PCB -Stackup -Design: Eine umfassende Anleitung von den Grundlagen bis zur Hochgeschwindigkeitssignaloptimierung

 

Im modernen elektronischen Design, Leiterplatte (Leiterplatte) Stackup -Design ist einer der Schlüsselfaktoren, die die Leistungsleistung der Schaltung bestimmen, Zuverlässigkeit, und Kosten. Insbesondere wenn die Anzahl der Schichten vier überschreitet, Stackup -Design beeinflusst nicht nur die Signalintegrität, elektromagnetische Kompatibilität (EMC), und thermisches Management, wirkt sich jedoch auch direkt aus. Dieser Artikel beginnt mit grundlegenden Konzepten, sich mit den Kernprinzipien von befassen Leiterplatte Stackup -Design, Materialauswahl, und Hochgeschwindigkeitssignaloptimierungsstrategien, Helfen Sie den Ingenieuren, fundiertere Entscheidungen während des Entwurfsprozesses zu treffen.

Grundlagen des PCB -Stackup -Designs

Was ist PCB -Stackup??

PCB-Stackup bezieht sich auf den Prozess des Stapelns mehrerer Schichten von Kupferverkleideten Kernen (Kern), Prepreg (Prepreg, als pp), und Kupferfolie in einer bestimmten Reihenfolge, die dann laminiert werden, um eine integrierte zu bilden mehrschichtige Leiterplatte Struktur. Der Kern des Stackup -Designs liegt in der rationalen Zuweisung von Signalschichten, Stromschichten, und Bodenschichten, um die elektrische Leistung zu erreichen, mechanische Stärke, und Kostenkontrollanforderungen.

Für Single oder Doppelschichtplatten, Stackup -Design ist relativ einfach, in der Regel nur die Auswahl der geeigneten kupferverkleideten Platinenstärke und des Kupfergewichts erfordert. Jedoch, Beim Entwerfen von Multilayer -Boards mit vier oder mehr Schichten, Stackup -Design wird komplex und kritisch. Zum Beispiel, Das Stackup-Design einer 16-Schicht-Karte muss die Signalintegrität berücksichtigen, Impedanzkontrolle, EMC -Abschirmung, Thermalmanagement, und andere Faktoren.

Schlüsselmaterialien im Stackup -Design

• Kupferkern (Kern): Bestehend aus Isoliersubstrat (wie Epoxidharz, Glasfaser) und Kupferfolie, Bereitstellung mechanischer Unterstützung und elektrischer Isolierung.
• Prepreg (Prepreg): Aus Glasfaser -Tuch mit Epoxidharz imprägniert, Wird für die Zwischenschichtbindung und Isolierung verwendet.
• Kupferfolie: Wird verwendet, um leitende Spuren zu bilden, mit gemeinsamen Dicken von 0,5 Unzen (18μm), 1oz (35μm), und 2oz (70μm).

Kernprinzipien des PCB -Stackup -Designs

Schichtallokation und Signalintegrität

Beim Entwerfen von mehrschichtigen PCBs, Die Anzahl der Schichten muss zunächst basierend auf Schaltungsskala und EMC -Anforderungen ermittelt werden. Typischerweise, Signalschichten, Stromschichten, und Bodenschichten sollten abwechselnd verteilt werden, um das Signal -Übersprechen und elektromagnetische Interferenzen zu verringern. Zum Beispiel, Für Hochgeschwindigkeitssignale, A “GND/Signal/GND” Die Stackup -Kombination wird empfohlen, um die Überflüssigkeitskopplung zu minimieren.

• Stripline: Geeignet für kritische Hochgeschwindigkeitssignale, wo die Signallinie zwischen zwei Bodenebenen eingeklemmt ist, Sorge hervorragende Abschirmung.
• Microstrip: Geeignet für nicht kritische Hochgeschwindigkeitssignale, wo sich die Signallinie auf der Außenschicht befindet, Flexible Routing, aber schlechtere Abschirmung anbieten.

Impedanzkontrolle

Impedanzkontrolle ist einer der Kernaspekte von Hochgeschwindigkeits-PCB-Design. Häufige Impedanz mit einer Endung beträgt 50 Ω, und Differentialimpedanz beträgt 100 Ω. Impedanzfehlanpassung kann eine Signalreflexion verursachen, Verzerrung, und Strahlung, Signalintegrität beeinflussen. Zu den wichtigsten Parametern für die Impedanzkontrolle gehören:

• Spurenbreite und Abstand: Hauptfaktoren, die die Impedanz beeinflussen.
• Dielektrizitätskonstante: Materialien mit niedrigen dielektrischen Konstanten helfen, die Signalverzögerung und den Verlust zu verringern.
• Kupferdicke: Innere Signalschichten verwenden typischerweise eine Kupferdicke von 0,5 Unzen.

