Etusivu >
Blogi >
Uutiset > Ultimate Guide to PCB Stack-Up Design (2024 päivitetty painos): High-Speed/High-Frequency Applications: From Fundamentals to High-Speed/High-Frequency Applications: From Fundamentals to High-Speed/High-Frequency Applications.
Seuraavien alojen osalta nopea piirisuunnittelu, insinöörit keskittyvät usein hienostuneisiin kaavioihin ja komponenttien valintaan, mutta unohtavat helposti piilossa olevan selkärangan, joka ratkaisee projektin onnistumisen: PCB Stack-Up suunnittelu. Huolellisesti suunniteltu pinoaminen on signaalin eheyden, tehon eheyden ja EMC:n hiljainen vartija, kun taas sattumanvarainen pinoaminen voi koitua jopa kaikkein nerokkaimman piirisuunnittelun kohtaloksi.
Tuhansien onnistuneiden projektien valmistus- ja yhteissuunnittelukokemukseen perustuen suunnittelutiimimme TOPFAST PCB ymmärtää syvästi pinoamispäätösten syvälliset vaikutukset. Tämän lopullisen oppaan tavoitteena on systemaattisesti analysoida piirilevyjen pinoutumissuunnittelun keskeiset periaatteet, käytännön kokoonpanot ja kehittyneet tekniikat, joiden avulla voit vähentää riskejä jo alkulähteestä lähtien ja parantaa tuotteesi suorituskykyä ja luotettavuutta, mikä varmistaa, että suunnittelusi onnistuu heti prototyyppiajosta lähtien.
Osa 1: Mikä on PCB Stack-Up? Miksi se on niin kriittinen? (Peruskäsitteet)
Piirilevyn pinoamisella tarkoitetaan kuparifolion, ydinmateriaalien ja prepregin (esikyllästetyn materiaalin) järjestelyä ja järjestystä monikerroksisessa painetussa piirilevyssä. Se on paljon enemmän kuin vain "kerrosten pinoaminen"; se on täydellinen kokonaisuus. sähköinen, mekaaninen ja lämmönhallintajärjestelmä.
Osoitteessa TOPFAST PCBolemme nähneet lukuisia tapauksia, joissa huono pinoamissuunnittelu johtaa:
- Signaalin eheyden katastrofit: Voimakas heijastuminen, ristikkäisäänet ja häviöt.
- Virran eheyden romahtaminen: Liiallinen tehokohina, järjestelmän epävakaus.
- EMC-sertifioinnin epäonnistumiset: EMI-päästöstandardien ylittäminen tai heikko häiriönsietokyky.
- Tuotantokustannusten nousu: Levyn vääntyminen, laminointiongelmat, jotka johtavat saannon vähenemiseen.
Osa 2: Keskeiset suunnitteluperiaatteet: Symmetrian lisäksi viisi kultaista sääntöä: Viisi kultaista sääntöä
- Symmetria on kuningas: Estää levyn vääntymisen laminoinnin jälkeen; tämä on valmistettavuuden kulmakivi. Insinööritiimi TOPFAST PCB korostaa, että symmetrinen suunnittelu on ensisijainen edellytys suuren tuotantomäärän tuoton varmistamiseksi.
- Tiiviisti pariliitetyt signaalit paluutasoihinsa: Nopeiden signaalikerrosten on oltava viereisen vertailutason (maa tai teho) vieressä. Tämä on tärkeää impedanssin hallitsemiseksi, virran paluusilmukan alueen pienentämiseksi ja EMI:n vähentämiseksi.
- Tarjoa jokaiselle signaalikerrokselle jatkuva vertailutaso: Vältä epäjatkuvuuskohtia referenssitasossa, sillä ne aiheuttavat signaalien siirtymisen jakojen yli, mikä johtaa vakaviin EMI- ja SI-ongelmiin.
- Upota signaalikerrokset sisäisesti: Reititä nopeat signaalit kahden vertailutason väliin, jolloin muodostuu luonnollinen "raidallinen" rakenne, joka suojaa tehokkaasti säteilyä.
- Aseta useita maatasoja lähelle toisiaan: Erityisesti korkeataajuussovelluksissa tämä luo kapasitiivisen kapasitiivisen kytkentäpolun, joka tarjoaa erinomaisen paluupolun korkeataajuiselle kohinalle.
