Главная страница >
Блог >
Новость > The Ultimate Guide to PCB Stack-Up Design (2024 Updated Edition): От основ до высокоскоростных/высокочастотных приложений
В области проектирование высокоскоростных цепейИнженеры часто сосредотачиваются на сложных схемах и выборе компонентов, но при этом легко упускают из виду скрытую основу, от которой зависит успех проекта: Проектирование печатной платы. Тщательно спланированная компоновка - это молчаливый страж целостности сигнала, целостности питания и электромагнитной совместимости, в то время как бессистемная компоновка может загубить даже самый блестящий дизайн схемы.
Основываясь на опыте производства и совместной разработки тысяч успешных проектов, наша команда инженеров в TOPFAST PCB глубоко понимает, какое глубокое влияние оказывают решения, связанные с укладкой печатных плат. В этом руководстве систематически рассматриваются основные принципы, практические конфигурации и передовые методы проектирования стеков печатных плат, что поможет вам снизить риски на начальном этапе и повысить производительность и надежность вашего продукта, обеспечив успех вашей конструкции уже на стадии создания прототипа.
Часть 1: Что такое разводка печатной платы? Почему это так важно? (Фундаментальные понятия)
Под укладкой печатной платы понимается расположение и последовательность медной фольги, материалов сердечника и препрегов (предварительно пропитанных материалов) в многослойной печатной плате. Это гораздо больше, чем просто "укладка слоев"; это полная электрическая, механическая и тепловая система управления.
На сайте TOPFAST PCBМы видели множество случаев, когда неудачная конструкция штабеля приводила к:
- Катастрофы целостности сигнала: Сильные отражения, перекрестные помехи и потери.
- Коллапс целостности власти: Чрезмерные шумы питания, нестабильность системы.
- Неудачи в сертификации EMC: Превышение стандартов по электромагнитным помехам или плохая помехоустойчивость.
- Растущие затраты на производство: Деформация доски, проблемы с ламинированием, приводящие к снижению выхода продукции.
Часть 2: Основные принципы дизайна: Пять золотых правил за пределами "симметрии"
- Симметрия - это король: Предотвращает коробление плит после ламинирования; это краеугольный камень технологичности. Команда инженеров из TOPFAST PCB подчеркивает, что симметричный дизайн является главным условием для обеспечения выхода крупносерийной продукции.
- Жесткая пара сигналов с их обратными плоскостями: Высокоскоростные сигнальные слои должны примыкать к опорной плоскости (земле или питанию). Это имеет ключевое значение для контроля импеданса, уменьшения площади контура возврата тока и снижения уровня электромагнитных помех.
- Обеспечьте непрерывную опорную плоскость для каждого сигнального слоя: Избегайте разрывов в опорной плоскости, так как они вызывают пересечение сигналов, что приводит к серьезным проблемам с электромагнитными помехами и SI.
- Встраивайте сигнальные слои внутрь: Направляйте высокоскоростные сигналы между двумя опорными плоскостями, формируя естественную структуру "стриплайн", которая эффективно экранирует излучение.
- Расположите несколько наземных плоскостей близко друг к другу: Особенно в высокочастотных приложениях это создает низкоимпедансный емкостной канал связи, обеспечивающий превосходный обратный путь для высокочастотных шумов.
Часть 3: Практический анализ конфигурации стека (от 2 до 12 слоев)
| 3. Слои | Рекомендуемая структура штабеля | Преимущества | Недостатки | Типичные примеры использования |
|---|
| 2-слойный | Sig1 - GND/PWR | Самая низкая стоимость | Отсутствие твердой опорной плоскости, плохой SI/PI | Низкочастотные, простые потребительские товары |
| 4-слойный | Sig1 - GND - PWR - Sig2 | Хорошая экономическая эффективность, улучшение СИ | Внешние сигналы неэкранированы | Микроконтроллеры общего назначения, среднескоростные цифровые схемы |
| 6-слойный | Sig1 - GND - Sig2 - Sig3 - PWR - Sig4 | 4 уровня маршрутизации, экономичный | Плохая связь между питанием и землей | Сложные логические схемы требуют больше места для маршрутизации |
| 6-слойный (оптимизированный) | Sig1 - GND - Sig2 - PWR - GND - Sig3 | 2 плоскости заземления, плотное соединение PWR-GND | Сокращение до 3 уровней маршрутизации | TOPFAST Рекомендуется для большинства высокоскоростных конструкций |
| 8-слойный | Sig1 - GND - Sig2 - PWR - GND - Sig3 - GND - Sig4 | Отличные показатели SI/PI и ЭМС | Более высокая стоимость | Высокоскоростные цифровые SerDes начального уровня (например, PCIe 3.0) |
Совет от инженера TOPFAST: Для плат с более чем 8 слоями основная стратегия заключается в следующем добавить наземные плоскостино не сигнальные слои. A 10-слойная доска можно использовать структуру типа S-G-S-G-S-P-S-G-S-GОбеспечение того, что каждый сигнальный слой имеет смежную опорную плоскость. Это один из ключевых пунктов, который мы проверяем в нашем Анализ проектирования для обеспечения технологичности (DFM) сервис.
