Bei den heutigen elektronischen Hochgeschwindigkeitsgeräten ist das PCB-Laminatdesign zu einem entscheidenden Faktor für die Produktleistung, Zuverlässigkeit und Kosten geworden. Hervorragendes PCB-Laminatdesign ist eine Präzisionskunst innerhalb der Elektronikentwicklung, die Elektromagnetik, Materialwissenschaft und Strukturmechanik integriert.
Warum ist PCB Stack-up Design so wichtig?
Die dreifache Herausforderung bei der Entwicklung elektronischer Geräte
Revolution der Geschwindigkeit: Moderne CPU-Taktfrequenzen haben die 5-GHz-Marke überschritten. Wenn die Signalflankenraten unter 1ns fallen, ist die Leiterplatte nicht mehr nur ein einfaches Verbindungsmedium, sondern wird zu einem komplexen Übertragungsleitungssystem. Wenn Hochgeschwindigkeitssignalleitungen zu lang sind oder auf Impedanzunterbrechungen stoßen, kommt es zu Signalreflexionen und -verzerrungen, ähnlich wie ein Echo in einem Tal, das den ursprünglichen Klang stört.
Explosion der Dichte: Smartphone-Hauptplatinen enthalten mehr als 1000 Komponenten mit BGA-Gehäusen, deren Pinabstände nur 0,4 mm betragen. Bei dieser Dichte ist ein einlagiges Routing wie eine U-Bahn-Station in der Hauptverkehrszeit - einfach unmöglich, die Verbindungsanforderungen zu erfüllen.
Lärmschutz: Der Schaltvorgang digitaler Signale erzeugt hochfrequente elektromagnetische Strahlung (EMI), die nicht nur die eigenen analogen Schaltungen (z. B. Audiomodule), sondern auch benachbarte Geräte stören kann. Strenge EMV-Zertifizierungsanforderungen machen die Rauschkontrolle zu einer Designnotwendigkeit.
Das Wesen der mehrlagigen Leiterplatten besteht darin, den Leitungsraum durch vertikale Stapelung zu erweitern und gleichzeitig elektromagnetische Schutzbarrieren zu errichten, ähnlich wie die Entwicklung einer Stadt von der flächigen Ausdehnung zur dreidimensionalen Konstruktion von Viadukten, U-Bahnen und Wolkenkratzern.
PCB Stack-up Grundlagen: Analyse der drei Kernmaterialien
Kern
- Strukturelle Merkmale: Starres Basismaterial mit Kupfer auf beiden Seiten, festes Isoliermaterial in der Mitte.
- Funktion: Bietet mechanische Unterstützung und eine stabile dielektrische Umgebung.
- Übliche Dicken: 0,1mm, 0,2mm, 0,3mm, 0,4mm, usw.
Prepreg (PP)
- Zusammensetzung: Glasfasergewebe, das mit teilweise ausgehärtetem Harz imprägniert ist.
- Rolle: Bindemittel bei der Laminierung, füllt Lücken zwischen verschiedenen Kernschichten.
- Eigenschaften: Etwas weicher als Kern, gute Fließfähigkeit beim Pressen.
Kupfer-Folie
- Funktion: Bildet Leiterbahnen zur Übertragung von Signalen und Strom.
- Übliche Dicken: 1/2 Unze (18μm), 1 Unze (35μm), 2 Unze (70μm).
- Typen: Standard-Kupferfolie, umkehrbehandelte Folie (RTF), Low-Profile-Folie (LP).
Schema eines typischen 4-Lagen-Leiterplattenaufbaus:
Oberste Schicht (Signal/Komponenten) - L1
PP (Bonding-Dielektrikum)
Kern (Dielektrikum)
Innenschicht 1 (Strom/Erde) - L2
Innere Schicht 2 (Strom/Erde) - L3
Kern (Dielektrikum)
PP (Bonding-Dielektrikum)
Untere Schicht (Signal/Komponenten) - L4
Die fünf goldenen Regeln des PCB Stack-up Designs
1. Das Symmetrieprinzip: Die Grundlage der Stabilität
- Kupferne Symmetrie: Typ und Dicke der Kupferfolie müssen für die entsprechenden Lagen identisch sein.
- Strukturelle Symmetrie: Spiegelsymmetrie des Lagenaufbaus oberhalb und unterhalb der Plattenmitte.
- Vorteil: Reduziert die Laminierspannung und verhindert den Verzug der Platine (Zielverzug < 0,1%).
- Beispiel: Die Lagen L2 und L5 in einer 6-Lagen-Platine sollten das gleiche Kupfergewicht und eine ähnliche Routing-Dichte aufweisen.
2. Vorrang der Referenzebene: Sicherstellung der Signalintegrität
- Adjacency-Prinzip: Jede Hochgeschwindigkeitssignalebene muss an eine solide Bezugsebene (Strom oder Masse) angrenzen.
- Ground Plane Präferenz: Eine Grundplatte ist im Allgemeinen eine bessere Referenz als eine Leistungsebene.
