PCB-kerrostussuunnitteluopas

Piirilevyn kerrostussuunnittelu on yksi tärkeimmistä vaiheista piirilevyn kehitystyössä. Hyvin suunniteltu kerrostus parantaa signaalin eheyttä, virranjakelua, sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC), lämmönhallintaa ja valmistuksen yleistä luotettavuutta.

Monet testauksen aikana ilmenneet piirilevyongelmat eivät johdu piirikaavion virheistä tai komponenttien valinnasta, vaan huonosta kerrosten järjestelystä ja puutteellisesta kerrosten suunnittelusta.

Olipa kyseessä sitten yksinkertainen nelikerroksinen piirilevy tai monimutkainen nopea tietoliikennejärjestelmä, kerrostussuunnittelun periaatteiden ymmärtäminen voi auttaa parantamaan suorituskykyä ja vähentämään valmistusriskejä.

Mikä on piirilevyn kerrostus?

Piirilevyn kerrostuksella tarkoitetaan kuparikerrosten ja dielektristen materiaalien järjestystä, jotka muodostavat monikerroksisen piirilevyn.

Pino määrittelee:

• Signaalikerrosten sijoittelu
• Voimakoneen rakenne
• Maatasokokoonpano
• Materiaalin paksuus
• Kuparin paksuus
• Säädellyt impedanssiparametrit

Kerrosten rakenne vaikuttaa suoraan laitteen sähköisiin ominaisuuksiin ja valmistettavuuteen.

Pinoaminen on aina suunniteltava ennen reitityksen aloittamista, koska johtojen leveydet, välimatkat, impedanssiarvot ja paluuvirran reitit riippuvat kerrosten järjestyksestä.

Miksi piirilevyn kerrosten rakenne on tärkeää

Oikein suunniteltu kerrostusrakenne tarjoaa useita tärkeitä etuja.

Parannettu signaalin eheys

Nopeat signaalit edellyttävät vakaita vertailutasoja ja hallittua impedanssia.

Oikeanlainen kerrosten suunnittelu auttaa vähentämään:

• Signaalin heijastukset
• CrosstalkN/OFF)
• Ajoitusvirheet
• Tietojen vioittuminen

Parempi EMI-suorituskyky

Sähkömagneettiset häiriöt ovat yhä merkittävämpi tekijä nykyaikaisissa elektroniikkatuotteissa.

Tasapainoinen kerrostus auttaa:

• Vähennä säteilyaltistusta
• Vähennä alttiutta ulkoiselle melulle
• Paranna EMC-vaatimustenmukaisuutta

Vakaa virranjakelu

Virransyötön toimintavarmuus jää usein huomiotta piirilevyjen suunnittelussa.

Oikeanlaiset lentokoneen rakenteet auttavat:

• Vähennä jännitteen vaihteluita
• Pienempi virrankulutus
• Paranna järjestelmän vakautta

Helpompi valmistus

Tasapainoinen kerrostus parantaa:

• Laminoinnin vakaus
• Rekisteröinnin tarkkuus
• Tuottoprosentit
• Tuotannon yleinen tasaisuus

Aiheeseen liittyvä palvelu: Monikerroksisen PCB:n valmistus

Piirilevyn kerrostuksen peruskomponentit

Signaalikerrokset

Signaalikerroksissa kulkee digitaalisia, analogisia, radiotaajuus- ja virtajohdotuksia.

Nämä tasot tulisi sijoittaa mahdollisuuksien mukaan lähelle kiinteitä vertailutasoja.

Maatasot

Maatasot toimivat paluuvirran reitteinä ja suojauksena.

Yhtenäiset maatasot ovat yksi tehokkaimmista tavoista parantaa signaalin eheyttä.

Etuihin kuuluvat:

• Vähentynyt sähkömagneettinen häiriö
• Pienempää impedanssia olevat paluureitit
• Parempi melunhallinta

Moottorilentokoneet

Virtatasot jakavat jännitteen piirilevyn eri osiin.

Erilliset virtakerrokset auttavat vähentämään jännitehäviötä ja parantavat virransyöttöä.

Dielektriset kerrokset

Dielektriset materiaalit erottavat kuparikerrokset toisistaan.

Niiden ominaisuudet vaikuttavat:

• Impedanssi
• Signaalin etenemisnopeus
• Sähköinen eristys
• piirilevyn paksuus

Materiaalivalinta on erityisen tärkeää suurinopeuksisissa ja radiotaajuussovelluksissa.