Osa 3: Käytännön Stack-Up-konfiguraatioanalyysi (2-12 kerrosta)
| Kerrokset | Suositeltu pinoamisrakenne | Edut | HaitatN/OFF) | Tyypilliset käyttötapaukset |
|---|
| 2-kerroksinen | Sig1 - GND/PWR | Alhaisin kustannus | Ei kiinteää vertailutasoa, huono SI/PI | Matalataajuiset, yksinkertaiset kuluttajatuotteet |
| 4-kerroksinen | Sig1 - GND - PWR - Sig2 | Hyvä kustannustehokkuus, parempi SI | Ulkoiset signaalit ovat suojaamattomia | Yleiskäyttöiset mikrokontrollerit, keskinopeat digitaalipiirit |
| 6-kerroksinen | Sig1 - GND - Sig2 - Sig3 - PWR - Sig4 | 4 reitityskerrosta, kustannustehokas | Huono virta/maakytkentä | Monimutkaiset logiikkapiirit vaativat enemmän reititystilaa |
| 6-kerroksinen (optimoitu) | Sig1 - GND - Sig2 - PWR - GND - Sig3 | 2 maatasoa, tiivis PWR-GND-kytkentä | Vähennetään 3 reitityskerrokseen | TOPFAST Suositellaan useimpiin suurnopeusmalleihin. |
| 8-kerroksinen | Sig1 - GND - Sig2 - PWR - GND - Sig3 - GND - Sig4 | Erinomainen SI/PI- ja EMC-suorituskyky | Korkeammat kustannukset | Nopeat digitaaliset, perustason SerDes-verkkoliitännät (esim. PCIe 3.0). |
TOPFAST-insinöörin ammattilaisvinkki: Yli 8-kerroksisten levyjen osalta keskeinen strategia on seuraava lisätä maatasoja, ei signaalikerroksia. A 10-kerroksinen levy voi käyttää rakennetta kuten S-G-S-G-S-P-S-G-S-G-S-G, jolloin varmistetaan, että jokaisella signaalikerroksella on viereinen vertailutaso. Tämä on yksi tärkeimmistä asioista, jotka tarkistamme meidän Valmistettavuussuunnittelun (DFM) analyysi palvelu.
Osa 4: Edistyneet aiheet: Suuren nopeuden, suuren taajuuden ja suuren tiheyden haasteisiin vastaaminen.
1. Nopea digitaalinen suunnittelu (>5 Gbps)
- Materiaalin valinta: Kun häviöstä tulee pullonkaula, harkitse Vähäisen tappion (Low-Df) materiaalit kuten Panasonic Megtron, Rogers RO4350B jne., tavallisen FR-4:n sijaan. TOPFAST PCB on yhteistyökumppaneina maailman johtavien materiaalitoimittajien kanssa ja voi antaa kustannustehokkaimpia materiaalivalintaneuvoja projektillesi.
- Stack-Up-strategia: Varmista johdonmukaiset vertailutasot differentiaalisten parien osalta. Vältä vertailutasojen vaihtamista. Jos kerroksen vaihtaminen on välttämätöntä, sijoita maadoituksen palautusläpiviennit signaaliläpivientien läheisyyteen.
- Simuloi ensin: Ennen kuin viimeistelet pinoamisen, käytä SI/PI-simulointityökalut (esim. Cadence Sigrity, SIwave) insertion lossin, paluuhäviön ja tehoimpedanssin analysoimiseksi.
2. RF/Mikroaaltopiirien suunnittelu
- Hybridi Stack-Ups: Käytetään usein "sekoitettuja dielektrisiä" rakenteita. Ulommissa kerroksissa saatetaan käyttää suurtaajuusmateriaaleja, kuten Rogers RO4350B mikroliuskajohtoja varten, kun taas sisäkerroksissa käytetään FR-4:ää digitaalisia piirejä ja tehoa varten, jolloin suorituskyky ja kustannukset ovat tasapainossa. TOPFAST PCB yrityksellä on laaja kokemus hybridilaminointiprosesseista, ja se varmistaa tällaisten monimutkaisten pinojen laadun ja luotettavuuden.
- Maahan ompelemalla: Aseta tiheät rivit maadoitusläpivientejä RF-siirtojohtojen molemmille puolille moodivuodon estämiseksi ja resonanssien vaimentamiseksi.
