I nutidens højhastighedselektronik er PCB-laminatdesign blevet en kritisk faktor, der bestemmer produktets ydeevne, pålidelighed og omkostninger. Fremragende PCB-laminatdesign repræsenterer en præcisionskunst inden for elektronisk teknik, der integrerer elektromagnetik, materialevidenskab og strukturel mekanik.
Hvorfor er PCB-stack-up-design så vigtigt?
Den tredobbelte udfordring i udviklingen af elektroniske enheder
Hastighedsrevolution: Moderne CPU-frekvenser har oversteget 5 GHz. Når signalkanthastighederne falder til under 1ns, er printkortet ikke længere bare et simpelt forbindelsesmedie, men bliver et komplekst transmissionslinjesystem. Hvis højhastighedssignalspor er for lange eller støder på impedansdiskontinuiteter, opstår der signalrefleksion og forvrængning, ligesom et ekko i en dal, der forstyrrer den oprindelige lyd.
Tæthedseksplosion: Smartphone-bundkort indeholder over 1000 komponenter med BGA-pakker med pin-afstand helt ned til 0,4 mm. Ved denne tæthed er enkeltlags-routing som en metrostation i myldretiden - det er simpelthen umuligt at opfylde forbindelseskravene.
Støjkontrol: Digitale signalers øjeblikkelige skift genererer højfrekvent elektromagnetisk stråling (EMI), som ikke kun kan forstyrre dens egne analoge kredsløb (f.eks. lydmoduler), men også tilstødende enheder. Strenge krav til EMC-certificering gør støjkontrol til en designmæssig nødvendighed.
Essensen af PCB'er i flere lag er at udvide routingområdet gennem lodret stabling og samtidig konstruere elektromagnetiske beskyttelsesbarrierer, ligesom en bys udvikling fra planar udvidelse til tredimensionel konstruktion af viadukter, undergrundsbaner og skyskrabere.
Grundlæggende om PCB-stack-up: Analyse af de tre kernematerialer
Kerne
- Strukturelle karakteristika: Stivt grundmateriale med kobber på begge sider, fast isolerende materiale i midten.
- Funktion: Giver mekanisk støtte og et stabilt dielektrisk miljø.
- Almindelige tykkelser: 0,1 mm, 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm osv.
Prepreg (PP)
- Sammensætning: Glasfiberdug imprægneret med delvist hærdet harpiks.
- Rolle: Klæbemateriale under laminering, udfylder mellemrum mellem forskellige kernelag.
- Ejendomme: Lidt blødere end kernen, god flydeevne under presning.
Kobberfolie
- Funktion: Danner ledende spor til at overføre signaler og strøm.
- Almindelige tykkelser: 1/2 oz (18μm), 1 oz (35μm), 2 oz (70μm).
- Typer: Standard kobberfolie, omvendt behandlet folie (RTF), lavprofilfolie (LP).
Skematisk oversigt over en typisk 4-lags printplade:
Øverste lag (signal/komponenter) - L1
PP (bindingsdielektrikum)
Kerne (dielektrikum)
Indre lag 1 (strøm/jord) - L2
Indre lag 2 (strøm/jord) - L3
Kerne (dielektrikum)
PP (bindingsdielektrikum)
Nederste lag (signal/komponenter) - L4
De fem gyldne regler for PCB-stack-up-design
1. Symmetriprincippet: Grundlaget for stabilitet
- Symmetri i kobber: Kobberfolietype og -tykkelse skal være identisk for de tilsvarende lag.
- Strukturel symmetri: Spejlsymmetri i lagstrukturen over og under pladens midte.
- Fordel: Reducerer lamineringsspændingen, forhindrer boardwarpage (target warpage < 0,1%).
- Eksempel: Lag L2 og L5 i et 6-lags kort skal bruge den samme kobbervægt og lignende routing-tæthed.
2. Prioritering af referenceplan: Sikring af signalintegritet
- Adjacensprincippet: Hvert højhastighedssignallag skal støde op til et solidt referenceplan (strøm eller jord).
- Præference for jordplan: Et jordplan er generelt en bedre reference end et effektplan.
