Печатная плата большинства устройств, которые работает надежно на очень высоких скоростях и точность обычно разработанный, чтобы иметь несколько слоев, которые управляют распределением питания и высокоскоростными маршрутами сигнала. Графические процессоры NVIDIA GeForce RTX 30-й серии имеют платы с примерно 20 слоями для управления различными функциональными возможностями видеокарты. Означает ли это, что чем больше слоев, тем лучше доска - это?
В последнее время различные отрасли, такие как бытовая электроника, телекоммуникации и другие, приняли на вооружение использование многослойных печатных плат (PCB stackup), в основном для устранения шума, создания более сложной версии своего продукта, а также повышения общей эффективности печатной платы. В 2023 году рынок многослойных печатных плат оценивается примерно в 88.1 млрд долларов США. По прогнозам, к 145.09 году он вырастет до почти 2032 млрд долларов. Короче говоря, любой проектировщик печатных плат, который останется актуальным, должен освоить лучшие практики PCB stackup. Расширение, которое мы видим в технологии 5G и электромобилях, потребует в будущем более сложных многослойных плат.
Что такое стек печатных плат?
Сборка печатных плат относится к расположению каждого слоя на печатной плате, в основном фокусируясь на электрических свойствах каждого слоя и всей платы. При проектировании печатной платы большое внимание уделяется стеку, поскольку это основной фактор, определяющий уязвимость платы к внешним шумам, перекрестным помехам и электромагнитным помехам. Можно с уверенностью сделать вывод, что общая эффективность любой печатной платы зависит не только от правильности схемы; неправильное стекирование схем может в равной степени испортить идеально спроектированную схему.
Изображение ниже прекрасно представляет слой печатной платы. штабелирование. Там у нас есть графическое представление 4-слойной печатной платы с предполагаемой толщиной 1.6 мм. Каждый слой фокусируется на отдельном электрическом сигнале. Слои 1 и 4 являются сигнальной плоскостью, в то время как слой 2 является плоскостью заземления (GND), а слой 3 является плоскостью питания (PWR).
Важность проектирования стека печатных плат
Действительно, иногда наложение слоев усложняет процесс производства и сборки печатных плат, что влияет на стоимость и простоту производства и сборки. Почему проектировщики печатных плат все еще накладывают разные слои в проект печатной платы, когда проект схемы можно легко представить на одно- или двухсторонней плате? Чтобы ответить на этот вопрос точно, нам придется рассмотреть эффект хорошо продуманного наложения слоев в проекте печатной платы.
Управление целостностью сигнала: В типичной схеме, где сигналы (особенно высокочастотные и радиочастотные) передаются из одной части платы в другую, схема в основном уязвима к отражению сигнала, потере и перекрестным помехам, если не управлять ею правильно. PCB Stackup дает проектировщику больше гибкости и контроля для предотвращения или значительного уменьшения этих потенциальных проблем при тщательной реализации. Тщательная реализация в этом контексте включает стратегическое расположение каждого слоя и контроль импеданса трассировки среди трассировок схемы.
Контроль электромагнитных помех (ЭМП): ЭМП возникает, когда электромагнитное поле, генерируемое в цепи, мешает другой цепи, вызывая шум или другие проблемы в цепи. Одним из распространенных способов управления ЭМП в цепи является размещение слоев заземления рядом с сигнальным слоем. Это подразумевает, что скоординированное Печатные платы Стекирование имеет важное значение для устранения электромагнитных помех.
Управление температурным режимом: Какая польза от , которая неконтролируемо нагревается при включении? Управление температурой имеет решающее значение при проектировании надежной печатной платы. В большинстве мощных и высокоскоростных схем с избыточным тепловыделением вы можете значительно улучшить рассеивание тепла, тщательно спланировав стек. Выбор правильных материалов (например, меди для эффективной теплопроводности), толщины слоя и расчетного использования заземляющей плоскости помогает правильно рассеивать тепло по плате.
Типы печатных плат
PCB stackup можно разделить на различные типы, в основном в зависимости от требований к применению и дизайну. Каждый дизайн уникальным образом влияет на производительность печатной платы, гибкость, рассеивание тепла и ряд других характеристик. Вот четыре распространенных типа печатных плат, которые вы должны знать как проектировщик печатных плат или начинающий проектировщик печатных плат.
