PCB Stackup Design: Una guida completa dalle basi all'ottimizzazione del segnale ad alta velocità

Nel design elettronico moderno, PCB (Circuito stampato) Stackup Design è uno dei fattori chiave che determinano le prestazioni del circuito, affidabilità, e costo. Soprattutto quando il numero di strati supera quattro, Stackup Design non solo influisce sull'integrità del segnale, Compatibilità elettromagnetica (EMC), e gestione termica, ma ha anche un impatto diretto sui costi di produzione e la complessità dei processi. Questo articolo inizierà con concetti fondamentali, approfondire Circuito stampato design stackup, Selezione del materiale, e strategie di ottimizzazione del segnale ad alta velocità, Aiutare gli ingegneri a prendere decisioni più informate durante il processo di progettazione.

Fondamenti di PCB Stackup Design

Cos'è PCB Stackup?

PCB Stackup si riferisce al processo di impilamento di più livelli di core rivestiti di rame (Nucleo), pre -preg (Pre -preg, abbreviato come pp), e lamina di rame in una sequenza specifica, che vengono quindi laminati per formare un integrato circuito multistrato struttura. Il nucleo del design di Stackup si trova nell'allocazione razionale degli strati di segnale, strati di potenza, e strati di terra per soddisfare le prestazioni elettriche, resistenza meccanica, e requisiti di controllo dei costi.

Per single o schede a doppio strato, Stackup Design è relativamente semplice, in genere richiede solo la selezione dello spessore della scheda rivestito di rame e del peso del rame. Tuttavia, Durante la progettazione di schede multistrato con quattro o più livelli, Stackup Design diventa complesso e critico. Per esempio, Il design dello stackup di una scheda a 16 strati deve considerare l'integrità del segnale, Controllo dell'impedenza, Proiezione EMC, gestione termica, e altri fattori.

Materiali chiave nel design dello stackup

• Core rivestito di rame (Nucleo): Composto da substrato isolante (come resina epossidica, fibra di vetro) e lamina di rame, Fornire supporto meccanico e isolamento elettrico.
• Pre -preg (Pre -preg): Realizzato in tessuto in fibra di vetro impregnata di resina epossidica, Utilizzato per il legame e l'isolamento interstrato.
• Lamina di rame: Utilizzato per formare tracce conduttive, con spessori comuni di 0,5 once (18μm), 1oz (35μm), e 2 once (70μm).

Principi principali del design di stackup PCB

Allocazione dei livelli e integrità del segnale

Quando si progettano PCB multistrato, Il numero di livelli deve prima essere determinato in base alla scala dei circuiti e ai requisiti EMC. In genere, strati di segnale, strati di potenza, e gli strati di terra dovrebbero essere distribuiti alternativamente per ridurre la crosstalk del segnale e l'interferenza elettromagnetica. Per esempio, Per segnali ad alta velocità, a “GND/Signal/GND” stackup combination is recommended to minimize crosstalk coupling.

• Stripline: Adatto per segnali ad alta velocità critici, dove la linea di segnale è inserita tra due piani di terra, fornendo un'eccellente schermatura.
• Microstrip: Adatto per segnali ad alta velocità non critici, dove la linea del segnale si trova sullo strato esterno, Offrire routing flessibile ma schermatura più povera.

Controllo dell'impedenza

Il controllo dell'impedenza è uno degli aspetti fondamentali di Design PCB ad alta velocità. L'impedenza mono-endetta comune è 50Ω, e l'impedenza differenziale è 100Ω. La mancata corrispondenza dell'impedenza può causare la riflessione del segnale, distorsione, e radiazioni, influenzare l'integrità del segnale. I parametri chiave per il controllo dell'impedenza includono:

• Larghezza e spaziatura: Fattori primari che influenzano l'impedenza.
• Costante dielettrica: I materiali con basse costanti dielettriche aiutano a ridurre il ritardo e la perdita del segnale.
• Spessore del rame: Gli strati di segnale interno in genere utilizzano uno spessore di rame da 0,5 once per soddisfare i requisiti di incisione precisi.

