PCB çoğu cihazın işliyor çok yüksek hızlarda güvenilir bir şekilde ve doğruluk genellikle sahip olmak için tasarlanmış Güç dağıtımını ve yüksek hızlı sinyal yollarını yöneten birkaç katman. NVIDIA'nın GeForce RTX 30 serisi GPU'ları, farklı grafik kartı işlevlerini yönetmek için yaklaşık 20 katmana sahip kartlara sahiptir. Bu, katman sayısı ne kadar yüksekse o kadar iyi olduğu anlamına mı geliyor? tahta?
Son zamanlarda, tüketici elektroniği, telekomünikasyon ve daha fazlası gibi çeşitli sektörler, esas olarak gürültüyü ortadan kaldırmak, ürünlerinin daha gelişmiş bir versiyonunu oluşturmak ve ayrıca bir PCB'nin genel verimliliğini artırmak için çok katmanlı PCB (PCB stackup) kullanımını benimsemiştir. 2023 yılında çok katmanlı PCB pazarı yaklaşık 88.1 milyar ABD Doları değerindedir. 145.09 yılına kadar yaklaşık 2032 milyar dolara ulaşması beklenmektedir. Özetle, güncelliğini koruyacak herhangi bir PCB tasarımcısının PCB stackup en iyi uygulamalarında uzmanlaşması gerekmektedir. 5G teknolojisi ve elektrikli araçlarda gördüğümüz genişleme, gelecekte daha gelişmiş çok katmanlı kartlar gerektirecektir.
PCB Stackup Nedir?
PCB yığını Baskılı devre kartındaki her katmanın dizilimini ifade eder ve esas olarak her katmanın ve tüm kartın elektriksel özelliklerine odaklanır. PCB tasarımında, yığınlama, kartın dış gürültüye, çapraz konuşmaya ve elektromanyetik girişime karşı hassasiyetinin temel belirleyicisi olduğu için büyük önem taşır. Herhangi bir PCB'nin genel verimliliğinin yalnızca devrenin doğruluğuna bağlı olmadığı sonucuna varmak yanlıştır; yanlış devre yığınlaması, mükemmel tasarlanmış bir devreyi de aynı şekilde bozabilir.
Aşağıdaki görüntü bir PCB katmanını mükemmel bir şekilde temsil ediyor YığmakBurada, varsayılan kalınlığı 4 mm olan 1.6 katmanlı bir PCB'nin grafiksel bir gösterimini görüyoruz. Her katman farklı bir elektrik sinyaline odaklanıyor. 1. ve 4. katmanlar sinyal düzlemi, 2. katman toprak düzlemi (GND) ve 3. katman güç düzlemidir (PWR).
PCB Yığın Tasarımının Önemi
Bazen üst üste yerleştirmenin PCB üretim ve montaj sürecini daha karmaşık hale getirdiği ve üretim ve montaj maliyetini ve kolaylığını etkilediği doğrudur. Bir devre tasarımı tek veya çift taraflı bir kartta kolayca temsil edilebilirken, PCB tasarımcıları neden hala PCB tasarımında farklı katmanları üst üste yerleştiriyorlar? Bu soruyu doğru bir şekilde cevaplamak için, iyi düşünülmüş bir PCB üst üste yerleştirmenin PCB tasarımındaki etkisini incelememiz gerekecek.
Sinyal Bütünlüğü Yönetimi: Sinyallerin (özellikle yüksek frekanslı ve RF sinyallerinin) kartın bir bölümünden diğerine aktarıldığı tipik bir devrede, devre doğru yönetilmezse sinyal yansıması, kaybı ve çapraz konuşmaya karşı oldukça savunmasızdır. PCB Stackup, dikkatli bir şekilde uygulandığında tasarımcıya bu olası sorunları önlemek veya büyük ölçüde azaltmak için daha fazla esneklik ve kontrol sağlar. Bu bağlamda dikkatli uygulama, her katmanın stratejik olarak düzenlenmesini ve devre izleri arasındaki iz empedansının kontrolünü içerir.
