc định tuyến giữa các yếu tố. Tuy nhiên, những thiếu sót của giải pháp này cũng rõ ràng hơn, thể hiện ở hai khía cạnh sau.

1. Lớp điện và hình thành được tách ra rất xa và không được ghép nối đầy đủ.

2. Các lớp tín hiệu Siganl_2 (Inner_2) và Siganl_3 (Inner_3) trực tiếp liền kề, do đó cách ly tín hiệu không tốt và dễ xảy ra nhiễu xuyên âm. (2) Siganl_1 (trên cùng), Siganl_2 (bên trong_1), POWER (bên trong_2), GND (bên trong_3), Sigan_3 (bên trong_4), Sigan_4 (bên dưới).

So với Phương án 1, các lớp công suất và hình thành trong Phương án 2 được ghép nối hoàn toàn và có những lợi thế nhất định so với Phương án 1. Tuy nhiên, các lớp tín hiệu của Siganl_1 (trên) và Siganl_2 (bên trong_1) và Siganl_3 (bên trong_4) và Sigan_4 (bên dưới) được kết nối trực tiếp. Liền kề, tính cách ly tín hiệu không tốt, vấn đề dễ sinh ra nhiễu xuyên âm vẫn chưa được giải quyết.

(3) Siganl_1 (trên cùng), GND (bên trong_1), Siganl_2 (bên trong_2), POWER (bên trong_3), GND (bên trong_4) và Siganl_3 (bên dưới).

Phương án 3 có ít lớp tín hiệu hơn và nhiều lớp điện bên trong hơn Phương án 1 và Phương án 2. Mặc dù giảm các lớp có thể được sử dụng để định tuyến, giải pháp này giải quyết các thiếu sót phổ biến của giải pháp 1 và 2.

1. Máy bay cung cấp điện và máy bay nối đất được ghép nối chặt chẽ.

2. Mỗi lớp tín hiệu liền kề trực tiếp với lớp điện bên trong và cách ly hiệu quả với các lớp tín hiệu khác, không dễ xảy ra nhiễu xuyên âm.

Siganl_2 (Inner_2) liền kề với hai lớp điện bên trong, GND (Inner_1) và POWER (Inner_3), có thể được sử dụng để truyền tín hiệu tốc độ cao. Hai lớp điện bên trong có thể ngăn chặn hiệu quả sự can thiệp từ bên ngoài vào lớp Siganl_2 (Inner_2) và Siganl_2 (Inner_2) từ bên ngoài.

Tổng hợp lại, phương án 3 hiển nhiên là phương án có mức độ ưu hóa cao nhất. Bên cạnh đó, Phương án 3 cũng là kết cấu lớp thường dùng của 6 tầng bảng.

Bảng 10 lớp

Thiết kế bảng 10 lớp điển hình cho PCB

Thứ tự cáp thông thường là TOP - GND - Lớp tín hiệu - Lớp nguồn - GND - Lớp tín hiệu - Lớp công suất - Lớp tín hiệu - GND - BOTTOM

Thứ tự định tuyến không nhất thiết phải cố định, nhưng có một số tiêu chuẩn và nguyên tắc hạn chế nó: ví dụ, các lớp liền kề ở tầng trên cùng và tầng dưới cùng sử dụng GND để đảm bảo các đặc tính EMC của veneer; Ví dụ, mỗi lớp tín hiệu thích sử dụng lớp GND làm mặt phẳng tham chiếu; Nguồn điện được sử dụng trong toàn bộ veneer được ưu tiên đặt trên toàn bộ miếng đồng; Dễ cảm nhận, tốc độ cao, có xu hướng nhảy dọc theo các lớp bên trong, v.v.

III. Trường hợp cải tiến cấu trúc xếp chồng thiết kế PCB

Câu hỏi

Sản phẩm có 8 cổng mạng và cổng quang. Trong thử nghiệm, người ta phát hiện ra rằng việc gỡ lỗi tín hiệu giữa cổng quang nhóm thứ tám và chip không thành công, dẫn đến cổng quang 8 không thể gỡ lỗi, không hoạt động và 7 cổng quang khác giao tiếp bình thường.

1. Xác nhận vấn đề

Theo thông tin được cung cấp bởi khách hàng, xác nhận rằng hai dây cản khác biệt giữa cổng quang lớp L6 8 và chip 8 không thể được gỡ lỗi;

Theo thông tin được cung cấp bởi khách hàng, xác nhận rằng hai dây cản khác biệt giữa cổng quang 8 và chip lớp L6 8 không thể được gỡ lỗi

2. Xếp chồng và yêu cầu thiết kế do khách hàng cung cấp

Cải thiện hiệu quả

Vấn đề lỗi hệ thống do nhiễu xuyên âm được giải quyết bằng cách điều chỉnh cấu trúc xếp chồng PCB để tăng khoảng cách giữa các lớp tín hiệu liền kề của lớp L56.