Design EMC

L'obiettivo del design EMC è ridurre l'interferenza elettromagnetica (EMI) e migliorare le capacità anti-interferenza. Alcuni principi di base includono:

• Potenza adiacenti e strati di terra: Utilizzare la capacità di intersteria come condensatore di levigatura di potenza mentre proteggi le correnti di radiazioni.
• Strati di routing adiacenti a strati di potenza o terreno: Ridurre l'interferenza attraverso la cancellazione del flusso.
• Piano di terra come strato di scudo: Sopprimere l'interferenza RF in modalità comune e ridurre l'impedenza di distribuzione di potenza ad alta frequenza.

Strategie di ottimizzazione per PCB Stackup Design ad alta velocità

Selezione del materiale

I PCB ad alta velocità richiedono materiali con tangente a bassa perdita (Df) e costante dielettrica bassa (Non so). I materiali comuni FR-4 sono adatti per la maggior parte delle applicazioni, Ma per scenari ad alta velocità, Si consigliano materiali ad alte prestazioni come la serie Megtron4/6 di Panasonic. Per esempio, Megtron6 ​​presenta una perdita di segnale di soli 0,85 dB/pollici a 28 Gbps, Mentre FR-4 ha una perdita di fino a 2db/pollice.

Effetto in fibra di vetro e rugosità in lamina di rame

• Effetto in fibra di vetro: Lo stile di tessitura di diversi panni in fibra di vetro influenza le caratteristiche del segnale. Per mitigare l'effetto in fibra di vetro, Scegli tipi in fibra di vetro con finestre a resina ridotta o utilizza metodi di routing a zig-zag.
• Rugosità del foglio di rame: Nel design del segnale ad alta velocità, La rugosità della superficie del foglio di rame influisce sulla trasmissione del segnale. Il suo impatto è minimo al di sotto di 5 GHz ma diventa significativo al di sopra di 10 GHz.

Gestione termica

I PCB ad alta velocità spesso sono dotati di un elevato consumo energetico, rendere cruciale la gestione termica. Alcune strategie di ottimizzazione includono:

• Selezione di materiali ad alta conducibilità termica: Come substrati a base di metallo (alluminio o rame).
• Progettazione di cuscinetti termici e VIA: Migliora l'efficienza della conduzione del calore.
• Aumentare i piani del terreno e le aree di pour di rame: Migliora le capacità di dissipazione del calore.

Applicazioni pratiche di PCB Stackup Design

16-Layer Board Stackup Design

Prendendo una tavola a 16 strati come esempio, Una tipica struttura di stackup è la seguente:

1. Strato superiore (Strato di segnale)
2. Strato di terra
3. Strato di segnale
4. Strato di potenza
5. Strato di segnale
6. Strato di terra
7. Strato di segnale
8. Strato centrale
9. Strato di segnale
10. Strato di terra
11. Strato di segnale
12. Strato di potenza
13. Strato di segnale
14. Strato di terra
15. Strato di segnale
16. Strato inferiore (Strato di segnale)

Questa struttura riduce efficacemente l'interferenza di crosstalk e elettromagnetica distribuendo alternativamente gli strati di segnale e di terra, soddisfacendo i requisiti di controllo dell'impedenza dei segnali ad alta velocità.

Tramite design della struttura

In PCBS HDI, Vias ciechi e Vias sepolti sono ampiamente utilizzati per ottimizzare lo spazio di routing. Tuttavia, Questi attraverso strutture aumentano difficoltà di produzione e costi. Perciò, tramite strutture dovrebbero essere semplificate durante il design, come dare la priorità a VIA (PTH).

Conclusione

PCB Stackup Design è un compito complesso e critico che coinvolge la selezione dei materiali, Allocazione dei livelli, Controllo dell'impedenza, Design EMC, e gestione termica. Attraverso razionale stackup design, Le prestazioni del circuito e l'affidabilità possono essere migliorate controllando efficacemente i costi. Per il design di PCB ad alta velocità, Selezione di materiali a bassa perdita, Ottimizzare gli effetti in fibra di vetro e la rugosità della lamina di rame, e il rafforzamento della gestione termica è la chiave per garantire l'integrità e la stabilità del segnale.

Che tu sia un principiante o un ingegnere esperto, Padroneggiare i principi fondamentali e le strategie di ottimizzazione del design PCB Stackup presenterà una solida base per il design di successo di prodotti elettronici.