многослойный Стек печатных платup: Многослойные печатные платы имеют по крайней мере три слоя проводящих материалов, разделенных диэлектрическими (изолирующими) слоями. Внутренний сигнал, питание или земля располагаются между диэлектрическими материалами, а общее количество слоев варьируется от 4 до более 30. Однако конструкция становится сложной с увеличением количества слоев.
Многие платы усовершенствованной электроники, включая материнские платы компьютеров, платы смартфонов, медицинские приборы и многое другое, представляют собой многослойные стеки. Их способность справляться с помехами и перекрестными помехами делает их идеальными для высокоскоростных конструкций, таких как SMPS (Switch Mode Power Supply). Сложность стоит их способности справляться с помехами и перекрестными помехами.
HDI (межсоединение высокой плотности) Печатные платы Стекup: Вы можете быстро определить HDI Печатные платы stackup своими сверхмаленькими, близкими слоями. Он имеет повышенную плотность проводов и использует микропереходы с соотношением сторон 0.751, глухие и скрытые переходы, а также тонкие и сверхмаленькие дорожки.
Когда вы думаете о миниатюризации, думайте о HDI Печатные платы Stackup. Они в основном используются при ограниченном пространстве или при требованиях к высокой скорости. Вы найдете их в смартфонах, носимых устройствах и другой компактной электронике. HDI Печатные платы Стек-апы изготавливаются методом последовательного ламинирования.
Гибкие и жестко-гибкие Печатные платы Стекup: Гибкий Подход Печатные платы стек-up сделаны из гибких материалов (например, полиимида), что делает их гибкими без поломки. Аналогичным образом, жестко-гибкие Печатные платы Stackup представляет собой комбинацию слоев, изготовленных из гибких и жестких материалов, и они тщательно спроектированы для выдерживания напряжений при изгибе.
Они хорошо вписываются в уникальные формы и могут выдерживать движение, не ломаясь. Они используются в медицинских приборах, аэрокосмической отрасли и других областях, где требуется приспособляемость к движению и вибрации.
Металлический сердечник Сборка печатных плат: Вы могли видеть одну из таких плат в светодиодном освещении. Печатные платы с металлическим сердечником имеют металлические слои, обычно алюминиевые или медные, и они отлично подходят для отвода избыточного тепла. MCPCB обычно устраняют необходимость в дополнительном радиаторе и предотвращают повреждение компонентов из-за тепла. Они обычно используются в светодиодном освещении и других высокомощных приложениях.
Стек слоев платы Рассмотрение дизайна
PCB stackup должен достигать некоторых целей в проектировании печатных плат, и эти цели должны быть четко определены и поняты до начала проектирования. Понимание целей и требований вашего проекта поможет вам определить идеальное количество слоев для использования, толщину каждого слоя, выбор материала для каждого стека и другие необходимые технические соображения.
Сосредоточившись на результате проектирования, вы должны понимать возможности производителя и адаптировать свой проект для прохождения проверки DFM (проектирование для производителя). Системный подход, используемый при выборе наилучших типов и свойств печатных плат для реализации проекта, должен включать, по крайней мере, принятие во внимание всех следующих факторов:
· Характеристики ЭМС/ЭМП: Электромагнитная совместимость и электромагнитные помехи должны быть важной частью рассмотрения при размещении печатных плат [устранение ЭМП не произойдет путем беспорядочного расположения слоев. Необходимо приложить намеренные усилия для сопряжения плоскости питания с плоскостью заземления для подавления излучения электромагнитных волн, а плоскости заземления должны быть размещены рядом с сигнальными плоскостями для экранирования оставшейся части схемы от шума.
· Распределение мощности: При планировании дизайна печатной платы понимание распределения мощности схемы будет существенно влиять на ваш план стека. Правильное планирование предотвратит ненужный нагрев схемы, вызывающий падение напряжения и потери в схеме.
· Целостность сигнала: Цель печатной платы стека теряет смысл, если сигнал, проходящий через цепь, испытывает искажения, перекрестные помехи или задержки. В высокочастотных приложениях высокочастотные сигналы часто изолируются и помещаются между слоями заземления, чтобы защитить их от помех. Требуется преднамеренное и тщательное планирование расположения каждого слоя, чтобы достичь хорошей целостности сигнала.
