PCB Stackup Design: Un ghid cuprinzător de la elementele de bază până la optimizarea semnalului de mare viteză

În design electronic modern, PCB (Placă de circuit tipărită) Proiectarea stackup este unul dintre factorii cheie care determină performanța circuitului, fiabilitate, și cost. Mai ales când numărul de straturi depășește patru, designul de stivuire nu afectează numai integritatea semnalului, compatibilitate electromagnetică (EMC), și managementul termic, dar afectează direct costurile de producție și complexitatea procesului. Acest articol va începe cu concepte fundamentale, aprofundați în principiile de bază ale Placă de circuit tipărită design de stivuire, selecția materialului, și strategii de optimizare a semnalului de mare viteză, ajutând inginerii să ia decizii mai informate în timpul procesului de proiectare.

Elementele fundamentale ale designului de stivuire PCB

Ce este PCB Stackup?

Stivuirea PCB se referă la procesul de stivuire a mai multor straturi de miezuri placate cu cupru (Miez), preimpregnat (Prepreg, prescurtat ca PP), și folie de cupru într-o anumită secvență, care sunt apoi laminate pentru a forma un integrat placă de circuite multistrat structura. Miezul designului stackup-ului constă în alocarea rațională a straturilor de semnal, straturi de putere, și straturile de pământ pentru a îndeplini performanța electrică, rezistență mecanică, și cerințele de control al costurilor.

Pentru singur sau plăci cu două straturi, designul de stivuire este relativ simplu, de obicei, necesită doar selectarea grosimii corespunzătoare a plăcii placate cu cupru și a greutății cuprului. Cu toate acestea, la proiectarea plăcilor multistrat cu patru sau mai multe straturi, designul stivelor devine complex și critic. De exemplu, designul de stivuire al unei plăci cu 16 straturi trebuie să ia în considerare integritatea semnalului, controlul impedanței, ecranare EMC, Managementul termic, și alți factori.

Materiale cheie în Stackup Design

• Miez placat cu cupru (Miez): Compus din substrat izolator (cum ar fi rășina epoxidică, fibra de sticla) și folie de cupru, asigurand suport mecanic si izolare electrica.
• Prepreg (Prepreg): Fabricat din fibra de sticla impregnata cu rasina epoxidica, folosit pentru lipirea și izolarea interstraturilor.
• Folie de cupru: Folosit pentru a forma urme conductoare, cu grosimi comune de 0,5 oz (18μm), 1Oz (35μm), și 2 oz (70μm).

Principiile de bază ale proiectării stivuirii PCB

Alocarea stratului și integritatea semnalului

La proiectarea PCB-urilor multistrat, numărul de straturi trebuie mai întâi determinat pe baza scării circuitului și a cerințelor EMC. De obicei, straturi de semnal, straturi de putere, și straturile de pământ ar trebui distribuite alternativ pentru a reduce diafonia semnalului și interferențele electromagnetice. De exemplu, pentru semnale de mare viteză, a “GND/Signal/GND” stackup combination is recommended to minimize crosstalk coupling.

• Stripline: Potrivit pentru semnale critice de mare viteză, unde linia de semnal este intercalată între două planuri de masă, oferind o ecranare excelentă.
• Microbandă: Potrivit pentru semnale necritice de mare viteză, unde linia de semnal este pe stratul exterior, oferind rutare flexibilă, dar ecranare mai slabă.

Controlul impedanței

Controlul impedanței este unul dintre aspectele de bază ale design PCB de mare viteză. Impedanța comună cu un singur capăt este de 50Ω, iar impedanța diferențială este de 100Ω. Nepotrivirea impedanței poate cauza reflectarea semnalului, deformare, și radiații, care afectează integritatea semnalului. Parametrii cheie pentru controlul impedanței includ:

• Lățimea și spația traseului: Factorii primari care afectează impedanța.
• Constanta dielectrică: Materialele cu constante dielectrice scăzute ajută la reducerea întârzierii și pierderii semnalului.
• Grosime de cupru: Straturile interioare de semnal utilizează de obicei o grosime de cupru de 0,5 oz pentru a îndeplini cerințele precise de gravare.

