Окончательное руководство по проектированию печатных плат

В современных высокоскоростных электронных устройствах конструкция ламината печатной платы стала критически важным фактором, определяющим производительность, надежность и стоимость продукта. Превосходная конструкция ламината печатной платы представляет собой прецизионное искусство в электронной инженерии, объединяющее электромагнитную технику, материаловедение и структурную механику.

Почему проектирование печатных плат так важно?

Тройная задача при разработке электронных устройств

Революция скорости: Тактовые частоты современных процессоров превысили 5 ГГц. Когда скорость фронта сигнала падает ниже 1 нс, печатная плата перестает быть простым средством соединения, а превращается в сложную систему линий передачи. Если трассы высокоскоростных сигналов слишком длинные или встречаются с разрывами импеданса, происходит отражение и искажение сигнала, подобно эху в долине, мешающему оригинальному звуку.

Взрыв плотности: Материнские платы для смартфонов включают в себя более 1000 компонентов, при этом шаг выводов в корпусе BGA составляет всего 0,4 мм. При такой плотности однослойная маршрутизация напоминает станцию метро в час пик - просто невозможно удовлетворить требования к соединениям.

Контроль шума: При переключении цифровых сигналов генерируется высокочастотное электромагнитное излучение (ЭМИ), которое может создавать помехи не только для собственных аналоговых схем (например, аудиомодулей), но и для соседних устройств. Строгие требования сертификации ЭМС делают борьбу с шумами необходимостью при проектировании.

Суть многослойных печатных плат заключается в расширении пространства маршрутизации за счет вертикальной укладки при одновременном построении электромагнитных защитных барьеров, подобно тому, как город развивается от плоскостного расширения к трехмерному строительству виадуков, метро и небоскребов.

Основы формирования печатной платы: Анализ трех основных материалов

По основным направлениям

• Структурные характеристики: Жесткий материал основания с медью с обеих сторон, твердый изоляционный материал в середине.
• Функция: Обеспечивает механическую поддержку и стабильную диэлектрическую среду.
• Общие толщины: 0,1 мм, 0,2 мм, 0,3 мм, 0,4 мм и т.д.

Препрег (ПП)

• Состав: Ткань из стекловолокна, пропитанная частично отвержденной смолой.
• Роль: Связующий материал при ламинировании, заполняет зазоры между различными слоями сердцевины.
• Свойства: Немного мягче, чем сердцевина, хорошая текучесть при прессовании.

Медная фольга

• Функция: Формирует проводящие дорожки для передачи сигналов и энергии.
• Общие толщины: 1/2 унции (18 мкм), 1 унция (35 мкм), 2 унции (70 мкм).
• Типы: Стандартная медная фольга, фольга с обратной обработкой (RTF), низкопрофильная фольга (LP).

Схема типичной 4-слойной платы:

Верхний слой (сигналы/компоненты) - L1
PP (связующий диэлектрик)
Сердечник (диэлектрик)
Внутренний слой 1 (питание/заземление) - L2
Внутренний слой 2 (питание/заземление) - L3
Сердечник (диэлектрик)
PP (связующий диэлектрик)
Нижний слой (сигнал/компоненты) - L4

Пять золотых правил проектирования печатных плат

1. Принцип симметрии: основа стабильности

• Медная симметрия: Тип и толщина медной фольги должны быть одинаковыми для соответствующих слоев.
• Структурная симметрия: Зеркальная симметрия структуры слоев над и под центром платы.
• Преимущество: Уменьшает напряжение ламинирования, предотвращает коробление платы (целевое коробление < 0,1%).
• В качестве примера: Слои L2 и L5 в 6-слойной плате должны использовать одинаковую массу меди и одинаковую плотность маршрутизации.

2. Приоритет опорной плоскости: Обеспечение целостности сигнала

• Принцип смежности: Каждый высокоскоростной сигнальный слой должен примыкать к твердой опорной плоскости (питание или земля).
• Предпочтение наземной плоскости: Плоскость заземления, как правило, является лучшим эталоном, чем плоскость питания.
• Контроль расстояний: Рекомендуемое расстояние между сигнальным слоем и опорной плоскостью составляет ≤ 5 мил (0,127 мм).