- Kontrol af afstand: Den anbefalede afstand mellem signallag og referenceplan er ≤ 5 mils (0,127 mm).
3. Isolering af højhastighedssignaler: Præcis elektromagnetisk kontrol
- Stripline-fordel: Kritiske højhastighedssignaler (f.eks. ure, differentielle par) skal føres mellem interne lag og danne en "sandwich"-struktur.
- Mikrostrip-anvendelse: Ikke-kritiske eller lavfrekvente signaler kan bruge mikrostrip-linjer i overfladelag.
- Undgå at krydse splittelser: Det er strengt forbudt for højhastighedssignaler at krydse splits i referenceplanet.
4. Design af strømintegritet: Stabil levering af energi
- Tæt kobling: Afstanden mellem strømlaget og det tilsvarende jordlag skal kontrolleres inden for 0,2 mm.
- Afkoblingsstrategi: Placer afkoblingskondensatorer nær strømindgangspunkter og IC-strømstifter.
- Opdeling af plan: Strømforsyningssystemer med flere skinner kræver omhyggelig planopdeling for at undgå interferens mellem forskellige strømdomæner.
5. Kontrol af impedans: Præcis tilpasning til højhastighedssignaler
- Præcis beregning: Brug professionelle værktøjer som Polar Si9000 til impedansberegning.
- Kontrol af tolerance: Single-ended 50Ω ±10%, Differential 100Ω ±10%.
- Overvejelser om parametre: Tracebredde, dielektrisk tykkelse, kobbervægt og dielektrisk konstant påvirker alle den endelige impedans.
Detaljeret analyse af typiske PCB-stack-up-skemaer
4-lags plade: Balancepunktet mellem omkostninger og ydeevne
Anbefalet ordning: TOP - GND - PWR - BUND
- Lag 1: Signal/komponenter (mikrostrip)
- Lag 2: Fast grundplan
- Lag 3: Power Plane
- Lag 4: Signal/komponenter (mikrostrip)
Fordele: Den billigste løsning med flere lag, giver grundlæggende referenceplaner.
Ulemper: Begrænsede routingkanaler, gennemsnitlig højhastighedsydelse.
Gældende scenarier: Forbrugerelektronik, industrielle kontrolkort og andre applikationer med mellem til lav hastighed.
6-lags plade: Det optimale valg mellem omkostninger og ydeevne
Skema 1 (præstationsfokuseret): TOP - GND - SIG - PWR - GND - BUND
- Lag 1: Signal/komponenter
- Lag 2: Jordplan (referencer L1 og L3)
- Lag 3: Højhastighedssignaler (Optimal Routing Layer)
- Lag 4: Power Plane
- Lag 5: Jordplan (referencer L4 og L6)
- Lag 6: Signal/komponenter
Fordele: 3 dedikerede routinglag + 2 jordplaner, god signalintegritet.
Gældende scenarier: DDR3/4-hukommelsesgrænseflader, Gigabit Ethernet og andre højhastighedsapplikationer.
8-lags plade: Standard for avancerede applikationer
Anbefalet ordning: TOP - GND - SIG1 - PWR - GND - SIG2 - GND - BUND
- Lag 1: Signal/komponenter
- Lag 2: Jordplan
- Lag 3: Højhastighedssignaler (SIG1)
- Lag 4: Power Plane
- Lag 5: Jordplan
- Lag 6: Højhastighedssignaler (SIG2)
- Lag 7: Jordplan
- Lag 8: Signal/komponenter
Fordele: 4 routinglag + 3 jordplaner, giver fremragende EMC-ydelse og signalintegritet.
Gældende scenarier: Server-bundkort, højhastighedsnetværksudstyr og avancerede grafikkort.
Avancerede optimeringsstrategier og praktiske teknikker
Valg af materiale: Balance mellem ydeevne og omkostninger
Standard FR-4:
- Laveste pris, velegnet til applikationer ≤ 1 GHz.
- Dielektrisk konstant εr ≈ 4,2-4,5, Dissipationsfaktor tanδ ≈ 0,02.
