De printplaat van de meeste apparaten die Bedrijven betrouwbaar bij zeer hoge snelheden en nauwkeurigheid is meestal ontworpen om te hebben meerdere lagen die de stroomverdeling en snelle signaalroutes beheren. NVIDIA's GeForce RTX 30-serie GPU's hebben moederborden met ongeveer 20 lagen om de verschillende functionaliteiten van grafische kaarten te beheren. Betekent dit dat hoe hoger het aantal lagen, hoe beter? het bord is?
De laatste tijd hebben diverse sectoren, zoals consumentenelektronica, telecommunicatie en meer, het gebruik van meerlaagse PCB's (PCB-stackup) omarmd. Dit doen ze voornamelijk om ruis te verminderen, een geavanceerdere versie van hun product te creëren en de algehele efficiëntie van een PCB te verbeteren. In 2023 was de markt voor meerlaagse PCB's ongeveer 88.1 miljard dollar waard. De verwachting is dat deze in 145.09 zal groeien tot bijna 2032 miljard dollar. Kortom, elke PCB-ontwerper die relevant wil blijven, moet de best practices voor PCB-stackup beheersen. De uitbreiding die we zien in de 5G-technologie en elektrische voertuigen zal in de toekomst geavanceerdere meerlaagse printplaten vereisen.
Wat is een PCB-stackup?
PCB-stapeling Verwijst naar de rangschikking van elke laag op een printplaat, met name gericht op de elektrische eigenschappen van elke laag en de gehele printplaat. Bij het ontwerpen van printplaten (PCB's) wordt veel aandacht besteed aan de stapeling, omdat dit de belangrijkste bepalende factor is voor de kwetsbaarheid van de printplaat voor externe ruis, overspraak en elektromagnetische interferentie. Het is veilig om te concluderen dat de algehele efficiëntie van een printplaat niet alleen afhangt van de correctheid van de schakeling; een verkeerde stapeling van de schakelingen kan een perfect ontworpen schakeling net zo goed verstoren.
De onderstaande afbeelding geeft een PCB-laag perfect weer opstapelenHier zien we een grafische weergave van een 4-laags printplaat met een veronderstelde dikte van 1.6 mm. Elke laag focust op een ander elektrisch signaal. Laag 1 en 4 vormen het signaalvlak, laag 2 is het aardvlak (GND) en laag 3 is het voedingsvlak (PWR).
Het belang van PCB-stapelontwerp
Het klopt dat stapelen het PCB-productie- en -assemblageproces soms complexer maakt, wat de kosten en het gemak van de productie en assemblage beïnvloedt. Waarom stapelen PCB-ontwerpers nog steeds verschillende lagen in een PCB-ontwerp, terwijl een circuitontwerp eenvoudig kan worden weergegeven op een enkel- of dubbelzijdige printplaat? Om deze vraag nauwkeurig te beantwoorden, moeten we kijken naar het effect van een goed doordachte PCB-stapeling in een PCB-ontwerp.
Signaalintegriteitsbeheer: In een typisch circuit waar signalen (met name hoogfrequente en RF-signalen) van het ene deel van de printplaat naar het andere worden overgedragen, is het circuit kwetsbaar voor signaalreflectie, signaalverlies en overspraak indien niet correct beheerd. PCB Stackup biedt de ontwerper meer flexibiliteit en controle om deze potentiële problemen te voorkomen of aanzienlijk te verminderen, mits zorgvuldig geïmplementeerd. Zorgvuldige implementatie omvat in deze context de strategische indeling van elke laag en de controle over de spoorimpedantie tussen de circuitsporen.
Controle van elektromagnetische interferentie (EMI): EMI treedt op wanneer het elektromagnetische veld dat in een circuit wordt gegenereerd, interfereert met een ander circuit, wat ruis of andere problemen in het circuit veroorzaakt. Een veelvoorkomende manier om EMI in een circuit te beheersen, is door aardlagen naast een signaallaag te plaatsen. Dit impliceert dat er een gecoördineerde PCB stackup is essentieel voor de uitroeiing van EMI.
Thermisch beheer: Wat heb je aan een printplaat die oncontroleerbaar opwarmt? Thermisch beheer is cruciaal bij het ontwerpen van een betrouwbare PCB. In de meeste circuits met een hoog vermogen en hoge snelheid en met extreme hitte kun je de warmteafvoer aanzienlijk verbeteren door je stackup zorgvuldig te plannen. De juiste materialen (zoals koper voor een efficiënte thermische geleidbaarheid), de dikte van een laag en het berekende gebruik van het aardvlak helpen bij de juiste warmteverdeling over een printplaat.