Elektromanyetik Girişim (EMI) Kontrolü: EMI, bir devrede oluşan elektromanyetik alanın başka bir devreyle etkileşime girerek devrede gürültüye veya başka sorunlara neden olmasıyla ortaya çıkar. EMI'yi bir devrede yönetmenin yaygın bir yolu, toprak katmanlarını bir sinyal katmanının yanına yerleştirmektir. Bu, koordineli bir PCB EMI'nin ortadan kaldırılması için stackup şarttır.
Termal yönetim: Kontrolsüzce ısınan bir güç kaynağının ne faydası var? Güvenilir bir PCB tasarımında termal yönetim çok önemlidir. Aşırı ısıya sahip çoğu yüksek güçlü ve yüksek hızlı devrede, yığınınızı dikkatlice planlayarak ısı dağılımını önemli ölçüde iyileştirebilirsiniz. Doğru malzemeleri (verimli termal iletkenlik için bakır gibi) seçmek, katman kalınlığını ve topraklama düzleminin hesaplanmış kullanımını seçmek, ısının kart üzerinde doğru şekilde dağılmasına yardımcı olur.
PCB Yığın Türleri
PCB yığınları, esas olarak uygulama ve tasarım gereksinimlerine bağlı olarak farklı tiplere ayrılabilir. Her tasarım, PCB'nin performansını, esnekliğini, ısı dağılımını ve diğer birçok özelliğini benzersiz şekilde etkiler. Bir PCB tasarımcısı veya hevesli bir PCB tasarımcısı olarak bilmeniz gereken dört yaygın PCB türü şunlardır.
Çok katmanlı PCB Yığınıup: Çok katmanlı PCB'ler, dielektrik (yalıtkan) katmanlarla ayrılmış en az üç iletken malzeme katmanından oluşur. İç sinyal, güç veya topraklama, dielektrik malzemeler arasına sıkıştırılır ve toplam katman sayısı 4 ile 30'un üzerinde değişir. Ancak, katman sayısı arttıkça tasarım karmaşıklaşır.
Bilgisayar anakartları, akıllı telefon kartları, tıbbi cihazlar ve daha birçok gelişmiş elektronik kart, çok katmanlı yığınlamalı yapıdadır. Girişim ve çapraz konuşmayı yönetme yetenekleri, onları SMPS (Anahtarlama Modlu Güç Kaynağı) gibi yüksek hızlı tasarımlar için ideal hale getirir. Karmaşıklıkları, girişim ve çapraz konuşmayı yönetme yeteneklerine değer.
HDI (Yüksek Yoğunluklu Bağlantı) PCB Yığınup: Bir HDI'yi hızlı bir şekilde tanımlayabilirsiniz PCB Ekstra küçük, sık katmanlarıyla stackup'ı bir araya getirir. Artırılmış tel yoğunluğuna sahiptir ve 0.751 en boy oranına sahip mikro geçişler, kör ve gömülü geçişler ve ince ve süper küçük izler kullanır.
Minyatürleştirmeyi düşündüğünüzde, HDI'yi düşünün PCB Stackup. Genellikle alan kısıtlaması veya yüksek hız gereksinimleri olduğunda kullanılırlar. Bunları akıllı telefonlarda, giyilebilir cihazlarda ve diğer kompakt elektronik cihazlarda bulabilirsiniz. HDI PCB Stackup'lar sıralı laminasyon kullanılarak inşa edilir.
Esnek ve Sert-Esnek PCB Yığınup: Esnek PCB yığın-esnek malzemelerden (polimid gibi) yapılırlar ve bu sayede kırılmadan bükülebilirler. Benzer şekilde, sert-esnek PCB Stackup, esnek ve sert malzemelerden yapılmış katmanların birleşiminden oluşur ve bükülme sırasında oluşabilecek gerilimlere dayanacak şekilde dikkatlice tasarlanmıştır.
Benzersiz şekillere mükemmel uyum sağlarlar ve kırılmadan harekete dayanabilirler. Tıbbi cihazlarda, havacılık ve uzay endüstrisinde ve hareket ve titreşime uyum gerektiren diğer uygulamalarda kullanılırlar.
