Die Leiterplatte der meisten Geräte, die Werke zuverlässig bei sehr hohen Geschwindigkeiten und Genauigkeit ist in der Regel entworfen, um zu haben Mehrere Schichten, die die Stromverteilung und die Hochgeschwindigkeits-Signalwege verwalten. NVIDIAs GPUs der GeForce RTX 30-Serie verfügen über Platinen mit etwa 20 Schichten, um die verschiedenen Grafikkartenfunktionen zu verwalten. Bedeutet das, je höher die Anzahl der Schichten, desto besser das Board ist?
In jüngster Zeit setzen verschiedene Branchen wie Unterhaltungselektronik und Telekommunikation verstärkt auf Multilayer-Leiterplatten (PCB-Stackup), vor allem um Rauschen zu reduzieren, anspruchsvollere Produktversionen zu entwickeln und die Gesamteffizienz der Leiterplatte zu verbessern. Der Markt für Multilayer-Leiterplatten wird 2023 rund 88.1 Milliarden US-Dollar wert sein. Prognosen zufolge wird er bis 145.09 auf knapp 2032 Milliarden US-Dollar anwachsen. Kurz gesagt: Jeder PCB-Designer, der im Markt bestehen bleiben möchte, muss die Best Practices für PCB-Stackup beherrschen. Der Ausbau der 5G-Technologie und der Elektrofahrzeuge wird künftig anspruchsvollere Multilayer-Platinen erfordern.
Was ist ein PCB-Stackup?
PCB-Stackup Bezeichnet die Anordnung der einzelnen Lagen einer Leiterplatte, wobei der Schwerpunkt auf den elektrischen Eigenschaften jeder Lage und der gesamten Leiterplatte liegt. Beim PCB-Design wird dem Lagenaufbau große Aufmerksamkeit geschenkt, da er maßgeblich die Anfälligkeit der Leiterplatte gegenüber externem Rauschen, Übersprechen und elektromagnetischen Störungen bestimmt. Man kann davon ausgehen, dass die Gesamteffizienz einer Leiterplatte nicht nur von der Richtigkeit der Schaltung abhängt; eine falsche Schaltungsanordnung kann auch eine perfekt konstruierte Schaltung ruinieren.
Das Bild unten stellt eine PCB-Schicht perfekt dar aufstapelnHier sehen wir eine grafische Darstellung einer vierlagigen Leiterplatte mit einer angenommenen Dicke von 4 mm. Jede Lage konzentriert sich auf ein anderes elektrisches Signal. Die Lagen 1.6 und 1 bilden die Signalebene, während Lage 4 die Masseebene (GND) und Lage 2 die Stromversorgungsebene (PWR) darstellt.
Bedeutung des PCB-Stack-Up-Designs
Es stimmt, dass das Stapeln den Herstellungs- und Montageprozess von Leiterplatten manchmal komplexer macht, was sich auf die Kosten und den Montagekomfort auswirkt. Warum stapeln PCB-Designer immer noch verschiedene Schichten in einem PCB-Design, wenn sich ein Schaltungsdesign problemlos auf einer ein- oder zweiseitigen Platine darstellen lässt? Um diese Frage präzise zu beantworten, müssen wir die Auswirkungen eines durchdachten PCB-Stackups auf ein PCB-Design untersuchen.
Signalintegritätsmanagement: In einer typischen Schaltung, in der Signale (insbesondere Hochfrequenz- und HF-Signale) von einem Teil der Platine zu einem anderen übertragen werden, ist die Schaltung bei unsachgemäßer Handhabung besonders anfällig für Signalreflexionen, Signalverluste und Übersprechen. Der PCB-Stackup bietet dem Designer mehr Flexibilität und Kontrolle, um diese potenziellen Probleme bei sorgfältiger Implementierung zu vermeiden oder deutlich zu reduzieren. Eine sorgfältige Implementierung umfasst in diesem Zusammenhang die strategische Anordnung jeder Lage und die Kontrolle der Leiterbahnimpedanz zwischen den Leiterbahnen.
