วิธีการออกแบบการวางซ้อน PCB

การออกแบบแบบลามิเนตนั้นเป็นไปตามกฎสองข้อหลักๆ:

1. ชั้นสายไฟแต่ละชั้นจะต้องมีชั้นอ้างอิงที่อยู่ติดกัน (ชั้นไฟฟ้าหรือชั้นดิน)
2. ควรรักษาระยะห่างระหว่างชั้นพลังงานหลักและชั้นกราวด์ให้น้อยที่สุดเพื่อให้มีความจุการเชื่อมต่อที่มากขึ้น

 

ต่อไปนี้เป็นรายการสแต็กจากบอร์ดสองชั้นไปจนถึงบอร์ดแปดชั้นเพื่อเป็นตัวอย่างคำอธิบาย:

1. แผงวงจร PCB ด้านเดียวและแผงวงจร PCB สองด้าน

สำหรับบอร์ดสองชั้น เนื่องจากจำนวนชั้นมีน้อย จึงไม่มีปัญหาเรื่องการเคลือบอีกต่อไป การควบคุมการแผ่รังสี EMI ส่วนใหญ่พิจารณาจากการเดินสายไฟและการวางผัง

ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของบอร์ดแบบชั้นเดียวและสองชั้นมีความโดดเด่นมากขึ้นเรื่อยๆ สาเหตุหลักของปรากฏการณ์นี้คือพื้นที่วงรอบสัญญาณมีขนาดใหญ่เกินไป ซึ่งไม่เพียงแต่ก่อให้เกิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงเท่านั้น แต่ยังทำให้วงจรไวต่อสัญญาณรบกวนจากภายนอกอีกด้วย เพื่อปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวงจร วิธีที่ง่ายที่สุดคือการลดพื้นที่วงรอบสัญญาณหลัก

สัญญาณหลัก: จากมุมมองของความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า สัญญาณหลักส่วนใหญ่หมายถึงสัญญาณที่ก่อให้เกิดการแผ่รังสีแรงสูงและสัญญาณที่ไวต่อโลกภายนอก สัญญาณที่สามารถสร้างการแผ่รังสีแรงได้โดยทั่วไปจะเป็นสัญญาณแบบคาบ เช่น สัญญาณลำดับต่ำของนาฬิกาหรือแอดเดรส สัญญาณที่ไวต่อสัญญาณรบกวนคือสัญญาณแอนะล็อกที่มีระดับสัญญาณต่ำกว่า

บอร์ดชั้นเดียวและสองชั้นมักใช้ในการออกแบบอะนาล็อกความถี่ต่ำต่ำกว่า 10KHz:

1) เส้นทางพลังงานบนเลเยอร์เดียวกันจะถูกกำหนดเส้นทางในแนวรัศมี และความยาวรวมของเส้นจะลดลงเหลือน้อยที่สุด

2) เมื่อเดินสายไฟและสายดิน ควรวางสายดินไว้ใกล้กัน วางสายดินไว้ข้างสายสัญญาณหลัก และสายดินนี้ควรอยู่ใกล้กับสายสัญญาณมากที่สุด วิธีนี้จะทำให้พื้นที่วงรอบสัญญาณเล็กลงและลดความไวต่อการแผ่รังสีโหมดดิฟเฟอเรนเชียลต่อสัญญาณรบกวนจากภายนอก เมื่อติดตั้งสายดินไว้ข้างสายสัญญาณ จะเกิดวงรอบสัญญาณที่มีพื้นที่เล็กที่สุด และกระแสสัญญาณจะไหลผ่านวงรอบสัญญาณนี้แทนสายดินอื่นๆ

3) หากเป็นแผงวงจรสองชั้น คุณสามารถวางสายดินตามแนวสายสัญญาณที่อีกด้านหนึ่งของแผงวงจร ใต้สายสัญญาณทันที โดยสายแรกควรมีความกว้างมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ พื้นที่วงรอบที่เกิดขึ้นด้วยวิธีนี้จะเท่ากับความหนาของแผงวงจรคูณด้วยความยาวของสายสัญญาณ

 

ลามิเนต 2 และ 4 ชั้น

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

สำหรับการออกแบบแผ่นลามิเนตสองแบบข้างต้น ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นคือความหนาของแผ่นแบบดั้งเดิมที่ 1.6 มม. (62 มิล) ระยะห่างระหว่างชั้นจะกว้างมาก ซึ่งไม่เพียงแต่ส่งผลเสียต่อการควบคุมอิมพีแดนซ์ การเชื่อมต่อระหว่างชั้น และการป้องกันสัญญาณรบกวนเท่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ระยะห่างระหว่างแผ่นกราวด์ไฟฟ้าที่กว้างจะลดความจุของแผ่นและไม่เอื้อต่อการกรองสัญญาณรบกวน