Aiheeseen liittyvä artikkeli: Korkeataajuisten piirilevyjen valmistus

Yleisiä piirilevyjen kerrostusrakenteita

2-kerroksinen piirilevyrakenne

Tyypillinen rakenne:

• Top Signal
• Alas-signaali

Yleisiä käyttökohteita:

• Viihde-elektroniikka
• LED-tuotteet
• Yksinkertaiset ohjauspiirit

Edut:

• Alhaiset kustannukset
• Yksinkertainen valmistus

Rajoitukset:

• Huono EMI-hallinta
• Rajoitettu reititystila

4-kerroksinen piirilevyrakenne

Yleinen kokoonpano:

Edut:

• Parannettu signaalin eheysN/OFF)
• Parempi EMI-suorituskyky
• Helppokäyttöisempi impedanssin säätö

Tämä on usein teollisuuselektroniikan suosituin lähtökohta.

6-kerroksinen PCB Stackup

Tyypillinen esimerkki:

Etuihin kuuluvat:

• Suurempi reititystiheys
• Parempi eristys
• Parannettu sähkömagneettinen yhteensopivuus

8-kerroksiset ja sitä paksummat kerrostukset

Edistyneissä sovelluksissa käytetään usein:

• 8-kerroksiset PCB:t
• 10-kerroksiset piirilevyt
• 12-kerroksiset PCB:t
• 16-kerroksiset piirilevyt ja sitä paksummat

Nämä rakenteet tukevat:

• Nopeat prosessorit
• Verkkolaitteet
• Tekoälylaitteistot
• Viestintäjärjestelmät
• Ilmailu- ja avaruuselektroniikka

PCB-kerrostuksen suunnitteluperiaatteet

Pidä maatasot yhtenäisinä

Maatasojen katkokset pakottavat paluuvirrat etsimään vaihtoehtoisia reittejä.

Tämä voi lisätä:

• EMIN/OFF)
• Signaalin vääristymä
• CrosstalkN/OFF)

Yleensä suositaan jatkuvia vertailutasoja.

Sijoita signaalikerrokset viitetasojen viereen

Jokaisella nopealla signaalilla tulisi olla lähellä oleva vertailutaso.

Etuihin kuuluvat:

• Vakaa impedanssi
• Päästöjen vähentäminen
• Parempi signaalin laatu

Säilytä kerrosten symmetria

Symmetrinen kerrostus auttaa vähentämään piirilevyn vääntymistä valmistuksen aikana.

Tasapainoinen kuparijakauma parantaa myös laminoinnin vakautta.

Erota nopeat ja häiritsevät signaalit toisistaan

Herkät piirit on eristettävä seuraavista:

• Virtalähteet
• Moottorin kuljettajat
• Suurvirtajohdot
• RF-lähettimet

Oikea taajuusalueiden jakaminen auttaa vähentämään häiriöitä.

Säädellyn impedanssin ja kerrostussuunnittelu

Nykyaikaisissa liitäntöissä tarvitaan usein impedanssin hallintaa.

Yleisiä kohteita ovat:

Impedanssi riippuu seuraavista tekijöistä:

• Viivan leveys
• Kuparin paksuus
• Dielektrisen kerroksen paksuus
• Materiaalin dielektrisyysvakio
• Kerrosten järjestys

Valmistajat laskevat impedanssiarvot yleensä hyväksytyn kerrostusrakenteen perusteella ennen tuotannon aloittamista.

Pinoamissuunnittelu suurinopeuksisille piirilevyille

Tiedonsiirtonopeuksien kasvaessa kerrostuksen laatu tulee yhä tärkeämmäksi.

Suunnittelussa on otettava huomioon seuraavat seikat:

Paluuvirran reitit

Nopeat signaalit edellyttävät aina matalan impedanssin paluureittejä.

Huonosti suunniteltu paluureitti aiheuttaa usein signaalin eheysongelmia.

Kerrosten siirtymien hallinta

Jokainen läpivienti aiheuttaa sähköisiä katkoja.

Suunnittelijoiden tulisi välttää tarpeettomia kerrosten vaihtumisia mahdollisuuksien mukaan.

Differentiaaliparin reititys

Differentiaalisignaalit edellyttävät:

• Tasaiset välit
• Pituuden sovittaminen
• Vakaat vertailutason

Nämä tekijät on otettava huomioon kerrostussuunnittelussa.