- Abstandsregelung: Der empfohlene Abstand zwischen Signalebene und Bezugsebene beträgt ≤ 5 mils (0,127 mm).
3. Hochgeschwindigkeits-Signaltrennung: Präzise elektromagnetische Steuerung
- Stripline-Vorteil: Kritische Hochgeschwindigkeitssignale (z. B. Taktgeber, differentielle Paare) sollten zwischen den internen Schichten geführt werden und eine "Sandwich"-Struktur bilden.
- Microstrip Anwendung: Für unkritische oder niederfrequente Signale können oberflächengeschichtete Mikrostrip-Leitungen verwendet werden.
- Vermeiden von Kreuzungsspalten: Es ist strengstens untersagt, dass Hochgeschwindigkeitssignale Splits in der Referenzebene kreuzen.
4. Leistungsintegritätsdesign: Stabile Energieversorgung
- Kurzkupplung: Der Abstand zwischen der Stromversorgungsschicht und der entsprechenden Erdungsschicht sollte innerhalb von 0,2 mm kontrolliert werden.
- Strategie der Entkopplung: Platzieren Sie Entkopplungskondensatoren in der Nähe von Stromeingängen und IC-Stromanschlüssen.
- Splitting der Ebene: Mehrspurige Stromversorgungssysteme erfordern eine sorgfältige Aufteilung der Ebenen, um Interferenzen zwischen verschiedenen Leistungsbereichen zu vermeiden.
5. Impedanzkontrolle: Präzise Anpassung für Hochgeschwindigkeitssignale
- Präzise Kalkulation: Verwenden Sie professionelle Tools wie Polar Si9000 für die Impedanzberechnung.
- Toleranzkontrolle: Single-ended 50Ω ±10%, Differential 100Ω ±10%.
- Berücksichtigung der Parameter: Leiterbahnbreite, dielektrische Dicke, Kupfergewicht und Dielektrizitätskonstante wirken sich alle auf die Endimpedanz aus.
Detaillierte Analyse typischer PCB-Aufbauschemata
4-Schicht-Platte: Der Balancepunkt zwischen Kosten und Leistung
Empfohlenes Schema: OBEN - GND - PWR - UNTEN
- Ebene 1: Signal/Bauteile (Microstrip)
- Schicht 2: Feste Bodenebene
- Schicht 3: Motorflugzeug
- Schicht 4: Signal/Bauteile (Microstrip)
Vorteile: Kostengünstigste mehrschichtige Option, bietet grundlegende Referenzebenen.
Benachteiligungen: Begrenzte Routing-Kanäle, durchschnittliche Hochgeschwindigkeitsleistung.
Anwendbare Szenarien: Unterhaltungselektronik, industrielle Steuerplatinen und andere Anwendungen mit mittlerer bis niedriger Geschwindigkeit.
6-Schicht-Karte: Die optimale Wahl des Preis-Leistungs-Verhältnisses
Schema 1 (Leistungsorientiert): OBEN - GND - SIG - PWR - GND - UNTEN
- Ebene 1: Signal/Komponenten
- Schicht 2: Erdungsebene (Referenzen L1 und L3)
- Schicht 3: Hochgeschwindigkeitssignale (Optimal Routing Layer)
- Schicht 4: Motorflugzeug
- Schicht 5: Bodenebene (Referenzen L4 und L6)
- Schicht 6: Signal/Komponenten
Vorteile: 3 dedizierte Routing-Lagen + 2 Erdungsebenen, gute Signalintegrität.
Anwendbare Szenarien: DDR3/4-Speicherschnittstellen, Gigabit Ethernet und andere Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
8-Lagen-Karte: Standard für High-End-Anwendungen
Empfohlenes Schema: OBEN - GND - SIG1 - PWR - GND - SIG2 - GND - UNTEN
- Ebene 1: Signal/Komponenten
- Schicht 2: Bodenebene
- Schicht 3: Hochgeschwindigkeits-Signale (SIG1)
- Schicht 4: Motorflugzeug
- Schicht 5: Bodenebene
- Schicht 6: Hochgeschwindigkeits-Signale (SIG2)
- Schicht 7: Bodenebene
- Schicht 8: Signal/Komponenten
Vorteile: 4 Routing-Lagen + 3 Erdungsebenen, bietet hervorragende EMV-Leistung und Signalintegrität.
Anwendbare Szenarien: Server-Motherboards, Hochgeschwindigkeitsnetzwerke und moderne Grafikkarten.
Fortgeschrittene Optimierungsstrategien und praktische Techniken
Materialauswahl: Abwägen von Leistung und Kosten
Standard FR-4:
- Geringste Kosten, geeignet für Anwendungen ≤ 1GHz.
- Dielektrizitätskonstante εr ≈ 4,2-4,5, Verlustfaktor tanδ ≈ 0,02.
Hochgeschwindigkeitsmaterialien (z. B. Panasonic Megtron 6, Isola I-Speed):
- Die Kosten sind 2-5 mal so hoch wie die von FR-4.