Soorten PCB-stapeling
PCB-stapeling kan worden onderverdeeld in verschillende typen, voornamelijk afhankelijk van de toepassing en de ontwerpvereisten. Elk ontwerp heeft een unieke invloed op de prestaties, flexibiliteit, warmteafvoer en diverse andere kenmerken van de PCB. Hier zijn vier veelvoorkomende PCB-typen die u als (aspirant-) PCB-ontwerper moet kennen.
multilayer PCB-stapel:up: Meerlaagse PCB's hebben ten minste drie lagen geleidend materiaal, gescheiden door diëlektrische (isolerende) lagen. De interne signaal-, stroom- en aarde-componenten zitten tussen de diëlektrische materialen, en het totale aantal lagen varieert van 4 tot meer dan 30. Het ontwerp wordt echter complexer met een groter aantal lagen.
Veel geavanceerde elektronische printplaten, waaronder computermoederborden, smartphoneprintplaten, medische apparaten en nog veel meer, zijn opgebouwd uit meerdere lagen. Hun vermogen om interferentie en overspraak te verwerken maakt ze ideaal voor snelle ontwerpen zoals SMPS (Switch Mode Power Supply). Hun complexiteit maakt hun vermogen om interferentie en overspraak te verwerken, meer dan goed.
HDI (Interconnect met hoge dichtheid) PCB Opstapelenup: U kunt snel een HDI identificeren PCB Stapelbaar door de extra kleine, dicht op elkaar geplaatste lagen. Het heeft een hogere draaddichtheid en maakt gebruik van microvia's met een aspectverhouding van 0.751, blinde en begraven via's, en fijne en superkleine sporen.
Wanneer je aan miniaturisatie denkt, denk dan aan HDI PCB Stackup. Ze worden vooral gebruikt bij ruimtegebrek of hogesnelheidsvereisten. Je vindt ze in smartphones, wearables en andere compacte elektronica. HDI PCB stackup worden opgebouwd met behulp van sequentiële laminering.
Flex en Rigid-Flex PCB Opstapelenup: Flexibel PCB stack-zijn gemaakt van flexibele materialen (zoals polyimide), waardoor ze buigbaar zijn zonder te breken. Op dezelfde manier zijn rigid-flex PCB Stackup-constructies bestaan uit een combinatie van lagen van flexibele en stijve materialen en zijn zorgvuldig ontworpen om de spanningen op te vangen die ontstaan bij buiging.
Ze passen zich perfect aan unieke vormen aan en kunnen bewegingen aan zonder te breken. Ze worden gebruikt in medische apparatuur, de lucht- en ruimtevaart en andere toepassingen die aanpassing aan beweging en trillingen vereisen.
Metalen kern PCB-stapeling: Mogelijk heeft u een van deze printplaten wel eens gezien in ledverlichting. Metal core PCB's hebben metalen lagen, meestal aluminium of koper, en zijn zeer geschikt voor overtollige warmteafvoer. MCPCB's maken over het algemeen een extra koellichaam overbodig en voorkomen schade aan componenten door hitte. Ze worden veel gebruikt in ledverlichting en andere toepassingen met een hoog vermogen.
PCB-laag stapelen Ontwerpoverweging
PCB-stapeling is bedoeld om bepaalde doelen te bereiken in PCB-ontwerp. Deze doelen moeten duidelijk gedefinieerd en begrepen zijn voordat u met het ontwerp begint. Inzicht in uw ontwerpdoelen en -vereisten helpt u bij het bepalen van het ideale aantal lagen, de dikte van elke laag, de materiaalkeuze voor elke stapel en andere technische overwegingen.
Terwijl u zich richt op het resultaat van het ontwerp, moet u de mogelijkheden van de fabrikant begrijpen en uw ontwerp aanpassen om de DFM-controle (Design for Manufacturer's) te doorstaan. De systematische aanpak die wordt gebruikt bij het bepalen van de beste PCB-stapeltypen en -eigenschappen voor een ontwerp, moet ten minste rekening houden met het volgende:
· EMC/EMI-prestaties: Elektromagnetische compatibiliteit en elektromagnetische interferentie moeten een belangrijk onderdeel zijn van de overwegingen bij de PCB-opstelling. [Eliminatie van EMI zal niet plaatsvinden door een willekeurige plaatsing van lagen.] Er moet bewust worden geprobeerd een voedingsvlak te koppelen aan een aardvlak om de straling van elektromagnetische golven te onderdrukken. Aardvlakken moeten naast signaalvlakken worden geplaatst om de rest van het circuit tegen ruis te beschermen.
· Machtsverdeling: Bij het plannen van uw PCB-ontwerp is inzicht in de stroomverdeling van het circuit van grote invloed op uw stackup-plan. Een goede planning voorkomt dat het circuit onnodig opwarmt, wat spanningsval en verliezen in het circuit veroorzaakt.
· Signaalintegriteit: Het doel van de PCB-stapeling wordt tenietgedaan als het signaal dat door het circuit reist, vervorming, overspraak of vertraging ondervindt. In hoogfrequente toepassingen worden hoogfrequente signalen vaak geïsoleerd en tussen aardlagen geplaatst om ze tegen interferentie te beschermen. Een goede signaalintegriteit vereist een weloverwogen en zorgvuldige planning van elke laag.
