Nevýhody tradičného štvorvrstvového stohovania dosiek plošných spojov

Ak medzivrstvová kapacita nie je dostatočne veľká, elektrické pole sa rozloží na relatívne veľkú plochu dosky, takže impedancia medzivrstvy sa zníži a spätný prúd môže tiecť späť do vrchnej vrstvy. V tomto prípade môže pole generované týmto signálom interferovať s poľom signálu blízkej meniacej sa vrstvy. To vôbec nie je to, v čo sme dúfali. Bohužiaľ, na 4-vrstvovej doske s hrúbkou 0,062 palca sú vrstvy od seba ďaleko a medzivrstvová kapacita je malá.
Keď sa zapojenie zmení z vrstvy 1 na vrstvu 4 alebo naopak, problém sa zobrazí na obrázku.
správy13
Diagram ukazuje, že keď signál prechádza z vrstvy 1 do vrstvy 4 (červená čiara), spätný prúd musí tiež zmeniť rovinu (modrá čiara). Ak je frekvencia signálu dostatočne vysoká a roviny sú blízko seba, spätný prúd môže pretekať cez medzivrstvovú kapacitu, ktorá existuje medzi vrstvou zeme a napájacou vrstvou. Avšak kvôli nedostatku priameho vodivého spojenia pre spätný prúd je spätná cesta prerušená a toto prerušenie si môžeme predstaviť ako impedanciu medzi rovinami, ako je znázornené na obrázku nižšie.
správy14
Ak medzivrstvová kapacita nie je dostatočne veľká, elektrické pole sa rozloží na relatívne veľkú plochu dosky, takže impedancia medzivrstvy sa zníži a spätný prúd môže tiecť späť do vrchnej vrstvy. V tomto prípade môže pole generované týmto signálom interferovať s poľom signálu blízkej meniacej sa vrstvy. V to sme vôbec nedúfali. Bohužiaľ, na 4-vrstvovej doske s hrúbkou 0,062 palca sú vrstvy od seba ďaleko (najmenej 0,020 palca) a medzivrstvová kapacita je malá. V dôsledku toho dochádza k vyššie opísanej interferencii elektrického poľa. To nemusí spôsobiť problémy s integritou signálu, ale určite to vytvorí viac EMI. Preto sa pri použití kaskády vyhýbame zmene vrstiev, najmä pri vysokofrekvenčných signáloch, ako sú hodiny.
Bežnou praxou je pridať oddeľovací kondenzátor v blízkosti prechodového otvoru, aby sa znížila impedancia spätného prúdu, ako je znázornené na obrázku nižšie. Tento oddeľovací kondenzátor je však neúčinný pre VHF signály kvôli jeho nízkej vlastnej rezonančnej frekvencii. Pre striedavé signály s frekvenciami vyššími ako 200 – 300 MHz sa nemôžeme spoliehať na oddeľovacie kondenzátory pri vytváraní spätnej cesty s nízkou impedanciou. Preto potrebujeme oddeľovací kondenzátor (pre frekvencie pod 200 – 300 MHz) a relatívne veľký medziplošný kondenzátor pre vyššie frekvencie.
správy15
Tomuto problému sa dá vyhnúť tým, že sa nemení vrstva kľúčového signálu. Malá medziplošná kapacita štvorvrstvovej dosky však vedie k ďalšiemu vážnemu problému: prenosu energie. Digitálne hodinové integrované obvody zvyčajne vyžadujú veľké prechodové napájacie prúdy. S klesajúcou dobou nábehu/poklesu výstupu integrovaného obvodu musíme dodávať energiu vyššou rýchlosťou. Aby sme zabezpečili zdroj náboja, zvyčajne umiestňujeme oddeľovacie kondenzátory veľmi blízko každého logického integrovaného obvodu. Je tu však problém: keď prekročíme vlastné rezonančné frekvencie, oddeľovacie kondenzátory nemôžu efektívne ukladať a prenášať energiu, pretože pri týchto frekvenciách sa kondenzátor bude správať ako induktor.
Keďže väčšina dnešných integrovaných obvodov má rýchle časy nábehu/poklesu (približne 500 ps), potrebujeme dodatočnú oddeľovaciu štruktúru s vyššou vlastnou rezonančnou frekvenciou ako má oddeľovací kondenzátor. Medzivrstvová kapacita dosky plošných spojov môže byť účinnou oddeľovacou štruktúrou za predpokladu, že vrstvy sú dostatočne blízko pri sebe, aby poskytovali dostatočnú kapacitu. Preto okrem bežne používaných oddeľovacích kondenzátorov uprednostňujeme použitie blízko rozmiestnených výkonových a uzemňovacích vrstiev na zabezpečenie prechodového napájania digitálnych integrovaných obvodov.
Upozorňujeme, že kvôli bežnému výrobnému procesu dosiek plošných spojov zvyčajne nemáme medzi druhou a treťou vrstvou štvorvrstvovej dosky tenké izolanty. Štvorvrstvová doska s tenkými izolantmi medzi druhou a treťou vrstvou môže stáť oveľa viac ako bežná štvorvrstvová doska.