Общие свойства вашей платы, включая количество слоев, интервалы и выбор материала для стека печатной платы, в первую очередь определяют эффективность и функциональность печатной платы. Ваш проект должен быть направлен на получение оптимизированной платы с минимальными проблемами.
Методы укладки печатных плат
Вы можете решить, какой слой будет первым, следующим и последним в вашем проекте печатной платы, и ваш проект все равно пройдет проверку DFM. Имея несколько вариантов на выбор, вам нужно решить, какой из них лучше всего подходит для вашего проекта. Вот несколько советов, которые помогут вам выбрать стек печатной платы.
· Управлять Целостность сигнала и EMI в вашем проекте вы должны понимать, что энергия течет в диэлектрическом пространстве между медным слоем и проводящей пластиной, которая является просто волноводом. Тесная связь сигнального и заземляющего слоев, а также силового и заземляющего слоев предотвратит распространение поля.
· Соединение двух сигнальных плоскостей вместе приведет к возникновению перекрестных помех в цепи.
· Уменьшение расстояния между плоскостями Power и Ground увеличивает емкость в вашей печатной плате и уменьшает индуктивность. Следовательно, выбор правильного диэлектрического материала и уменьшение толщины слоя может уменьшить ЭМП в конструкции печатной платы.
· Полосковые линии (т. е. сигнальная или силовая плоскость, зажатая между заземляющей плоскостью) лучше всего подходят для сдерживания полей в сигналах с более высокой энергией или высокой скоростью.
Стек печатных плат Производственные соображения
Важно убедиться, что ваши цели дизайна, подход и компоновка находятся в пределах возможностей производителя. Если, например, вы производите свою печатную плату с компанией XXX, вы должны проверить их требования и скорректировать свой проект в соответствии с тем, что можно изготовить. Такое программное обеспечение, как Altium Designer, KiCad и Eagle, позволяет пользователям настраивать параметры DRC в соответствии с требованиями производителя. Если производитель печатных плат может изготовить максимум 16 слоев печатной платы, вы должны убедиться, что ваш проект не превышает требования.
Чтобы лучше понять различные методы, используемые при сборке печатных плат, давайте рассмотрим два варианта сборки 4-слойной печатной платы. Один из них — [Сигнал, Препрег, GND, Ядро, PWR, Препрег, Сигнал+PWR], типичная конфигурация, которую многие считают стандартной. Другой — [Сигнал+PWR, Препрег, GND, Ядро, GND, Препрег, Сигнал+PWR], которая считается лучшей конфигурацией.
Первая конфигурация имеет верхний сигнальный слой и плоскость питания, соединенные с плоскостью заземления, что идеально подходит для обеспечения хорошей целостности сигнала. Однако нижний сигнальный слой по-прежнему непосредственно примыкает к слою питания, что делает систему восприимчивой к шуму. Это объясняет, почему это не считается хорошим вариантом.
Во второй конфигурации питание и сигнал стратегически проложены на одной плоскости, что по-прежнему приемлемо. Оба слоя сигнала и питания соединены с заземляющей плоскостью, что гарантирует хорошую целостность сигнала и снижает электромагнитные помехи на плате.
Примеры Стек печатных плат
Существует несколько примеров компоновки печатных плат с различным количеством слоев и различной компоновкой. К ним относятся:
· Четырехслойная печатная плата
· Четырехслойная печатная плата
· Четырехслойная печатная плата
Вывод
Если вы дочитали статью до этого места, то должны знать, что стек печатных плат предназначен не только для профессионалов, чтобы продемонстрировать свои навыки проектирования, но и для всех, кто хочет проектировать платы с более высокой эффективностью и производительностью. Каждая из плоскостей в стеке должна быть стратегически размещена для решения проблемы ЭМИ, оптимизации целостности сигнала или обеспечения общей эффективности системы. Нет смысла иметь сложную и дорогую конструкцию, кишащую перекрестными помехами.
При проектировании своей следующей платы примите во внимание все советы и сведения из этой статьи, и в кратчайшие сроки вы овладеете искусством проектирования печатных плат с большей точностью.