De algehele eigenschappen van uw printplaat, waaronder het aantal lagen, de afstand tussen de lagen en de materiaalkeuze voor de PCB-stapel, bepalen in de eerste plaats de efficiëntie en functionaliteit van de PCB. Uw ontwerp moet gericht zijn op een geoptimaliseerde printplaat met minimale problemen.
PCB-stapeltechnieken
U kunt zelf bepalen welke laag als eerste, volgende en laatste in uw PCB-ontwerp komt, en uw ontwerp zal nog steeds de DFM-controle doorstaan. Met verschillende opties om uit te kiezen, moet u bepalen welke het beste is voor uw ontwerp. Hier zijn een paar tips die u kunnen helpen bij het kiezen van uw PCB-stapel.
· Beheren Signaalintegriteit en EMI In je ontwerp moet je begrijpen dat energie stroomt in de diëlektrische ruimte tussen de koperlaag en de geleiderplaat, die slechts een golfgeleider is. Nauwe koppeling van de signaal- en aardingslaag, evenals de vermogens- en aardingslaag, voorkomt dat het veld zich verspreidt.
· Het koppelen van twee signaalvlakken veroorzaakt overspraak in het circuit.
· Door de afstand tussen het voedings- en aardvlak te verkleinen, neemt de capaciteit in uw PCB toe en wordt de inductie verminderd. Het kiezen van het juiste diëlektrische materiaal en het verminderen van de laagdikte kunnen EMI in een PCB-ontwerp verminderen.
· Striplines (d.w.z. een signaal- of voedingsvlak tussen een grondvlak) zijn het meest geschikt om velden in signalen met hogere energie of hogere snelheid te beheersen.
PCB-stapeling Overwegingen bij fabricage
Het is belangrijk ervoor te zorgen dat uw ontwerpdoelen, -aanpak en -layout binnen de mogelijkheden van de fabrikant vallen. Als u bijvoorbeeld uw PCB produceert met Bedrijf XXX, u moet hun vereisten controleren en uw ontwerp aanpassen aan wat produceerbaar is. Software zoals Altium Designer, KiCad en Eagle stellen gebruikers in staat de DRC-instelling te configureren volgens de vereisten van de fabrikant. Als een PCB-fabrikant maximaal 16 lagen PCB-stapeling kan produceren, moet u ervoor zorgen dat uw ontwerp de vereisten niet overschrijdt.
Om de verschillende technieken die gebruikt worden in PCB-stack-up beter te begrijpen, bekijken we twee varianten van de 4-laags PCB-stack-up. De eerste is [Signaal, Prepreg, GND, Kern, PWR, Prepreg, Signaal+PWR], een typische configuratie die door velen als standaard wordt beschouwd. De andere is [Signaal+PWR, Prepreg, GND, Kern, GND, Prepreg, Signaal+PWR], waarvan men denkt dat dit een betere configuratie is.
De eerste configuratie combineert de bovenste signaallaag en het voedingsvlak met het grondvlak, wat perfect is om een goede signaalintegriteit te garanderen. De neerwaartse signaallaag grenst echter nog steeds direct aan de voedingslaag, waardoor het systeem gevoelig is voor ruis. Dit verklaart waarom het niet als een goede optie wordt beschouwd.
De tweede configuratie heeft de voeding en het signaal strategisch op hetzelfde vlak gerouteerd, wat nog steeds in orde is. Zowel de signaal- als de voedingsvlakken zijn gekoppeld aan een aardvlak, wat zorgt voor een goede signaalintegriteit en minder EMI op het moederbord.
Voorbeelden PCB-stapeling
Er zijn verschillende voorbeelden van PCB-stapelingen met verschillende aantallen lagen en verschillende opstellingen. Deze omvatten:
· 4-laags PCB-stapeling
· 6-laags PCB-stapeling
· 8-laags PCB-stapeling
Conclusie
Als u dit artikel tot nu toe hebt gelezen, weet u dat de PCB-stackup niet alleen bedoeld is voor professionals om hun ontwerpvaardigheden te demonstreren, maar ook voor iedereen die printplaten wil ontwerpen met een hogere efficiëntie en betere prestaties. Elk vlak in de stack moet strategisch geplaatst worden om het EMI-probleem op te lossen, de signaalintegriteit te optimaliseren of de algehele efficiëntie van het systeem te garanderen. Het heeft geen zin om een complex en duur ontwerp te hebben dat vol zit met overspraak.
Houd bij het ontwerpen van uw volgende printplaat rekening met alle tips en informatie uit dit artikel. Binnen de kortste keren beheerst u de kunst van het nauwkeuriger ontwerpen van printplaten.