สำหรับรูปแบบแรก มักใช้ในสถานการณ์ที่มีชิปบนบอร์ดจำนวนมาก รูปแบบนี้สามารถให้ประสิทธิภาพ SI ที่ดีขึ้นได้ แต่ไม่ดีนักสำหรับประสิทธิภาพ EMI โดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านการเดินสายและรายละเอียดอื่นๆ ที่ต้องควบคุม ข้อควรระวัง: ชั้นกราวด์วางอยู่บนชั้นเชื่อมต่อของชั้นสัญญาณที่มีสัญญาณหนาแน่นที่สุด ซึ่งเป็นประโยชน์ในการดูดซับและยับยั้งการแผ่รังสี เพิ่มพื้นที่ของบอร์ดเพื่อสะท้อนกฎ 20H

สำหรับโซลูชันที่สอง มักใช้เมื่อความหนาแน่นของชิปบนบอร์ดต่ำเพียงพอและมีพื้นที่รอบชิปเพียงพอ (วางชั้นทองแดงกำลังไฟฟ้าที่จำเป็น) ในรูปแบบนี้ ชั้นนอกของ PCB คือชั้นกราวด์ และสองชั้นกลางคือชั้นสัญญาณ/กำลังไฟฟ้า แหล่งจ่ายไฟบนชั้นสัญญาณจะถูกจัดวางด้วยเส้นสายกว้าง ซึ่งทำให้ความต้านทานของเส้นทางของกระแสไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟต่ำลง และความต้านทานของเส้นทางไมโครสตริปสัญญาณก็ต่ำเช่นกัน และชั้นนอกยังสามารถป้องกันรังสีของสัญญาณในชั้นในได้ด้วย จากมุมมองของการควบคุม EMI นี่คือโครงสร้าง PCB 4 ชั้นที่ดีที่สุดที่มีอยู่

ข้อควรระวัง: ควรขยายระยะห่างระหว่างชั้นกลางสองชั้นของชั้นผสมสัญญาณและกำลังไฟฟ้า และทิศทางการเดินสายควรเป็นแนวตั้งเพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวน ควรควบคุมพื้นที่บอร์ดให้เหมาะสมเพื่อให้สอดคล้องกับกฎ 20H หากต้องการควบคุมความต้านทานของสายไฟ วิธีแก้ปัญหาข้างต้นควรระมัดระวังในการวางสายให้มาก สายไฟถูกจัดวางอยู่ใต้เกาะทองแดงสำหรับแหล่งจ่ายไฟและสายดิน นอกจากนี้ ควรเชื่อมต่อทองแดงบนชั้นแหล่งจ่ายไฟหรือสายดินให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อ DC และความถี่ต่ำ

 

 

ลามิเนตสามชั้นหกชั้น

สำหรับการออกแบบที่มีความหนาแน่นของชิปสูงกว่าและความถี่สัญญาณนาฬิกาสูงกว่า ควรพิจารณาการออกแบบบอร์ด 6 ชั้น และแนะนำให้ใช้วิธีการซ้อนกัน:

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

สำหรับรูปแบบนี้ รูปแบบแผ่นลามิเนตประเภทนี้สามารถให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ดีขึ้นได้ โดยชั้นสัญญาณจะอยู่ติดกับชั้นกราวด์ ชั้นกำลังไฟฟ้าและชั้นกราวด์จะจับคู่กัน ทำให้สามารถควบคุมอิมพีแดนซ์ของแต่ละชั้นสายไฟได้ดีขึ้น และชั้นสองชั้นสามารถดูดซับเส้นสนามแม่เหล็กได้ดี และเมื่อแหล่งจ่ายไฟและชั้นกราวด์เสร็จสมบูรณ์ ก็จะสามารถให้เส้นทางกลับที่ดีขึ้นสำหรับแต่ละชั้นสัญญาณ

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

สำหรับรูปแบบนี้ รูปแบบนี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ความหนาแน่นของอุปกรณ์ไม่สูงมากนัก การเคลือบแบบนี้มีข้อดีทั้งหมดของการเคลือบด้านบน และระนาบกราวด์ของชั้นบนและชั้นล่างค่อนข้างสมบูรณ์ ซึ่งสามารถใช้เป็นชั้นป้องกันที่ดีกว่าได้ ควรสังเกตว่าชั้นพลังงานควรอยู่ใกล้กับชั้นที่ไม่ใช่พื้นผิวส่วนประกอบหลัก เนื่องจากระนาบของชั้นล่างจะสมบูรณ์กว่า ดังนั้น ประสิทธิภาพ EMI จึงดีกว่าโซลูชันแรก