Kontrolle elektromagnetischer Interferenzen (EMI): EMI tritt auf, wenn das in einem Schaltkreis erzeugte elektromagnetische Feld einen anderen Schaltkreis stört und dort Rauschen oder andere Probleme verursacht. Eine gängige Methode zur Vermeidung von EMI in einem Schaltkreis besteht darin, Masseschichten neben einer Signalschicht zu platzieren. Dies bedeutet, dass eine koordinierte PCB Der Stapelaufbau ist für die Beseitigung elektromagnetischer Störungen von entscheidender Bedeutung.
Wärmemanagement: Was nützt eine unkontrolliert erhitzte Stromversorgung? Wärmemanagement ist entscheidend für die Entwicklung einer zuverlässigen Leiterplatte. Bei den meisten Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen mit übermäßiger Hitzeentwicklung lässt sich die Wärmeableitung durch eine sorgfältige Planung des Aufbaus deutlich verbessern. Die Auswahl der richtigen Materialien (z. B. Kupfer für eine effiziente Wärmeleitfähigkeit), die richtige Schichtdicke und die gezielte Nutzung der Massefläche tragen zur optimalen Wärmeverteilung auf der Platine bei.
Arten von PCB-Stackup
Der PCB-Stackup kann in verschiedene Typen eingeteilt werden, hauptsächlich abhängig von der Anwendung und den Designanforderungen. Jedes Design beeinflusst die Leistung, Flexibilität, Wärmeableitung und verschiedene weitere Eigenschaften der Leiterplatte individuell. Hier sind vier gängige PCB-Typen, die Sie als PCB-Designer oder angehender PCB-Designer kennen sollten.
Mehrschichtig PCB-Stapelup: Mehrschichtige Leiterplatten bestehen aus mindestens drei Schichten leitfähigen Materials, die durch dielektrische (isolierende) Schichten getrennt sind. Das innere Signal, die Stromversorgung oder die Erdung befinden sich zwischen den dielektrischen Materialien. Die Gesamtzahl der Schichten reicht von 4 bis über 30. Mit zunehmender Anzahl der Schichten wird das Design jedoch komplexer.
Viele moderne Elektronikplatinen, darunter Computer-Motherboards, Smartphone-Platinen, medizinische Geräte und viele mehr, bestehen aus mehrschichtigen Schichten. Ihre Fähigkeit, Störungen und Übersprechen zu bewältigen, macht sie ideal für Hochgeschwindigkeitsdesigns wie SMPS (Schaltnetzteile). Die Komplexität rechtfertigt ihre Fähigkeit, Störungen und Übersprechen zu bewältigen.
HDI (High-Density-Verbindung) PCB Stapelnup: Sie können schnell einen HDI identifizieren PCB Stapelaufbau durch seine extrakleinen, dichten Schichten. Es verfügt über eine erhöhte Drahtdichte und verwendet Mikrovias mit einem Aspektverhältnis von 0.751, blinde und vergrabene Vias sowie feine und superkleine Spuren.
Wenn Sie an Miniaturisierung denken, denken Sie an HDI PCB Stapelung. Sie werden hauptsächlich bei Platzmangel oder hohen Geschwindigkeitsanforderungen eingesetzt. Sie finden sich in Smartphones, Wearables und anderen kompakten elektronischen Geräten. HDI PCB Stapel werden durch sequentielle Laminierung aufgebaut.
Flex und Rigid-Flex PCB Stapelnup: Flexibel PCB Stapel-bestehen aus flexiblen Materialien (wie Polyimid), wodurch sie biegbar sind, ohne zu brechen. In ähnlicher Weise sind starr-flexible PCB Stapelaufbauten bestehen aus einer Kombination von Schichten aus flexiblen und starren Materialien und sind sorgfältig darauf ausgelegt, den Belastungen beim Biegen standzuhalten.
Sie passen sich perfekt an einzigartige Formen an und können Bewegungen ohne Bruch aushalten. Sie finden Anwendung in medizinischen Geräten, der Luft- und Raumfahrt und anderen Anwendungen, die Anpassungsfähigkeit an Bewegungen und Vibrationen erfordern.