Metal çekirdek PCB Yığını: Bu kartlardan birini LED aydınlatmada görmüş olabilirsiniz. Metal çekirdekli PCB'ler, genellikle alüminyum veya bakırdan oluşan metal katmanlara sahiptir ve aşırı ısı dağılımı için oldukça uygundur. MCPCB'ler genellikle ekstra bir soğutucu ihtiyacını ortadan kaldırır ve bileşenlerin ısıdan dolayı hasar görmesini önler. Genellikle LED aydınlatma ve diğer yüksek güçlü uygulamalarda kullanılırlar.
PCB Katman Yığını Tasarım Değerlendirme
PCB tasarımında PCB yığınının bazı hedeflere ulaşması beklenir ve bu hedefler tasarıma başlamadan önce açıkça tanımlanmalı ve anlaşılmalıdır. Tasarım hedeflerinizi ve gereksinimlerinizi anlamak, kullanılacak mükemmel katman sayısına, her katmanın kalınlığına, her yığın için malzeme seçimine ve gerekli diğer teknik hususlara karar vermenize yardımcı olacaktır.
Tasarımın sonucuna odaklanırken, üreticinin kapasitesini anlamalı ve tasarımınızı DFM (Üreticiye Göre Tasarım) kontrolünden geçecek şekilde uyarlamalısınız. Bir tasarım için uygulanacak en iyi PCB yığınlama türlerine ve özelliklerine karar verirken kullanılan sistematik yaklaşım, en azından aşağıdakilerin tümünü dikkate almayı içermelidir:
· EMC/EMI Performansı: PCB yığınında elektromanyetik uyumluluk ve elektromanyetik girişim dikkate alınması gereken önemli bir unsurdur [EMI'nin ortadan kaldırılması katmanların gelişigüzel düzenlenmesiyle gerçekleşmez. Elektromanyetik dalgaların yayılımını bastırmak için bir güç düzlemini bir toprak düzlemiyle eşleştirmek için bilinçli bir çaba gösterilmeli ve devrenin geri kalan kısmını gürültüden korumak için toprak düzlemleri sinyal düzlemlerinin yanına yerleştirilmelidir.
· Güç dağıtımı: PCB tasarımınızı planlarken, devrenin güç dağılımını anlamak, yığınlama planınızı büyük ölçüde etkileyecektir. Doğru planlama, devrenin gereksiz yere ısınmasını, voltaj düşüşlerine ve devre genelinde kayıplara neden olmasını önleyecektir.
· Sinyal bütünlüğü: Devre boyunca ilerleyen sinyalde bozulma, karışma veya gecikme meydana gelirse, PCB yığınının amacı ortadan kalkar. Yüksek frekanslı uygulamalarda, yüksek frekanslı sinyaller genellikle izole edilir ve parazitten korunmak için zemin katmanları arasına sıkıştırılır. İyi bir sinyal bütünlüğü elde etmek için her katman düzenlemesinin bilinçli ve dikkatli bir şekilde planlanması gerekir.
PCB yığını için katman sayısı, aralık ve malzeme seçimi gibi kartınızın genel özellikleri, PCB'nin verimliliğini ve işlevselliğini belirleyen temel unsurlardır. Tasarımınız, minimum sorunla optimize edilmiş bir kart elde etmeye odaklanmalıdır.
PCB Yığınlama Teknikleri
PCB tasarımınızda hangi katmanın önce, sonra ve sonra geleceğini belirleyebilirsiniz ve tasarımınız yine de DFM kontrolünden geçecektir. Aralarından seçim yapabileceğiniz birçok seçenek arasından, tasarımınız için hangisinin en uygun olduğuna karar vermelisiniz. PCB katman seçiminizi yönlendirecek birkaç ipucu:
· Yönetmek Sinyal bütünlüğü hem de EMI Tasarımınızda, enerjinin bakır katman ile sadece bir dalga kılavuzu olan iletken plaka arasındaki dielektrik boşlukta aktığını anlamalısınız. Sinyal ve toprak katmanının yanı sıra güç ve toprak katmanının da yakın bir şekilde bağlanması, alanın yayılmasını önleyecektir.