สรุป: สำหรับโครงร่างแผงวงจรหกชั้น ควรลดระยะห่างระหว่างชั้นจ่ายไฟและชั้นกราวด์ให้น้อยที่สุดเพื่อให้ได้กำลังไฟและการเชื่อมต่อกราวด์ที่ดี อย่างไรก็ตาม แม้ว่าความหนาของแผงวงจรจะอยู่ที่ 62 มิล และระยะห่างระหว่างชั้นจะลดลง แต่ก็ไม่ง่ายที่จะควบคุมระยะห่างระหว่างแหล่งจ่ายไฟหลักและชั้นกราวด์ให้แคบลง เมื่อเปรียบเทียบโครงร่างแรกกับโครงร่างที่สอง ค่าใช้จ่ายของโครงร่างที่สองจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังนั้น เราจึงมักเลือกตัวเลือกแรกเมื่อวางซ้อน เมื่อออกแบบ ให้ปฏิบัติตามกฎ 20H และการออกแบบกฎของชั้นมิเรอร์

ลามิเนต 4 และ 8 ชั้น

1. วิธีนี้ไม่เหมาะสมสำหรับการซ้อน เนื่องจากมีการดูดซับแม่เหล็กไฟฟ้าต่ำและมีอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่ายไฟสูง โครงสร้างมีดังนี้:
1.พื้นผิวส่วนประกอบสัญญาณ 1 ชั้นสายไมโครสตริป
2. สัญญาณชั้นสายไมโครสตริปภายใน 2 ชั้น สายดีกว่า (ทิศทาง X)
3.พื้นดิน
4. เลเยอร์กำหนดเส้นทางสัญญาณแบบ 3 stripline เลเยอร์กำหนดเส้นทางที่ดีขึ้น (ทิศทาง Y)
5.เลเยอร์การกำหนดเส้นทางสัญญาณ 4 สตริปไลน์
6.พลัง
7. สัญญาณ 5 ชั้นสายไมโครสตริปภายใน
8.ชั้นร่องรอยไมโครสตริปสัญญาณ 6

2. เป็นรูปแบบหนึ่งของวิธีการเรียงซ้อนแบบที่สาม เนื่องจากมีการเพิ่มชั้นอ้างอิง จึงทำให้มีประสิทธิภาพ EMI ที่ดีขึ้น และสามารถควบคุมค่าอิมพีแดนซ์เฉพาะของแต่ละชั้นสัญญาณได้ดี
1.พื้นผิวส่วนประกอบสัญญาณ 1 ชั้นสายไมโครสตริป ชั้นสายดี
2. ชั้นพื้นดิน ความสามารถในการดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดี
3. เลเยอร์กำหนดเส้นทางสตริปไลน์ 2 สัญญาณ เลเยอร์กำหนดเส้นทางที่ดี
4. ชั้นพลังงานไฟฟ้า สร้างการดูดซับแม่เหล็กไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมด้วยชั้นพื้นดินด้านล่าง 5. ชั้นพื้นดิน
6.เลเยอร์กำหนดเส้นทางสัญญาณ 3 สตริปไลน์ เลเยอร์กำหนดเส้นทางที่ดี
7. ชั้นพลังงานที่มีอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่ายไฟขนาดใหญ่
8.ชั้นเดินสายไมโครสตริปสัญญาณ 4 ชั้นเดินสายดี

3. วิธีการวางซ้อนที่ดีที่สุด เนื่องจากการใช้ระนาบอ้างอิงพื้นดินหลายชั้น จึงมีความสามารถในการดูดซับแม่เหล็กโลกที่ดีมาก
1.พื้นผิวส่วนประกอบสัญญาณ 1 ชั้นสายไมโครสตริป ชั้นสายดี
2. ชั้นพื้นดิน ความสามารถในการดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดีขึ้น
3. เลเยอร์กำหนดเส้นทางสตริปไลน์ 2 สัญญาณ เลเยอร์กำหนดเส้นทางที่ดี
4. ชั้นพลังงานไฟฟ้า สร้างการดูดซับแม่เหล็กไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมด้วยชั้นพื้นดินด้านล่าง 5. ชั้นพื้นดิน
6.เลเยอร์กำหนดเส้นทางสัญญาณ 3 สตริปไลน์ เลเยอร์กำหนดเส้นทางที่ดี
7. ชั้นพื้นดิน ความสามารถในการดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดีขึ้น
8.ชั้นเดินสายไมโครสตริปสัญญาณ 4 ชั้นเดินสายดี

การเลือกจำนวนชั้นของบอร์ดที่ใช้ในการออกแบบและวิธีการวางซ้อนบอร์ดขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น จำนวนเครือข่ายสัญญาณบนบอร์ด ความหนาแน่นของอุปกรณ์ ความหนาแน่นของ PIN ความถี่ของสัญญาณ ขนาดบอร์ด และอื่นๆ เราต้องพิจารณาปัจจัยเหล่านี้อย่างครอบคลุม สำหรับเครือข่ายสัญญาณจำนวนมาก ยิ่งความหนาแน่นของอุปกรณ์สูง ความหนาแน่นของ PIN ก็ยิ่งสูง และความถี่ของสัญญาณก็สูงขึ้น ควรเลือกใช้การออกแบบบอร์ดแบบหลายชั้นให้มากที่สุด เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ EMI ที่ดี ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าแต่ละชั้นสัญญาณมีชั้นอ้างอิงของตัวเอง