Metallkern PCB-Stack-Up: Möglicherweise haben Sie eine dieser Platinen schon einmal in LED-Beleuchtungen gesehen. Metallkern-Leiterplatten bestehen aus Metallschichten, meist Aluminium oder Kupfer, und eignen sich hervorragend zur Ableitung überschüssiger Wärme. MCPCBs machen in der Regel einen zusätzlichen Kühlkörper überflüssig und verhindern, dass Komponenten durch Hitze beschädigt werden. Sie werden häufig in LED-Beleuchtungen und anderen Hochleistungsanwendungen eingesetzt.
PCB-Layer-Stackup Designbetrachtung
Der PCB-Stackup dient dem Erreichen bestimmter Ziele im PCB-Design. Diese Ziele müssen vor Beginn des Designs klar definiert und verstanden sein. Das Verständnis Ihrer Designziele und -anforderungen hilft Ihnen bei der Entscheidung über die optimale Lagenanzahl, die Schichtdicke, die Materialauswahl für jeden Stack und weitere technische Aspekte.
Während Sie sich auf das Ergebnis des Designs konzentrieren, müssen Sie die Fähigkeiten des Herstellers verstehen und Ihr Design so anpassen, dass es die DFM-Prüfung (Design for Manufacturer) besteht. Der systematische Ansatz bei der Entscheidung über die besten PCB-Stackup-Typen und -Eigenschaften für ein Design muss mindestens die folgenden Punkte berücksichtigen:
· EMV/EMI-Leistung: Elektromagnetische Verträglichkeit und elektromagnetische Störungen müssen beim PCB-Aufbau eine wichtige Rolle spielen. [Die Beseitigung von elektromagnetischen Störungen lässt sich nicht durch eine zufällige Anordnung der Schichten erreichen.] Um die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen zu unterdrücken, muss eine Leistungsebene gezielt mit einer Masseebene gekoppelt werden. Masseebenen müssen neben Signalebenen platziert werden, um den restlichen Teil der Schaltung vor Störungen zu schützen.
· Machtverteilung: Bei der Planung Ihres PCB-Designs hat das Verständnis der Stromverteilung der Schaltung großen Einfluss auf Ihren Lagenaufbauplan. Eine ordnungsgemäße Planung verhindert eine unnötige Erwärmung der Schaltung, die zu Spannungsabfällen und Verlusten führt.
· Signalintegrität: Der Zweck des PCB-Stackings wird verfehlt, wenn das Signal auf der Schaltung Verzerrungen, Übersprechen oder Verzögerungen erfährt. In Hochfrequenzanwendungen werden Hochfrequenzsignale häufig isoliert und zwischen Masseschichten platziert, um sie vor Störungen zu schützen. Um eine gute Signalintegrität zu erreichen, ist eine gezielte und sorgfältige Planung der einzelnen Schichtanordnungen erforderlich.
Die Gesamteigenschaften Ihrer Leiterplatte, einschließlich Lagenanzahl, Abstand und Materialauswahl für den Leiterplattenaufbau, bestimmen maßgeblich die Effizienz und Funktionalität der Leiterplatte. Ihr Design sollte auf eine optimierte Leiterplatte mit minimalen Problemen ausgerichtet sein.
PCB-Stapeltechniken
Sie können entscheiden, welche Schicht in Ihrem PCB-Design zuerst, danach und zuletzt kommt. Ihr Design besteht die DFM-Prüfung trotzdem. Bei der Auswahl verschiedener Optionen müssen Sie die beste für Ihr Design finden. Hier sind einige Tipps, die Ihnen bei der Wahl des PCB-Stack-Ups helfen.
· Verwalten Signalintegrität und EMI Bei Ihrem Design müssen Sie berücksichtigen, dass Energie im dielektrischen Raum zwischen der Kupferschicht und der Leiterplatte fließt, die lediglich ein Wellenleiter ist. Eine enge Kopplung der Signal- und Masseschicht sowie der Strom- und Masseschicht verhindert die Ausbreitung des Feldes.