- εr ≈ 3,5-3,7, tanδ ≈ 0,002-0,005.
- Geeignet für 5G, Server und andere 10GHz+-Anwendungen.
Metallkern-Substrate (z. B. Aluminium):
- Wärmeleitfähigkeit bis zu 2-8 W/(m-K), 10-40 mal höher als FR-4.
- Geeignet für Hochleistungs-LEDs, Leistungsmodule und andere thermisch empfindliche Anwendungen.
Techniken zur Unterdrückung von Nebensprechen
3W-Regel: Abstand zwischen Hochgeschwindigkeitssignalleitungen ≥ 3x Leiterbahnbreite, kann die Feldkopplung um 70% reduzieren.
20H-Regel: Die Leistungsebene ist um das 20-fache der dielektrischen Dicke vom Rand entfernt, wodurch Streustrahlungseffekte unterdrückt werden.
Spuren bewachen: Legen Sie geerdete Schutzleiterbahnen neben besonders empfindliche Signalleitungen.
Strategien für das Wärmemanagement
Thermische Durchgänge: Anordnung von Durchkontaktierungen (z. B. φ0,3 mm) unter Hochleistungschips zur Ableitung von Wärme an die gegenüberliegenden Kupferschichten.
Auswahl des Kupfergewichts: Verwenden Sie 2 oz oder dickeres Kupfer für Hochstrompfade, um Erwärmung und Spannungsabfall zu reduzieren.
Thermische Symmetrie Design: Vermeiden Sie die Konzentration von Stromversorgungskomponenten, um lokale Hotspots zu vermeiden.
Überlegungen zum Herstellungsprozess und DFM-Prinzipien
Wichtige DFM-Punkte (Design for Manufacturability)
Leiterbahnbreite/Abstand:
- Standardverfahren: ≥ 4mil/4mil
- Feinlinienverfahren: ≥ 3mil/3mil
- HDI-Verfahren: ≥ 2mil/2mil
Über Design:
- Größe der Durchgangsbohrung: ≥ 0,3 mm (Standard), ≥ 0,2 mm (Laser Microvia)
- Padgröße: Lochdurchmesser + 8mil (Standard), Lochdurchmesser + 6mil (hohe Dichte)
Ebenenausrichtung:
- Schicht-zu-Schicht-Registrierungstoleranz: ±2-3mil
- Bei der Impedanzkontrolle müssen Dickenschwankungen aufgrund von Fehlregistrierungen der Schichten berücksichtigt werden.
Strategien zur Kostenoptimierung
Reduktion der Lagenzahl: Wählen Sie die Mindestanzahl von Schichten, die den Leistungsanforderungen entsprechen. 4-Schicht → 6-Schicht erhöht die Kosten um 30-50%.
Optimierung der Materialien: Verwenden Sie Standard-FR-4 in unkritischen Bereichen, reservieren Sie High-End-Materialien nur für Hochgeschwindigkeitsabschnitte.
Panelisierung Design: Optimieren Sie das Plattenlayout, um die Materialausnutzung auf 85-90% zu erhöhen.
Prozess Auswahl: Vermeiden Sie unnötige Spezialverfahren wie Via-in-Pad, spezielle Oberflächenbehandlungen.
Projekt-Hintergrund: Gigabit-Ethernet-Switchkarte mit DDR4-Speicher und mehreren SerDes-Kanälen.
Ursprüngliches Schema: OBEN - SIG1 - GND - PWR - SIG2 - UNTEN
Probleme: Starkes Übersprechen zwischen benachbarten SIG1- und SIG2-Schichten; Leistungsrauschen beeinträchtigt die SerDes-Leistung.
Optimiertes Schema: OBEN - GND - SIG1 - PWR - GND - UNTEN
Verbesserungen:
- Hinzufügen einer speziellen Grundplatte als Referenz für die obere Schicht und SIG1.
- Die SIG2-Schicht wurde auf die Grundplatte verlegt, um die Abschirmwirkung zu verbessern.
- Die enge Kopplung von Strom und Erde verringert die Impedanz des Stromverteilungsnetzes.
Ergebnisse: 40% Verbesserung der Signalintegrität, 6dB Erhöhung der EMI-Testspanne, 15% Erhöhung des Produktionsertrags.
Zusammenfassung
Das Design von Leiterplattenstapeln ist eine grundlegende Kernkompetenz in der Elektronikentwicklung. Ein ausgezeichnetes Stackup-Design kann die Produktleistung erheblich verbessern, ohne die Kosten zu erhöhen. Die Beherrschung des symmetrischen Designs, der Planung von Referenzebenen, der Impedanzkontrolle und der Prinzipien der Signalintegrität - bei gleichzeitiger Auswahl geeigneter Lagenzahlen und Materialien auf der Grundlage spezifischer Anwendungsszenarien - ist eine wesentliche Fähigkeit für jeden Hardwareingenieur.