Ultimate Guide to PCB Stack-up Design

Nykypäivän nopeissa elektroniikkalaitteissa PCB-laminaatin suunnittelusta on tullut kriittinen tekijä, joka määrittää tuotteen suorituskyvyn, luotettavuuden ja kustannukset. Erinomainen piirilevylaminaattisuunnittelu edustaa elektroniikkatekniikan tarkkaa taidetta, jossa yhdistyvät sähkömagnetismi, materiaalitiede ja rakennemekaniikka.

Miksi PCB Stack-up Design on niin tärkeä?

Elektronisten laitteiden kehittämisen kolminkertainen haaste

Nopeuden vallankumous: Nykyaikaiset suorittimen kellotaajuudet ovat ylittäneet 5 GHz:n taajuuden. Kun signaalin reunanopeudet laskevat alle 1ns:n, piirilevy ei ole enää pelkkä liitäntäväline, vaan siitä tulee monimutkainen siirtojohtojärjestelmä. Jos nopeat signaalijohdot ovat liian pitkiä tai törmäävät impedanssin epäjatkuvuuskohtiin, syntyy signaalin heijastumista ja vääristymiä, aivan kuten kaiku laaksossa häiritsee alkuperäistä ääntä.

Tiheysräjähdys: Älypuhelimen emolevyissä on yli 1000 komponenttia, ja BGA-paketin nastojen välit ovat vain 0,4 mm. Tällä tiheydellä yksikerroksinen reititys on kuin metroasemalla ruuhka-aikaan - yksinkertaisesti mahdotonta täyttää liitäntävaatimuksia.

Meluntorjunta: Digitaalisten signaalien kytkentähetki tuottaa suurtaajuista sähkömagneettista säteilyä (EMI), joka voi häiritä paitsi omia analogisia piirejä (esim. äänimoduuleja) myös viereisiä laitteita. Tiukat EMC-sertifiointivaatimukset tekevät melunhallinnasta suunnittelun välttämättömyyden.

Monikerroksisten piirilevyjen ydin on laajentaa reititystilaa pystysuoralla pinoamisella samalla kun rakennetaan sähkömagneettisia suojaesteitä, samalla tavalla kuin kaupungin kehittyminen tasomaisesta laajenemisesta viaduktien, metrojen ja pilvenpiirtäjien kolmiulotteiseen rakentamiseen.

PCB Stack-up perusteet: Kolmen ydinmateriaalin analysointi

Ydin

• Rakenteelliset ominaisuudet: Jäykkä perusmateriaali, jossa on kuparia molemmin puolin, kiinteä eristysmateriaali keskellä.
• Toiminto: Tarjoaa mekaanisen tuen ja vakaan dielektrisen ympäristön.
• Yleiset paksuudet: 0.1mm, 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm jne.

Prepreg (PP)

• Koostumus: Lasikuitukangas, joka on kyllästetty osittain kovettuneella hartsilla.
• Rooli: Liimausaine laminoinnin aikana, täyttää eri ydinkerrosten väliset aukot.
• Ominaisuudet: Hieman pehmeämpi kuin ydin, hyvä juoksevuus puristettaessa.

Kuparifolio

• Toiminto: Muodostaa johtavia jälkiä signaalien ja virran siirtämiseksi.
• Yleiset paksuudet: 1/2 oz (18μm), 1 oz (35μm), 2 oz (70μm).
• Tyypit: Vakiokuparifolio, käänteiskäsitelty folio (RTF), matalaprofiilifolio (LP).

Kaavio tyypillisestä 4-kerroksisen levyn pinosta:

Ylin kerros (signaali/komponentit) - L1
PP (liimausdielektrinen)
Ydin (dielektrinen)
Sisäkerros 1 (virta/maadoitus) - L2
Sisäkerros 2 (teho/maadoitus) - L3
Ydin (dielektrinen)
PP (liimausdielektrinen)
Pohjakerros (signaali/komponentit) - L4

PCB Stack-up -suunnittelun viisi kultaista sääntöä

1. Symmetriaperiaate: vakauden perusta

• Kupari Symmetria: Kuparifolion tyypin ja paksuuden on oltava sama vastaavissa kerroksissa.
• Rakenteellinen symmetria: Kerrosrakenteen peilisymmetria levyn keskikohdan ylä- ja alapuolella.
• Advantage: Vähentää laminointijännitystä, estää levyn vääntymisen (tavoitevääristymä < 0,1%).
• Esimerkki: 6-kerroksisen piirilevyn kerroksissa L2 ja L5 tulisi käyttää samaa kuparipainoa ja samanlaista reititystiheyttä.

2. Viitetason prioriteetti: Signaalin eheyden varmistaminen

• Läheisyysperiaate: Jokaisen nopean signaalikerroksen on oltava kiinteän vertailutason (teho tai maa) vieressä.
• Maatason etusija: Maataso on yleensä parempi referenssi kuin tehotaso.
• Välyksen hallinta: Suositeltava signaalikerroksen ja vertailutason välinen etäisyys on ≤ 5 mils (0,127 mm).