3. Высокоскоростная изоляция сигналов: Точный электромагнитный контроль

• Преимущество стриплайна: Критические высокоскоростные сигналы (например, часы, дифференциальные пары) должны быть проложены между внутренними слоями, образуя "многослойную" структуру.
• Применение микрополоскового кабеля: Для некритичных или низкочастотных сигналов можно использовать микрополосковые линии с поверхностным слоем.
• Избегайте пересечений: Строго запретите высокоскоростным сигналам пересекать разветвления в опорной плоскости.

4. Проектирование целостности питания: Стабильная доставка энергии

• Закрытая муфта: Расстояние между силовым слоем и соответствующим ему слоем земли должно контролироваться в пределах 0,2 мм.
• Стратегия развязывания: Установите развязывающие конденсаторы вблизи мест ввода питания и выводов питания ИС.
• Разделение плоскости: Многорельсовые системы электроснабжения требуют тщательного разделения плоскостей во избежание интерференции между различными доменами мощности.

5. Управление импедансом: Точное согласование для высокоскоростных сигналов

• Точный расчет: Для расчета импеданса используйте профессиональные инструменты, такие как Polar Si9000.
• Контроль толерантности: Односторонний 50Ω ±10%, Дифференциальный 100Ω ±10%.
• Учет параметров: Ширина трассы, толщина диэлектрика, вес меди и диэлектрическая проницаемость влияют на конечный импеданс.

Подробный анализ типичных схем укладки печатных плат

4-слойная доска: Точка равновесия между стоимостью и производительностью

Рекомендуемая схема: ВЕРХ - GND - PWR - НИЗ

• Слой 1: Сигналы/Компоненты (микрополосковые)
• Уровень 2: Твердая плоскость земли
• Уровень 3: Силовая плоскость
• Уровень 4: Сигналы/Компоненты (микрополосковые)

Преимущества: Самый недорогой многослойный вариант, обеспечивает базовые опорные плоскости.
Недостатки: Ограниченные каналы маршрутизации, средняя высокоскоростная производительность.
Применимые сценарии: Потребительская электроника, промышленные платы управления и другие средне- и низкоскоростные приложения.

6-слойная доска: Оптимальный выбор между стоимостью и производительностью

Схема 1 (ориентированная на производительность): ВЕРХ - GND - SIG - PWR - GND - НИЗ

• Слой 1: Сигнал/Компоненты
• Уровень 2: Плоскость земли (ссылки L1 и L3)
• Уровень 3: Высокоскоростные сигналы (Оптимальный уровень маршрутизации)
• Уровень 4: Силовая плоскость
• Слой 5: Плоскость земли (ссылки L4 и L6)
• Уровень 6: Сигнал/Компоненты

Преимущества: 3 выделенных слоя маршрутизации + 2 заземляющие плоскости, хорошая целостность сигнала.
Применимые сценарии: Интерфейсы памяти DDR3/4, Gigabit Ethernet и другие высокоскоростные приложения.

8-слойная доска: Стандарт для высокотехнологичных приложений

Рекомендуемая схема: ВЕРХ - GND - SIG1 - PWR - GND - SIG2 - GND - НИЗ

• Слой 1: Сигнал/Компоненты
• Уровень 2: Плоскость земли
• Уровень 3: Высокоскоростные сигналы (SIG1)
• Уровень 4: Силовая плоскость
• Слой 5: Плоскость земли
• Уровень 6: Высокоскоростные сигналы (SIG2)
• Уровень 7: Плоскость земли
• Слой 8: Сигнал/Компоненты

Преимущества: 4 маршрутных слоя + 3 заземляющих плоскости, что обеспечивает отличные показатели ЭМС и целостность сигнала.
Применимые сценарии: Материнские платы для серверов, высокоскоростное сетевое оборудование и современные видеокарты.

Передовые стратегии оптимизации и практические методы

Выбор материала: Баланс между производительностью и стоимостью

Стандарт FR-4:

• Самая низкая стоимость, подходит для приложений ≤ 1 ГГц.
• Диэлектрическая проницаемость εr ≈ 4,2-4,5, коэффициент диэлектрических потерь tanδ ≈ 0,02.

