Метод проектирования стека печатных плат

Ламинированная конструкция в основном подчиняется двум правилам:

1. Каждый слой проводки должен иметь смежный опорный слой (слой питания или заземления);
2. Соседний основной слой питания и слой заземления должны располагаться на минимальном расстоянии, чтобы обеспечить большую емкость связи;

 

Ниже для примера показан стек от двухслойной платы до восьмислойной платы:

1. Односторонняя печатная плата и двухсторонняя печатная плата

Для двухслойных плат, благодаря небольшому количеству слоёв, проблема ламинирования отпадает. Управляющее электромагнитное излучение учитывается в основном при монтаже и компоновке;

Электромагнитная совместимость однослойных и двухслойных плат становится всё более актуальной. Основная причина этого явления заключается в слишком большой площади сигнального контура, что не только создаёт сильное электромагнитное излучение, но и делает схему чувствительной к внешним помехам. Для улучшения электромагнитной совместимости схемы проще всего уменьшить площадь контура ключевого сигнала.

Ключевой сигнал: С точки зрения электромагнитной совместимости, ключевые сигналы в основном относятся к сигналам, создающим сильное излучение, и к сигналам, чувствительным к внешнему миру. Сигналы, способные создавать сильное излучение, — это, как правило, периодические сигналы, такие как сигналы низкого порядка тактовых импульсов или адресов. Сигналы, чувствительные к помехам, — это аналоговые сигналы с низким уровнем.

Однослойные и двухслойные платы обычно используются в низкочастотных аналоговых конструкциях ниже 10 кГц:

1) Трассы питания на одном слое проложены радиально, а общая длина линий минимизирована;

2) При прокладке силовых и заземляющих проводов их следует располагать близко друг к другу; заземляющий провод следует прокладывать рядом с сигнальным проводом, максимально близко к нему. Это позволяет уменьшить площадь петли и снизить чувствительность дифференциального излучения к внешним помехам. При добавлении заземляющего провода рядом с сигнальным проводом образуется петля наименьшей площади, и ток сигнала обязательно будет протекать по этой петле, а не по другим заземляющим проводам.

3) Если плата двухслойная, можно проложить заземляющий провод вдоль сигнальной линии с другой стороны платы, сразу под ней, при этом первая линия должна быть максимально широкой. Площадь образующегося таким образом контура равна толщине платы, умноженной на длину сигнальной линии.

 

Двух- и четырехслойные ламинаты

1. SIG-GND(PWR)-PWR (GND)-SIG;
2. GND-SIG(PWR)-SIG(PWR)-GND;

Для двух вышеупомянутых ламинированных конструкций потенциальная проблема заключается в традиционной толщине платы 1,6 мм (62 мила). Расстояние между слоями станет слишком большим, что не только неблагоприятно скажется на контроле импеданса, межслойной связи и экранировании, но и, в частности, большое расстояние между заземляющими плоскостями питания снижает ёмкость платы и не способствует фильтрации помех.

Первая схема обычно применяется в случаях, когда на плате установлено больше микросхем. Такая схема позволяет добиться лучших характеристик SI, но не очень хороша для защиты от электромагнитных помех, в основном из-за проводки и других деталей, требующих управления. Основное внимание: слой заземления размещается на соединительном слое сигнального слоя с наиболее плотным сигналом, что способствует поглощению и подавлению излучения; необходимо увеличить площадь платы для соблюдения правила 20H.

Что касается второго решения, оно обычно используется, когда плотность кристаллов на плате достаточно низкая, а вокруг кристалла достаточно свободного пространства (для размещения необходимого питающего медного слоя). В этой схеме внешний слой печатной платы является слоем заземления, а два средних слоя – сигнальными/силовыми. Питание на сигнальном слое прокладывается широкой линией, что позволяет снизить импеданс цепи питания и сопротивление сигнальной микрополосковой линии, а излучение сигнала внутреннего слоя также экранируется внешним слоем. С точки зрения контроля электромагнитных помех, это лучшая из доступных четырёхслойных структур печатной платы.

Основное внимание: расстояние между двумя средними слоями смешивания сигналов и питания должно быть увеличено, а направление проводки должно быть вертикальным для предотвращения перекрёстных помех; площадь платы должна быть надлежащим образом проконтролирована в соответствии с правилом 20H; если требуется контролировать импеданс проводки, то вышеприведённое решение требует тщательной прокладки проводов. Провода питания и заземления расположены под медным островом. Кроме того, медные провода на слое питания или заземления должны быть максимально соединены между собой для обеспечения связи по постоянному току и низкочастотным цепям.