· İki sinyal düzleminin birbirine bağlanması devrede çapraz konuşmaya neden olur.
· Güç ve Toprak düzlemleri arasındaki mesafeyi azaltmak, PCB'nizdeki kapasitansı artırır ve endüktansı azaltır. Dolayısıyla, doğru dielektrik malzemeyi seçmek ve katman kalınlığını azaltmak, PCB tasarımındaki EMI'yi azaltabilir.
· Şerit hatlar (yani, bir toprak düzlemi arasına sıkıştırılmış bir sinyal veya güç düzlemi), daha yüksek enerjili veya daha yüksek hızlı sinyallerdeki alanları tutmak için en iyisidir.
PCB Yığını İmalat Hususları
Tasarım hedeflerinizin, yaklaşımınızın ve düzeninizin üreticinin kapasiteleri dahilinde olduğundan emin olmanız önemlidir. Örneğin, PCB'nizi X Şirketi ile üretiyorsanızXX, gereksinimlerini kontrol etmeli ve tasarımınızı üretilebilir olana göre ayarlamalısınız. Altium Designer, KiCad ve Eagle gibi yazılımlar, kullanıcıların DRC ayarını üreticinin gereksinimlerine göre yapılandırmasına olanak tanır. Bir PCB üreticisi maksimum 16 katmanlı PCB yığını üretebiliyorsa, tasarımınızın bu gereksinimi aşmadığından emin olmalısınız.
PCB stack-up'ta kullanılan farklı teknikleri daha iyi anlamak için, 4 katmanlı PCB stack-up'ın iki varyasyonunu ele alalım. Bunlardan biri, birçok kişinin standart olarak kabul ettiği tipik bir konfigürasyon olan [Sinyal, Prepreg, GND, Çekirdek, Güç, Prepreg, Sinyal+Güç]'tür. Diğeri ise daha iyi bir konfigürasyon olduğuna inanılan [Sinyal+Güç, Prepreg, GND, Çekirdek, GND, Prepreg, Sinyal+Güç]'tür.
İlk konfigürasyonda, üst sinyal katmanı ve güç düzlemi, iyi sinyal bütünlüğünü sağlamak için mükemmel olan topraklama düzlemiyle eşleştirilmiştir. Ancak, alt sinyal katmanı yine de doğrudan güç katmanına bitişik olduğundan, sistem gürültüye karşı hassastır. Bu da neden iyi bir seçenek olarak görülmediğini açıklar.
İkinci konfigürasyonda güç ve sinyal aynı düzlemde stratejik olarak yönlendirilir, bu da yine de iyidir. Hem sinyal hem de güç düzlemleri, iyi sinyal bütünlüğü sağlayacak ve karttaki EMI'yi azaltacak bir toprak düzlemiyle eşleştirilmiştir.
Örnekleri arasında PCB Yığını
Farklı katman sayılarından farklı düzenlemelere kadar PCB yığınlamanın birkaç örneği vardır; bunlar şunları içerir:
· 4 katmanlı PCB yığını
· 6 katmanlı PCB yığını
· 8 katmanlı PCB yığını
Sonuç
Bu makaleyi buraya kadar takip ettiyseniz, PCB yığınının yalnızca profesyonellerin tasarım becerilerini sergilemeleri için değil, aynı zamanda daha yüksek verimlilik ve daha iyi performansa sahip kartlar tasarlamak isteyen herkes için de uygun olduğunu bilmelisiniz. Yığındaki her bir düzlem, EMI sorununu çözmek, sinyal bütünlüğünü optimize etmek veya sistemin genel verimliliğini sağlamak için stratejik olarak yerleştirilmelidir. Karmaşık ve pahalı bir tasarıma çapraz konuşma bulaşmanın bir anlamı yok.
Bir sonraki kartınızı tasarlarken bu makaledeki her ipucunu ve bilgiyi dikkate alın; kısa sürede PCB'leri daha büyük bir doğrulukla tasarlama sanatında ustalaşacaksınız.