Высокоскоростные материалы (например, Panasonic Megtron 6, Isola I-Speed):

• Стоимость в 2-5 раз выше, чем у FR-4.
• εr ≈ 3,5-3,7, tanδ ≈ 0,002-0,005.
• Подходит для 5G, серверов и других приложений, работающих на частоте 10 ГГц+.

Подложки с металлическим сердечником (например, алюминий):

• Теплопроводность до 2-8 Вт/(м-К), в 10-40 раз больше, чем у FR-4.
• Подходит для мощных светодиодов, силовых модулей и других термочувствительных сценариев.

Методы подавления перекрестных помех

Правило 3W: Расстояние между высокоскоростными сигнальными трассами ≥ 3x ширины трассы, может уменьшить связь полей на 70%.
Правило 20H: Плоскость питания изолирована от края на 20-кратную толщину диэлектрика, что подавляет эффекты демпфирующего излучения.
Следы охраны: Разместите заземленные защитные трассы рядом с особо чувствительными сигнальными линиями.

Стратегии терморегулирования

Термические сосуды: Массив отверстий (например, φ0,3 мм) под мощными чипами для отвода тепла к противоположным боковым медным слоям.
Выбор веса меди: Используйте медь толщиной 2 унции или больше для сильноточных проводников, чтобы уменьшить нагрев и падение напряжения.
Дизайн с тепловой симметрией: Избегайте концентрации силовых компонентов во избежание локальных горячих точек.

Учет производственных процессов и принципы DFM

Ключевые моменты проектирования для обеспечения технологичности (DFM)

Ширина трассы/расстояния между трассами:

• Стандартный процесс: ≥ 4mil/4mil
• Тонкая обработка: ≥ 3mil/3mil
• Процесс HDI: ≥ 2мил/2мил

Via Design:

• Размер сквозного отверстия: ≥ 0,3 мм (стандартное), ≥ 0,2 мм (лазерное микровибрационное)
• Размер колодки: диаметр отверстия + 8 мил (стандарт), диаметр отверстия + 6 мил (высокая плотность)

Выравнивание слоев:

• Допуск на межслойную регистрацию: ±2-3mil
• Контроль импеданса должен учитывать изменения толщины из-за неправильного расположения слоев.

Стратегии оптимизации затрат

Уменьшение количества слоев: Выберите минимальное количество слоев, отвечающее требованиям производительности. 4-слойный → 6-слойный увеличивает стоимость на 30-50%.
Оптимизация материалов: Используйте стандартный FR-4 в некритичных областях, а высокотехнологичные материалы применяйте только в высокоскоростных секциях.
Дизайн панелей: Оптимизация расположения панелей для повышения коэффициента использования материалов до 85-90%.
Выбор процесса: Избегайте ненужных специальных процессов, таких как via-in-pad, специальная отделка поверхности.

Практический пример: 6-слойный Высокоскоростная укладка печатных плат Оптимизация

История проекта: Коммутационная плата Gigabit Ethernet с памятью DDR4 и несколькими каналами SerDes.

Первоначальная схема: ВЕРХ - SIG1 - GND - PWR - SIG2 - НИЗ
Проблемы: Сильные перекрестные помехи между соседними слоями SIG1 и SIG2; шумы питания, влияющие на производительность SerDes.

Оптимизированная схема: ВЕРХ - GND - SIG1 - PWR - GND - НИЗ
Улучшения:

• Добавлена специальная заземляющая плоскость, обеспечивающая связь с верхним слоем и SIG1.
• Замена слоя SIG2 на плоскость заземления повышает эффективность экранирования.
• Плотное соединение "питание-земля" снижает сопротивление сети распределения электроэнергии.

Результаты: 40% улучшение целостности сигнала, 6 дБ увеличение запаса при тестировании на ЭМИ, 15% увеличение выхода продукции.

Ii. Резюме

Проектирование печатных плат является одним из основных базовых навыков в электронной технике. Превосходная конструкция может значительно повысить производительность изделия без увеличения затрат. Владение принципами симметричного проектирования, планирования опорных плоскостей, контроля импеданса и целостности сигнала, а также выбор соответствующего количества слоев и материалов в зависимости от конкретных сценариев применения - это необходимая способность для каждого инженера по аппаратному обеспечению.