Часть 4: Продвинутые темы: Решение высокоскоростных, высокочастотных и высокоплотных задач
1. Высокоскоростное цифровое проектирование (>5 Гбит/с)
- Выбор материала: Если потери становятся узким местом, подумайте о том. Материалы с низким уровнем потерь (Low-Df) например, Panasonic Megtron, Rogers RO4350B и т.д., вместо стандартного FR-4. TOPFAST PCB Мы сотрудничаем с ведущими мировыми поставщиками материалов и можем предоставить рекомендации по выбору наиболее экономически эффективного материала для вашего проекта.
- Стратегия Stack-Up: Обеспечить последовательные опорные плоскости для дифференциальных пар. Избегайте изменения опорных плоскостей. Если изменение слоя необходимо, разместите ответные заземляющие прокладки рядом с сигнальными прокладками.
- Сначала смоделируйте: Прежде чем завершить создание стека, используйте Средства моделирования SI/PI (например, Cadence Sigrity, SIwave) для анализа вносимых потерь, возвратных потерь и импеданса мощности.
2. Проектирование радиочастотных и микроволновых цепей
- Гибридные стеки: Часто используются структуры со смешанным диэлектриком. Во внешних слоях могут использоваться такие высокочастотные материалы, как Rogers RO4350B для микрополосковых линий, а во внутренних слоях используется FR-4 для цифровых схем и питания, что позволяет сбалансировать производительность и стоимость. TOPFAST PCB имеет большой опыт в гибридных процессах ламинирования, обеспечивая качество и надежность таких сложных укладок.
- Земля через стежки: Разместите плотные ряды заземляющих прокладок с обеих сторон радиочастотных линий передачи для предотвращения утечки мод и подавления резонансов.
- HDI Stack-Ups: Активно использовать microvias и межслойные соединения любого уровня. Штабель может содержать несколько пар "наращивания". Основное внимание при проектировании уделяется управлению толщины диэлектриков для достижения тонкой ширины трассы и контроля импеданса.
- Жесткие гибкие доски: В штабеле предусмотрены гибкие зоны. Сайт нейтральная ось необходимо учитывать при проектировании, чтобы исключить чрезмерное напряжение в цепях при изгибе. TOPFAST PCB предлагает интегрированное решение жестко-гибкой конструкции От разработки штабеля и выбора материалов до точного производства, помогая вам преодолеть риски при проектировании.
Часть 5: Контрольный список для проектирования и связи с производителем
- Определите требования: Определите тип схемы (высокоскоростная/РЧ/цифровая), скорость передачи сигнала, ток питания и стоимость.
- Выберите материалы: Исходя из требований к частоте и потерям, уточните спецификации и наличие базового материала с ваш производитель печатных плат (например, TOPFAST PCB).
- План Stack-Up: Примените золотые правила для составления первоначальной структуры стека.
- Моделирование импеданса: Используйте такие инструменты, как Polar Si9000 для расчета точной ширины трассы/расстояния между трассами на основе выбранных материалов, веса меди и целевого импеданса.
- Верификация моделирования (настоятельно рекомендуется): Извлеките широкополосную модель стека в свой инструмент EDA, чтобы выполнить моделирование каналов и сетей питания.
- Общайтесь с производителем: Заполните "Чертеж для изготовления печатной платы" или "Лист сборки печатной платы" с указанием структуры стека и требований к импедансу, и всегда подтверждайте с инженером производства печатных плат.
Дополнительные преимущества сотрудничества с TOPFAST PCB: Когда вы отправляете файлы дизайна в 3. ТопфастНаша команда инженеров обеспечивает бесплатный комплексный анализ DFMВ программу входит анализ структуры стека, расчет импеданса и выбор материалов, что гарантирует идеальную реализацию вашего замысла в производстве и позволяет избежать дорогостоящих повторных вращений.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Вопрос 1: В чем основное различие между 4- и 6-слойной платой? О: Основное различие заключается в количество плоскостей заземления/питания и контроль целостности сигнала. Четырехслойная плата обычно имеет только одну плоскость заземления и одну плоскость питания, в то время как оптимизированная шестислойная плата может иметь две плоскости заземления, обеспечивая более полный обратный путь и экранирование высокоскоростных сигналов, что значительно улучшает характеристики ЭМС.