3. Suurnopeussignaalien eristäminen: Tarkka sähkömagneettinen ohjaus

• Stripline Advantage: Kriittiset nopeat signaalit (esim. kellot, differentiaaliparit) olisi reititettävä sisäisten kerrosten väliin ja muodostettava "sandwich"-rakenne.
• Mikroliuska sovellus: Ei-kriittisissä tai matalataajuisissa signaaleissa voidaan käyttää pintakerroksisia mikroliuskajohtoja.
• Vältä Splitsin ylittämistä: Kiellä tiukasti suurnopeussignaaleja ylittämästä viitetason jakoja.

4. Virran eheyden suunnittelu: Vakaa energian toimitus

• Suljettu kytkentä: Tehokerroksen ja sitä vastaavan maakerroksen välinen etäisyys on pidettävä 0,2 mm:n sisällä.
• Tuotannon irrottamisstrategia: Aseta purkauskondensaattorit tehon syöttökohtien ja IC:n virtanastojen läheisyyteen.
• Tasojen jakaminen: Usean kiskon voimajärjestelmät edellyttävät huolellista tasojen jakamista, jotta vältetään häiriöt eri tehoalueiden välillä.

5. Impedanssin säätö: Nopeiden signaalien tarkka sovittaminen.

• Tarkka laskenta: Käytä impedanssin laskemiseen ammattikäyttöön tarkoitettuja työkaluja, kuten Polar Si9000.
• Toleranssin valvonta: 50Ω ±10%, Differentiaalinen 100Ω ±10%.
• Parametrien huomioon ottaminen: Jäljen leveys, dielektrinen paksuus, kuparin paino ja dielektrisyysvakio vaikuttavat kaikki lopulliseen impedanssiin.

Yksityiskohtainen analyysi tyypillisistä PCB Stack-up -järjestelmistä

4-kerroksinen levy: Kustannusten ja suorituskyvyn tasapainopiste

Suositeltu järjestelmä: YLHÄÄLLÄ - GND - PWR - ALHAALLA

• Kerros 1: Signaali/Komponentit (mikroliuska)
• Kerros 2: Kiinteä maataso
• Kerros 3: Power Plane
• Kerros 4: Signaali/Komponentit (mikroliuska)

Edut: Edullisin monikerroksinen vaihtoehto, tarjoaa perusviitetasot.
HaitatN/OFF): Rajoitettu reitityskanavien määrä, keskinkertainen nopea suorituskyky.
Sovellettavat skenaariot: Viihde-elektroniikka, teollisuuden ohjauskortit ja muut keskinopeat ja hitaat sovellukset.

6-kerroksinen levy: Optimaalinen kustannustehokkuusvalinta

Järjestelmä 1 (suorituskeskeinen): YLHÄÄLTÄ - GND - SIG - PWR - GND - ALHAALTA - ALHAALTA

• Kerros 1: Signaali/Komponentit
• Kerros 2: Maataso (viittaukset L1 ja L3)
• Kerros 3: Suurnopeussignaalit (optimaalinen reitityskerros)
• Kerros 4: Power Plane
• Kerros 5: Maataso (viitteet L4 ja L6)
• Kerros 6: Signaali/Komponentit

Edut: 3 erityistä reitityskerrosta + 2 maatasoa, hyvä signaalin eheys.
Sovellettavat skenaariot: DDR3/4-muistiliitännät, Gigabit Ethernet ja muut nopeat sovellukset.

8-kerroksinen levy: Standardi huippusovelluksille

Suositeltu järjestelmä: YLHÄÄLTÄ - GND - SIG1 - PWR - GND - SIG2 - GND - ALHAALTA - ALHAALTA

• Kerros 1: Signaali/Komponentit
• Kerros 2: Maanpinnan taso
• Kerros 3: Suurnopeussignaalit (SIG1)
• Kerros 4: Power Plane
• Kerros 5: Maanpinnan taso
• Kerros 6: Suurnopeussignaalit (SIG2)
• Kerros 7: Maanpinnan taso
• Kerros 8: Signaali/Komponentit

Edut: 4 reitityskerrosta + 3 maatasoa, tarjoaa erinomaisen EMC-suorituskyvyn ja signaalin eheyden.
Sovellettavat skenaariot: Palvelinten emolevyt, nopeat verkkolaitteet ja kehittyneet näytönohjaimet.

Edistyneet optimointistrategiat ja käytännön tekniikat

Materiaalin valinta: Suorituskyvyn ja kustannusten tasapainottaminen

Standardi FR-4:

• Alhaisimmat kustannukset, soveltuu sovelluksiin ≤ 1 GHz.
• Dielektrisyysvakio εr ≈ 4,2-4,5, häviökerroin tanδ ≈ 0,02.