- HDI Stack-Ups: Hyödyntää voimakkaasti microvias ja minkä tahansa kerroksen yhteenliitännät. Pinossa voi olla useita "buildup"-pareja. Suunnittelussa keskitytään hallitsemaan dielektriset paksuudet hienojakoisen jäljen leveyden ja impedanssin hallinnan saavuttamiseksi.
- Jäykät joustolevyt: Pinossa on joustavia alueita. Osoitteessa neutraaliakseli on otettava huomioon suunnittelussa, jotta varmistetaan, että piirit eivät joudu liialliseen rasitukseen taivutuksen aikana. TOPFAST PCB tarjoaa integroitu jäykkä-joustava ratkaisu aina pinoamissuunnittelusta ja materiaalivalinnoista tarkkaan tuotantoon, mikä auttaa sinua selviytymään suunnitteluriskeistä.
Osa 5: Suunnittelun kulku ja valmistajan viestinnän tarkistuslista
- Määrittele vaatimukset: Määritä piirityyppi (High-Speed/RF/Digital), signaalinopeudet, tehovirrat ja kustannustavoitteet.
- Valitse materiaalit: Vahvista taajuus- ja häviövaatimusten perusteella perusmateriaalin tekniset tiedot ja saatavuus seuraavien tahojen kanssa PCB-valmistajasi (kuten TOPFAST PCB).
- Suunnitelma Stack-Up: Sovella kultaisia sääntöjä alkuperäisen pinoamisrakenteen laatimiseen.
- Impedanssin mallintaminen: Käytä työkaluja kuten Polar Si9000 laskea tarkat jäljitysleveydet/-välit valittujen materiaalien, kuparin painojen ja kohdeimpedanssin perusteella.
- Simuloinnin verifiointi (erittäin suositeltava): Pura EDA-työkalulla laajakaistamalli pinoamisesta kanavan ja tehoverkon simulointia varten.
- Kommunikoi valmistajan kanssa: Täytä "PCB-valmistuksen piirustus" tai "PCB Build Sheet", jossa on pinoamisrakenne ja impedanssivaatimukset, ja Vahvista aina piirilevyvalmistajan kanssa.
TOPFAST PCB:n kanssa tehtävästä yhteistyöstä saatava lisäetu: Kun lähetät suunnittelutiedostot TOPFAST, insinööritiimimme tarjoaa ilmainen, kattava DFM-analyysi, joka sisältää pinoamisrakenteen, impedanssilaskelmien ja materiaalivalintojen tarkastelun, jolla varmistetaan, että suunnittelutarkoituksesi toteutuu täydellisesti tuotannossa ja vältetään kalliit uudelleenpyöräytykset.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
Kysymys 1: Mikä on tärkein ero 4-kerroksisen ja 6-kerroksisen levyn välillä? V: Suurin ero on maadoitus-/virtatasojen määrä ja signaalin eheyden valvonta. Nelikerroksisessa levyssä on tyypillisesti vain yksi maadoitus- ja yksi virtalevy, kun taas optimoidussa kuusikerroksisessa levyssä voi olla kaksi maadoitustasoa, mikä tarjoaa täydellisemmän paluupolun ja suojauksen nopeille signaaleille, mikä parantaa merkittävästi EMC-suorituskykyä.
Q2: Minkä impedanssitoleranssin TOPFAST voi taata valvotuille impedanssilevyille? A: Klo TOPFAST PCBkehittyneiden impedanssitestausjärjestelmiemme ja tiukan prosessinvalvontamme avulla sitoudumme siihen, että meillä on vakiovalvontatoleranssi ±10%TP3T. Levyille, joilla on tiukemmat vaatimukset, voimme saavuttaa seuraavat tulokset. ±7% tai jopa ±5%.riippuen pinoamisrakenteesta ja materiaaleista. Ilmoita vaatimuksistasi myynti-insinööreillemme.
Kysymys 3: Miten valitsen oikean piirilevymateriaalin projektilleni? V: Digitaalisten piirien osalta:
< 5 Gbps: tavallinen FR-4 on yleensä riittävä.
> 5 Gbps: FR-4: Harkitse Mid-Loss/Low-Loss FR-4.
> 25 Gbps: (esim. Megtron 6, Rogers-sarja).
RF-piireissä on asetettava etusijalle dielektrisyysvakion vakaus ja alhainen häviötangentti. Jos olet epävarma, TOPFAST PCB: n tekninen tukitiimi voi tarjota ilmaisen valintakonsultoinnin.