Design EMC

Scopul designului EMC este de a reduce interferența electromagnetică (EMI) și îmbunătățirea capacităților anti-interferențe. Unele principii de bază includ:

• Straturi de putere și de pământ adiacente: Utilizați capacitatea interstratului ca condensator de netezire a puterii în timp ce protejați curenții de radiație.
• Straturi de rutare adiacente straturilor de alimentare sau de sol: Reduceți interferența prin anularea fluxului.
• Planul de sol ca strat de scut: Suprimați interferența RF în modul comun și reduceți impedanța de distribuție a puterii de înaltă frecvență.

Strategii de optimizare pentru proiectarea stivuirii PCB de mare viteză

Selectarea materialelor

PCB-urile de mare viteză necesită materiale cu tangentă cu pierderi reduse (Df) și constantă dielectrică scăzută (DK). Materialele FR-4 obișnuite sunt potrivite pentru majoritatea aplicațiilor, dar pentru scenarii de mare viteză, Sunt recomandate materiale de înaltă performanță precum seria Megtron4/6 de la Panasonic. De exemplu, Megtron6 ​​prezintă o pierdere de semnal de numai 0,85 dB/inch la 28 Gbps, în timp ce FR-4 are o pierdere de până la 2dB/inch.

Efectul fibră de sticlă și rugozitatea foliei de cupru

• Efect fibra de sticla: Stilul de țesut al diferitelor pânze din fibră de sticlă afectează caracteristicile semnalului. Pentru a atenua efectul fibrei de sticla, alegeți tipuri de fibră de sticlă cu ferestre de rășină minimizate sau utilizați metode de rutare Zig-Zag.
• Rugozitatea foliei de cupru: În design de semnal de mare viteză, rugozitatea suprafeței foliei de cupru afectează transmisia semnalului. Impactul său este minim sub 5GHz, dar devine semnificativ peste 10GHz.

Managementul termic

PCB-urile de mare viteză vin adesea cu un consum mare de energie, făcând managementul termic crucial. Unele strategii de optimizare includ:

• Selectarea materialelor cu conductivitate termică ridicată: Cum ar fi substraturi pe bază de metal (aluminiu sau cupru).
• Proiectarea plăcilor termice și a viilor: Îmbunătățiți eficiența conducției căldurii.
• Creșterea planurilor de sol și a suprafețelor de turnare a cuprului: Îmbunătățiți capacitățile de disipare a căldurii.

Aplicații practice ale PCB Stackup Design

16-Design de stivuire placă de straturi

Luând ca exemplu o placă cu 16 straturi, o structură tipică de stivuire este următoarea:

1. Stratul superior (Stratul de semnal)
2. Stratul de sol
3. Stratul de semnal
4. Stratul de putere
5. Stratul de semnal
6. Stratul de sol
7. Stratul de semnal
8. Stratul de bază
9. Stratul de semnal
10. Stratul de sol
11. Stratul de semnal
12. Stratul de putere
13. Stratul de semnal
14. Stratul de sol
15. Stratul de semnal
16. Stratul de jos (Stratul de semnal)

Această structură reduce în mod eficient diafonia și interferențele electromagnetice prin distribuirea alternativă a straturilor de semnal și de masă, îndeplinind în același timp cerințele de control al impedanței semnalelor de mare viteză..

Prin proiectarea structurii

În PCB-uri HDI, Viasurile oarbe și viasurile îngropate sunt utilizate pe scară largă pentru a optimiza spațiul de rutare. Cu toate acestea, acestea prin structuri cresc dificultatea de fabricație și costul. Prin urmare, prin structuri ar trebui simplificate în timpul proiectării, cum ar fi prioritizarea prin orificii traversante (PTH).

Concluzie

Proiectarea stivuirii PCB este o sarcină complexă și critică care implică selecția materialului, alocarea stratului, controlul impedanței, Design EMC, si managementul termic. Prin design rațional de stivuire, Performanța și fiabilitatea circuitului pot fi îmbunătățite, controlând în același timp eficient costurile. Pentru design PCB de mare viteză, selectarea materialelor cu pierderi reduse, optimizarea efectelor fibrei de sticlă și a rugozității foliei de cupru, și consolidarea managementului termic sunt esențiale pentru asigurarea integrității și stabilității semnalului.

Indiferent dacă ești începător sau inginer experimentat, stăpânirea principiilor de bază și a strategiilor de optimizare ale designului de stivuire PCB va pune o bază solidă pentru proiectarea de succes a produselor electronice.