Suurnopeusmateriaalit (esim. Panasonic Megtron 6, Isola I-Speed):

• Kustannukset ovat 2-5 kertaa suuremmat kuin FR-4:ssä.
• εr ≈ 3,5-3,7, tanδ ≈ 0,002-0,005.
• Soveltuu 5G:hen, palvelimiin ja muihin 10 GHz+ -sovelluksiin.

Metalliydinmateriaalit (esim. alumiini):

• Lämmönjohtavuus jopa 2-8 W/(m-K), 10-40 kertaa suurempi kuin FR-4:ssä.
• Soveltuu suuritehoisille LEDeille, tehomoduuleille ja muille lämpöherkille skenaarioille.

Ristiriitojen vaimennustekniikat

3W sääntö: Suurnopeussignaalijälkien väli ≥ 3x jäljen leveys, voi vähentää kenttäkytkentää 70%.
20H sääntö: Tehotaso on 20x dielektrisen paksuuden verran reunasta, mikä vaimentaa säteilyvaikutuksia.
Vartijan jäljet: Aseta maadoitetut suojapiirit erityisen herkkien signaalijohtojen rinnalle.

Lämmönhallintastrategiat

Thermal Vias: Läpivientien (esim. φ0,3 mm) järjestys suuritehoisten sirujen alla lämmön johtamiseksi vastakkaisen puolen kuparikerroksiin.
Kuparin painon valinta: Käytä 2oz tai paksumpaa kuparia suurten virtojen reiteillä lämmityksen ja jännitehäviön vähentämiseksi.
Thermal Symmetry Design: Vältä tehokomponenttien keskittämistä paikallisten kuumien pisteiden välttämiseksi.

Valmistusprosessiin liittyvät näkökohdat ja DFM-periaatteet

Tärkeimmät valmistettavuuden suunnittelun (DFM) kohdat

Jäljen leveys/väli:

• Standardiprosessi: ≥ 4mil/4mil
• Hienolinjaprosessi: ≥ 3mil/3mil
• HDI-prosessi: ≥ 2mil/2mil

Via DesignN/OFF):

• Läpivientireiän koko: ≥ 0.3mm (Standard), ≥ 0.2mm (Laser Microvia).
• Tyynyn koko: reiän halkaisija + 8mil (vakio), reiän halkaisija + 6mil (korkea tiheys).

Kerroksen kohdistus:

• Kerroskohtainen rekisteröintitoleranssi: ±2-3 miliä
• Impedanssin valvonnassa on otettava huomioon kerrosten virheellisestä rekisteröinnistä johtuvat paksuusvaihtelut.

Kustannusten optimointistrategiat

Kerrosten määrän vähentäminen: Valitse suorituskykyvaatimukset täyttävien kerrosten vähimmäismäärä. 4-kerros → 6-kerros lisää kustannuksia 30-50%.
Materiaalin optimointi: Käytä tavallista FR-4:ää ei-kriittisillä alueilla ja varaa korkealaatuiset materiaalit vain suurnopeusosiin.
Panelointi suunnittelu: Optimoi paneelien asettelu materiaalin käytön lisäämiseksi 85-90%:hen.
Prosessin valinta: Vältä tarpeettomia erikoisprosesseja, kuten via-in-padia ja erikoispintakäsittelyjä.

Käytännön tapaustutkimus: 6-kerroksinen High-Speed PCB Stack-up Optimointi

Hankkeen tausta: Gigabit Ethernet -kytkentälevy DDR4-muistilla ja useilla SerDes-kanavilla.

Alkuperäinen järjestelmä: TOP - SIG1 - GND - PWR - SIG2 - BOTTOM
Ongelmat: Voimakas ristikkäishäirintä vierekkäisten SIG1- ja SIG2-kerrosten välillä; SerDesin suorituskykyyn vaikuttava tehokohina.

Optimoitu järjestelmä: TOP - GND - SIG1 - PWR - GND - BOTTOM
Parannukset:

• Lisättiin oma maataso, joka tarjoaa viitteitä pintakerrokselle ja SIG1:lle.
• SIG2-kerros muutettiin maatasoksi, mikä parantaa suojauksen tehokkuutta.
• Tiivis virta-maakytkentä vähentää sähkönjakeluverkon impedanssia.

Tulokset: 40% parannus signaalin eheyteen, 6dB lisäys EMI-testimarginaaliin, 15% lisäys tuotannon tuottoon.

Yhteenveto

Piirilevyn pinoamissuunnittelu on elektroniikkatekniikan keskeinen perustaito. Erinomainen päällekkäissuunnittelu voi parantaa merkittävästi tuotteen suorituskykyä lisäämättä kustannuksia. Symmetrisen suunnittelun, referenssitason suunnittelun, impedanssin hallinnan ja signaalin eheyden periaatteiden hallitseminen - samalla kun valitaan sopivat kerrosluvut ja materiaalit erityisten sovellusskenaarioiden perusteella - on olennainen kyky jokaiselle laitteistosuunnittelijalle.