EMC -Design

Das Ziel des EMC -Designs ist es, elektromagnetische Störungen zu reduzieren (EMI) und Verbesserung der Anti-Interferenz-Funktionen. Einige Grundprinzipien umfassen:

• Angrenzende Kraft und Grundschichten: Verwenden Sie die Zwischenschichtkapazität als Stromausfallkondensator, während Strahlungsströme abgeschirmt werden.
• Routingschichten neben Strom- oder Grundschichten: Verringern Sie die Störung durch Flussabspannung.
• Erdungsebene als Schildschicht: Unterdrückung der HF-Interferenz der Gemeinschaft und Reduzierung der Verteilungsimpedanz von Hochfrequenzleistung.

Optimierungsstrategien für Hochgeschwindigkeits-PCB-Stackup-Design

Materialauswahl

Hochgeschwindigkeits-PCB erfordern Materialien mit Tangente mit geringem Verlust (Df) und niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk). Gemeinsame FR-4-Materialien sind für die meisten Anwendungen geeignet, Aber für Hochgeschwindigkeitsszenarien, Hochleistungsmaterialien wie die Megtron4/6-Serie von Panasonic werden empfohlen. Zum Beispiel, Megtron6 ​​zeigt einen Signalverlust von nur 0,85 dB/Zoll bei 28 Gbit/s, während FR-4 einen Verlust von bis zu 2 dB/Zoll hat.

Glasfasereffekt und Kupferfolierauheit

• Glasfasereffekt: Der Webstil verschiedener Glasfaser -Tücher wirken sich auf die Signalmerkmale aus. Um den Glasfaser -Effekt zu mildern, Wählen Sie Glasfasertypen mit minimierten Harzfenstern oder verwenden Sie Zick-Zack-Routing-Methoden.
• Kupferfolie Rauheit: Im Hochgeschwindigkeitssignaldesign, Kupferfolie -Oberflächenrauheit beeinflusst die Signalübertragung. Der Einfluss ist minimal unter 5 GHz, wird jedoch über 10 GHz signifikant, signifikant.

Thermalmanagement

Hochgeschwindigkeits-PCBs sind oft mit hohem Stromverbrauch ausgestattet, Das thermische Management entscheidend machen. Einige Optimierungsstrategien umfassen:

• Auswählen von Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeitsmaterialien: Wie Substrate auf Metallbasis (Aluminium oder Kupfer).
• Entwerfen von Wärmekissen und Vias: Verbesserung der Effizienz der Wärmeleitung.
• Erhöhte Erdungsebenen und Kupfergästebereiche: Verbesserung der Wärmeableitungsfähigkeiten.

Praktische Anwendungen des PCB -Stackup -Designs

16-Layer -Board -Stackup -Design

Ein 16-layer-Board als Beispiel einnehmen, Eine typische Stackup -Struktur ist wie folgt:

1. Oberschicht (Signalschicht)
2. Bodenschicht
3. Signalschicht
4. Leistungsschicht
5. Signalschicht
6. Bodenschicht
7. Signalschicht
8. Kernschicht
9. Signalschicht
10. Bodenschicht
11. Signalschicht
12. Leistungsschicht
13. Signalschicht
14. Bodenschicht
15. Signalschicht
16. Untere Schicht (Signalschicht)

Diese Struktur reduziert das Übersprechen und die elektromagnetische Interferenz effektiv, indem es abwechselnd Signal- und Bodenschichten verteilt und gleichzeitig die Impedanzkontrollanforderungen von Hochgeschwindigkeitssignalen erfüllt.

Via Structure Design

In HDI-Leiterplatten, Blinde Vias und vergrabene Vias werden häufig verwendet, um den Routing -Raum zu optimieren. Jedoch, Diese über Strukturen erhöhen die Herstellungsschwierigkeiten und die Kosten. daher, über Strukturen sollten während des Designs vereinfacht werden, wie das Priorisieren von Durchlöchern vias (PTH).

Abschluss

PCB -Stackup -Design ist eine komplexe und kritische Aufgabe mit Materialauswahl, Schichtzuweisung, Impedanzkontrolle, EMC -Design, und thermisches Management. Durch rationales Stackup -Design, Die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltung und Zuverlässigkeit können verbessert werden, während die Kosten effektiv gesteuert werden. Für Hochgeschwindigkeits-PCB-Design, Auswählen von Materialien mit niedrigem Verlust, Optimierung von Glasfaser -Effekten und Kupferfolierauheit, und Stärkung des thermischen Managements sind der Schlüssel zur Gewährleistung der Signalintegrität und -stabilität.

Ob Sie Anfänger oder erfahrener Ingenieur sind, Das Beherrschen der Kernprinzipien und Optimierungsstrategien des PCB -Stackup -Designs bildet eine solide Grundlage für das erfolgreiche Design elektronischer Produkte.