 

 

Трех-, шестислойный ламинат

Для конструкций с более высокой плотностью кристаллов и более высокой тактовой частотой следует рассмотреть конструкцию платы из 6 слоев, при этом рекомендуется следующий метод наложения слоев:

1. SIG-GND-SIG-PWR-GND-SIG;

В такой схеме ламинированная схема обеспечивает лучшую целостность сигнала: сигнальный слой расположен рядом с заземляющим, а слой питания и слой заземления соединены в пару, что позволяет лучше контролировать импеданс каждого слоя проводки и обеспечивает хорошее поглощение линий магнитного поля. Кроме того, при наличии слоя питания и слоя заземления обеспечивается лучший обратный путь для каждого сигнального слоя.

2. GND-SIG-GND-PWR-SIG -GND;

Такая схема подходит только для случаев, когда плотность компонентов не очень высокая. Этот тип ламинирования обладает всеми преимуществами верхнего ламинирования, а заземляющий слой верхнего и нижнего слоёв относительно целостный, что может быть использовано в качестве лучшего экранирующего слоя. Следует отметить, что слой питания должен располагаться близко к слою, не являющемуся основной поверхностью компонента, поскольку заземляющий слой нижнего слоя будет более целостным. Следовательно, характеристики электромагнитных помех выше, чем у первого решения.

Резюме: В шестислойной схеме платы расстояние между слоями питания и заземления должно быть минимизировано для обеспечения хорошего сопряжения по питанию и заземлению. Однако, несмотря на толщину платы 62 мила (1,6 мм) и уменьшенное расстояние между слоями, контролировать расстояние между основным источником питания и слоем заземления непросто. По сравнению со второй схемой, стоимость второй значительно возрастает. Поэтому при стекировании мы обычно выбираем первый вариант. При проектировании следуйте правилу 20H и правилу зеркального слоёв.

Четырех- и восьмислойные ламинаты

1. Этот метод не подходит для стекирования из-за плохого поглощения электромагнитных волн и большого сопротивления источника питания. Его структура выглядит следующим образом:
1.Сигнал 1, поверхность компонента, слой микрополосковой разводки
2. Сигнал 2, внутренний слой микрополосковой разводки, улучшенный слой разводки (направление X)
3.Земля
4. Сигнальный 3-полосковый слой маршрутизации, улучшенный слой маршрутизации (направление Y)
5. Слой маршрутизации полосковой линии сигнала 4
6.Мощность
7. Сигнал 5, внутренний слой микрополосковой разводки
8. Сигнальный слой 6 микрополосковых дорожек

2. Это вариант третьего метода стекирования. Благодаря добавлению опорного слоя он обладает улучшенными характеристиками электромагнитных помех, а также позволяет лучше контролировать волновое сопротивление каждого сигнального слоя.
1. Поверхность компонента сигнала 1, слой микрополосковой разводки, хороший слой разводки
2. Почвенный слой, хорошая способность поглощать электромагнитные волны
3. Сигнал 2, слой маршрутизации полосковой линии, хороший слой маршрутизации
4. Слой питания, образующий превосходное электромагнитное поглощение с нижележащим слоем земли. 5. Слой земли.
6. Сигнал 3, слой маршрутизации полосковой линии, хороший слой маршрутизации
7. Слой питания с большим сопротивлением источника питания
8. Сигнал 4 микрополосковый проводной слой, хороший проводной слой

3. Лучший метод штабелирования, поскольку благодаря использованию многослойных заземляющих плоскостей он имеет очень хорошую способность поглощения геомагнитного поля.
1. Поверхность компонента сигнала 1, слой микрополосковой разводки, хороший слой разводки
2. Слой грунта, лучшая способность поглощения электромагнитных волн
3. Сигнал 2, слой маршрутизации полосковой линии, хороший слой маршрутизации
4. Слой питания, образующий превосходное электромагнитное поглощение с нижележащим слоем земли 5. Слой заземления
6. Сигнал 3, слой маршрутизации полосковой линии, хороший слой маршрутизации
7. Слой грунта, лучшая способность поглощения электромагнитных волн
8. Сигнал 4 микрополосковый проводной слой, хороший проводной слой

Выбор количества слоёв плат в проекте и способ их размещения зависят от множества факторов, таких как количество сигнальных сетей на плате, плотность устройств, плотность выводов, частота сигнала, размер платы и т. д. Необходимо учитывать эти факторы комплексно. Чем больше сигнальных сетей, чем выше плотность устройств, плотность выводов и частота сигнала, тем чаще следует использовать многослойную конструкцию платы. Для достижения хороших характеристик электромагнитных помех лучше всего обеспечить наличие для каждого сигнального слоя собственного опорного слоя.