Materialer til høje hastigheder (f.eks. Panasonic Megtron 6, Isola I-Speed):
- Prisen er 2-5 gange højere end for FR-4.
- εr ≈ 3,5-3,7, tanδ ≈ 0,002-0,005.
- Velegnet til 5G, servere og andre 10GHz+ applikationer.
Substrater med metalkerne (f.eks. aluminium):
- Varmeledningsevne op til 2-8 W/(m-K), 10-40 gange så høj som FR-4.
- Velegnet til højeffekt-LED'er, strømmoduler og andre termisk følsomme scenarier.
Teknikker til undertrykkelse af krydstale
3W-regel: Afstand mellem højhastighedssignalspor ≥ 3x sporbredde, kan reducere feltkobling med 70%.
20H-regel: Effektplanet er indsat med 20 gange den dielektriske tykkelse fra kanten, hvilket undertrykker fringing-strålingseffekter.
Vagtspor: Placer jordede beskyttelsesbaner langs særligt følsomme signallinjer.
Strategier for termisk styring
Termiske vias: Array af vias (f.eks. φ0,3 mm) under højeffektchips for at lede varmen til kobberlagene på den modsatte side.
Valg af kobbervægt: Brug 2 oz eller tykkere kobber til højstrømsstier for at reducere opvarmning og spændingsfald.
Design med termisk symmetri: Undgå at koncentrere strømkomponenter for at forhindre lokale hot spots.
Overvejelser om fremstillingsprocesser og DFM-principper
Vigtige punkter i design for fremstillbarhed (DFM)
Sporbredde/afstand:
- Standardproces: ≥ 4mil/4mil
- Fin linjeproces: ≥ 3mil/3mil
- HDI-proces: ≥ 2mil/2mil
Via design:
- Størrelse på gennemgående hul: ≥ 0,3 mm (standard), ≥ 0,2 mm (laser-mikrovia)
- Padstørrelse: Huldiameter + 8 mil (standard), huldiameter + 6 mil (høj densitet)
Justering af lag:
- Lag-til-lag-registreringstolerance: ±2-3mil
- Impedansstyring skal tage højde for tykkelsesvariationer på grund af fejlregistrering af lag.
Strategier til optimering af omkostninger
Reduktion af antal lag: Vælg det mindste antal lag, der opfylder kravene til ydeevne. 4-lag → 6-lag øger omkostningerne med 30-50%.
Optimering af materialer: Brug standard FR-4 i ikke-kritiske områder, og reserver kun avancerede materialer til højhastighedssektioner.
Paneliseringsdesign: Optimer panellayoutet for at øge materialeudnyttelsen til 85-90%.
Valg af proces: Undgå unødvendige specialprocesser som via-in-pad, særlige overfladebehandlinger.
Projektets baggrund: Gigabit Ethernet-switchkort med DDR4-hukommelse og flere SerDes-kanaler.
Oprindelig ordning: TOP - SIG1 - GND - PWR - SIG2 - BUND
Problemer: Alvorlig krydstale mellem tilstødende SIG1- og SIG2-lag; strømstøj, der påvirker SerDes-ydelsen.
Optimeret skema: TOP - GND - SIG1 - PWR - GND - BUND
Forbedringer:
- Tilføjet et dedikeret jordplan for at give reference til det øverste lag og SIG1.
- Ændrede SIG2-laget til jordplanet, hvilket forbedrede afskærmningens effektivitet.
- Tæt kobling mellem strøm og jord reducerer impedansen i strømforsyningsnettet.
Resultater: 40% forbedring af signalintegritet, 6dB stigning i EMI-testmargin, 15% stigning i produktionsudbytte.
Sammenfatning
PCB-stackup-design er en grundlæggende kernekompetence inden for elektronik. Et fremragende stackup-design kan forbedre produktets ydeevne betydeligt uden at øge omkostningerne. At beherske symmetrisk design, referenceplanplanlægning, impedanskontrol og signalintegritetsprincipper - samtidig med at man vælger passende lagantal og materialer baseret på specifikke anvendelsesscenarier - er en vigtig evne for enhver hardwareingeniør.