Materiaalivalinta piirilevyjen kerrostuksissa

Standardi FR4

Sopii:

• Teollisuuselektroniikka
• Kuluttajatuotteet
• Yleiskäyttöiset mallit

Edut:

• Kustannustehokas
• Helpposti saatavilla
• Helppo valmistaa

Vähähäviöiset materiaalit

Sovelluksissa, joissa tarvitaan korkeampia taajuuksia, voidaan käyttää:

• Rogersin materiaalit
• Panasonicin laminaatit
• Isola-nopeat materiaalit

Etuihin kuuluvat:

• Vähennetty lisäyshäviö
• Parempi signaalin laatu
• Parannettu korkeiden taajuuksien toisto

Lämpötekniset näkökohdat kerrostussuunnittelussa

Lämmönhallintaan tulisi kiinnittää huomiota jo suunnitteluprosessin alkuvaiheessa.

Pinoamisvalinnat vaikuttavat:

• Lämmön leviäminen
• Lämpövastus
• Sähkönjakelu

Tekniikoita ovat muun muassa:

• Paksut kuparikerrokset
• Termiset läpiviennit
• Erilliset kuparitasot
• Metallirunkoiset rakenteet

Aiheeseen liittyvä palvelu: Metallisydäninen piirilevy

Valmistukseen liittyvät seikat

Vaikka kerrostus näyttää kelvolliselta CAD-ohjelmistossa, se voi silti aiheuttaa valmistuksessa ongelmia.

Insinöörien tulisi ottaa huomioon seuraavat seikat:

Kuparin tasapaino

Kuparin epätasainen jakautuminen voi aiheuttaa:

• Vääntyminen
• Laminointiongelmat
• Ilmoittautumisongelmat

Vakiomateriaalien saatavuus

Vakiopaksuisia prepreg-materiaaleja ja ytimiä käyttämällä voidaan usein alentaa valmistuskustannuksia ja lyhentää toimitusaikaa.

Poran kuvasuhde

Kerrosten paksuus vaikuttaa suoraan porauskykyyn.

Liian suuret kuvasuhteet voivat heikentää tuotannon saantoa.

Kerroksen rekisteröinti

Suurempi kerrosmäärä vaatii tarkempaa kohdistuksen hallintaa.

Valmistajien tulisi tarkistaa kerrostukset DFM-analyysin yhteydessä valmistettavuuden varmistamiseksi.

Aiheeseen liittyvää lukemista: Miten löytää PCB-valmistaja, jolla on nopea läpimenoaika

Yleisiä virheitä pinon suunnittelussa

Yleisimpiä ongelmia ovat muun muassa:

• Puuttuvat maatasot
• Heikko kerrosten symmetria
• Liian tiheät kerrosten vaihdot
• Virheelliset impedanssilaskelmat
• Sekasignaalien ja virtajohdotuksen reititys
• Meluisien ja herkän piirien välinen eristys on riittämätön

Monet näistä ongelmista voidaan välttää aloittamalla yhteistyö piirilevyvalmistajan kanssa jo varhaisessa vaiheessa.

Yhteistyö piirilevyvalmistajan kanssa

Pinojen suunnittelua ei pidä tehdä erillisenä kokonaisuutena.

Kokenut piirilevyvalmistaja voi auttaa seuraavissa asioissa:

• Materiaalisuositukset
• Impedanssilaskelmat
• Kerrosten rakenteen optimointi
• DFM-arviointi
• Valmistusvalmiuksien todentaminen

Varhainen viestintä lyhentää usein suunnittelun uudelleensuunnitteluvaiheita ja nopeuttaa kehitystyön etenemistä.

Päätelmä

Piirilevyn kerrosten suunnittelu on signaalin ja virransyötön eheyden, sähkömagneettisen yhteensopivuuden sekä valmistuksen luotettavuuden perusta.

Olipa kyseessä sitten nelikerroksisen teollisuusohjaimen tai kuusitoistakerroksisen nopean tiedonsiirtoalustan suunnittelu, asianmukainen kerrosten suunnittelu auttaa vähentämään riskejä ja parantamaan tuotteen yleistä suorituskykyä.

Ottamalla huomioon kerrosten järjestelyn, impedanssin hallinnan, materiaalien valinnan, lämmönhallinnan ja valmistusvaatimukset jo projektin alkuvaiheessa insinöörit voivat luoda luotettavampia ja kustannustehokkaampia piirilevysuunnitelmia.

FAQ