Kysymys 3: Suunnitelmassani on useita virtakiskoja. Voinko jakaa yhden virtakiskon, ja mitkä ovat riskit? V: Kyllä, yhden virtatason jakaminen useille kiskoille on yleinen käytäntö. Tärkein riski on signaalin eheyden heikkeneminen jos suurnopeussignaalin jälki ylittää tason halkaisijan, sillä tämä luo suuren paluuvirtasilmukan ja lisää sähkömagneettista häiriötä. Tämän lieventämiseksi:
Reititä kriittiset signaalit vain kiinteän vertailutason (mieluiten maadoituksen) yli.
Jos signaalin on ylitettävä jako, aseta ompelukondensaattori signaalin läpiviennin läheisyyteen, jotta saadaan korkeataajuinen paluureitti.
Seuraa 20H sääntö (jossa tehotaso on syvennetty 20 kertaa dielektrisen paksuuden verran maatason reunasta) kitkavaikutusten vähentämiseksi.
Kysymys 4: Kuinka varhaisessa vaiheessa minun pitäisi ottaa piirilevyvalmistajani mukaan stack-up-suunnitteluprosessiin? A: Mahdollisimman aikaisin. Sitoutuminen TOPFAST PCB alkuvaiheen pinoamissuunnitteluvaiheessa insinöörimme voivat antaa välitöntä palautetta materiaalien saatavuudesta, prosessivalmiuksista (kuten dielektrisen materiaalin vähimmäispaksuudesta) ja kustannustehokkaista rakennevaihtoehdoista. Tämä varhainen yhteistyö voi estää kalliita uudelleensuunnitteluja ja nopeuttaa merkittävästi markkinoille tuloaikaa.
K5: Milloin minun pitäisi harkita siirtymistä tavallisesta FR-4:stä kehittyneempään PCB-materiaaliin? V: Harkitse siirtymistä tavallisen FR-4:n ulkopuolelle, kun suunnittelussasi on tällaisia haasteita:
Signaalin menetys: Käytettäessä yli 5 Gbps, tai kun kanavan kokonaisliitäntähäviö uhkaa järjestelmän bittivirheprosenttibudjettia.
Lämmönhallinta: Kun korkeat tehot aiheuttavat merkittävää lämpötilan nousua ja tarvitset materiaalia, jolla on suurempi Lasittumislämpötila (Tg) tai pienempi Lämpölaajenemiskerroin (CTE), kuten FR4-TG170 tai polyimidi.
Dielektrisen vakion vakaus: Herkissä RF-sovelluksissa, joissa tarvitaan materiaalia, jonka Dk on vakaa laajalla taajuusalueella, jotta impedanssi- ja vaihevaste pysyy tasaisena.
Päätelmä
Piirilevyjen pinoutumissuunnittelu on taidetta, jossa yhdistyvät sähkömagneettinen teoria, materiaalitiede ja valmistusprosessit. Jokainen päätös, perusperiaatteista kehittyneisiin strategioihin suurnopeus- ja suurtaajuushaasteisiin, vaikuttaa suoraan tuotteesi lopulliseen suorituskykyyn.
Kun hallitset tämän tiedon, voit tehdä aloitteita, joilla parannat suunnitelmiasi. Todella vankka, valmistuskelpoinen suunnittelu edellyttää kuitenkin tiivistä yhteistyötä valmistuskumppanin kanssa, jolla on syvällinen prosessituntemus ja tekniset tukivalmiudet.
TOPFAST PCB on juuri se kumppani, jota tarvitset. Emme ainoastaan tarjoa korkealaatuisia piirilevyjen valmistuspalveluja, vaan pyrimme myös olemaan suunnittelutiimisi jatke. Ammattitaitoisen DFM-analyysi ja tekninen tukiautamme sinua optimoimaan pinoamisesi, välttämään sudenkuoppia ja varmistamaan saumattoman siirtymisen suunnittelusta tuotteeseen.
Toimi nyt!
Kun olet valmis, kutsumme sinut lämpimästi lähettämään suunnittelutiedostot TOPFAST PCB: lle. ja koe todella teknologiapainotteinen, laadunvarmistettu PCB-valmistuspalvelu. Työskennellään yhdessä, jotta seuraavasta suunnittelustasi saadaan moitteeton, suunnitelmasta todellisuuteen.