· Die Kopplung zweier Signalebenen führt zu Übersprechen im Schaltkreis.
· Eine Verringerung des Abstands zwischen den Strom- und Masseflächen erhöht die Kapazität Ihrer Leiterplatte und verringert die Induktivität. Daher kann die Wahl des richtigen dielektrischen Materials und die Verringerung der Schichtdicke die elektromagnetischen Störungen in einem Leiterplattendesign reduzieren.
· Streifenleitungen (d. h. eine Signal- oder Stromversorgungsebene, die zwischen einer Masseebene eingebettet ist) eignen sich am besten zur Eindämmung von Feldern in Signalen mit höherer Energie oder höherer Geschwindigkeit.
PCB-Stackup Überlegungen zur Herstellung
Es ist wichtig sicherzustellen, dass Ihre Designziele, Ihr Ansatz und Ihr Layout im Rahmen der Möglichkeiten des Herstellers liegen. Wenn Sie beispielsweise Ihre Leiterplatte mit Firma X herstellen,XX, müssen Sie deren Anforderungen prüfen und Ihr Design an die Herstellbarkeit anpassen. Software wie Altium Designer, KiCad und Eagle ermöglicht es Benutzern, die DRC-Einstellung entsprechend den Herstelleranforderungen zu konfigurieren. Wenn ein Leiterplattenhersteller maximal 16 Lagen PCB-Stackup produzieren kann, müssen Sie sicherstellen, dass Ihr Design diese Anforderungen nicht überschreitet.
Um die verschiedenen Techniken beim PCB-Aufbau besser zu verstehen, betrachten wir zwei Varianten des 4-lagigen PCB-Aufbaus. Eine davon ist [Signal, Prepreg, GND, Kern, PWR, Prepreg, Signal+PWR], eine typische Konfiguration, die viele als Standard betrachten. Die andere ist [Signal+PWR, Prepreg, GND, Kern, GND, Prepreg, Signal+PWR], die als bessere Konfiguration gilt.
Bei der ersten Konfiguration sind die obere Signalebene und die Stromversorgungsebene mit der Masseebene gekoppelt, was eine optimale Signalintegrität gewährleistet. Die untere Signalebene liegt jedoch weiterhin direkt neben der Stromversorgungsebene, was das System anfällig für Störungen macht. Dies erklärt, warum diese Option nicht als besonders empfehlenswert gilt.
In der zweiten Konfiguration werden Strom und Signal strategisch auf derselben Ebene geführt, was immer noch in Ordnung ist. Sowohl Signal- als auch Stromebene sind mit einer Masseebene gekoppelt, was eine gute Signalintegrität gewährleistet und elektromagnetische Störungen auf der Platine reduziert.
Beispiele PCB-Stackup
Es gibt mehrere Beispiele für den PCB-Aufbau mit unterschiedlicher Lagenanzahl und unterschiedlicher Anordnung. Dazu gehören:
· 4-lagiger PCB-Aufbau
· 6-lagiger PCB-Aufbau
· 8-lagiger PCB-Aufbau
Fazit
Wenn Sie diesen Artikel bis hierhin gelesen haben, wissen Sie, dass der PCB-Stackup nicht nur für Profis gedacht ist, die ihre Designfähigkeiten unter Beweis stellen möchten, sondern auch für alle, die Leiterplatten mit höherer Effizienz und besserer Leistung entwickeln möchten. Jede Ebene im Stack muss strategisch platziert werden, um entweder das EMI-Problem zu lösen, die Signalintegrität zu optimieren oder die Gesamteffizienz des Systems sicherzustellen. Es macht keinen Sinn, ein komplexes und teures Design mit Übersprechen zu betreiben.
Berücksichtigen Sie beim Entwurf Ihrer nächsten Platine jeden Tipp und jede Information in diesem Artikel, und Sie werden in kürzester Zeit die Kunst beherrschen, Leiterplatten mit größerer Genauigkeit zu entwerfen.