Вопрос 2: Какой допуск на импеданс может гарантировать TOPFAST для плат с контролируемым импедансом? О: На TOPFAST PCBБлагодаря нашим передовым системам тестирования импеданса и строгому контролю процесса, мы гарантируем, что стандартный допуск на контроль ±10%. Для плит с более строгими требованиями мы можем достичь ±7% или даже ±5%в зависимости от структуры штабеля и материалов. Пожалуйста, сообщите нашим инженерам по продажам о ваших требованиях.
Q3: Как выбрать подходящий материал печатной платы для моего проекта? О: Для цифровых схем:
< 5 Гбит/с: Обычно достаточно стандартного FR-4.
> 5 Гбит/с: Рассмотрите варианты Mid-Loss/Low-Loss FR-4.
> 25 Гбит/с: Должны использоваться материалы с низкими/ сверхнизкими потерями (например, Megtron 6, серия Rogers).
Для ВЧ-цепей приоритет отдавайте стабильности диэлектрической проницаемости и низкому тангенсу угла потерь. Если вы не уверены, Команда технической поддержки TOPFAST PCB может предоставить бесплатную консультацию по выбору.
Q3: В моем проекте несколько шин питания. Могу ли я разделить одну плоскость питания и каковы риски? О: Да, разделение одной плоскости питания для нескольких шин - обычная практика. Основной риск заключается в следующем нарушение целостности сигнала если высокоскоростная сигнальная трасса пересекает разъем в плоскости, так как это создает большую петлю обратного тока и увеличивает ЭМИ. Для уменьшения этого:
Проводите критические сигналы только через твердую опорную плоскость (предпочтительно землю).
Если сигнал должен пересечь разветвитель, установите сшивающий конденсатор рядом с сигнальным каналом, чтобы обеспечить высокочастотный обратный путь.
Следуйте за правило 20H (где плоскость питания утоплена на 20-кратную толщину диэлектрика от края плоскости заземления) для уменьшения эффектов окаймления.
Q4: Как рано я должен привлекать производителя печатных плат к процессу разработки стека? A: Как можно раньше. Взаимодействие с TOPFAST PCB на этапе планирования начальной комплектации позволяет нашим инженерам незамедлительно получить информацию о доступности материалов, технологических возможностях (например, минимальной толщине диэлектрика) и экономически эффективных вариантах конструкции. Такое раннее сотрудничество может предотвратить дорогостоящие переделки и значительно ускорить выход на рынок.
Q5: Когда мне стоит задуматься о переходе от стандартного FR-4 к более современному материалу для печатных плат? О: Если ваша конструкция сталкивается с подобными проблемами, подумайте о том, чтобы выйти за рамки стандартного FR-4:
Потеря сигнала: При работе выше 5 Гбит/сили когда общие вносимые потери в канале угрожают бюджету скорости передачи битовых ошибок вашей системы.
Тепловое управление: Когда высокие уровни мощности вызывают значительное повышение температуры, требуется материал с более высокой Температура стеклования (Tg) или ниже Коэффициент теплового расширения (CTE)Например, FR4-TG170 или полиимид.
Стабильность диэлектрической проницаемости: В чувствительных радиочастотных приложениях, где требуется материал со стабильным Dk в широком диапазоне частот, чтобы сохранить постоянный импеданс и фазовую характеристику.
Iii. Выводы и рекомендации
Проектирование печатных плат - это искусство, сочетающее в себе электромагнитную теорию, материаловедение и производственные процессы. Каждое решение, от базовых принципов до передовых стратегий для решения высокоскоростных и высокочастотных задач, напрямую влияет на конечные характеристики вашего продукта.
Овладение этими знаниями дает вам инициативу в совершенствовании ваших разработок. Однако по-настоящему надежная, пригодная для производства конструкция зависит от тесного сотрудничества с партнером-производителем, обладающим глубокими знаниями технологических процессов и возможностями инженерной поддержки.
TOPFAST PCB именно тот партнер, который вам нужен. Мы не только предоставляем высококачественные услуги по изготовлению печатных плат, но и стремимся стать продолжением вашей инженерной команды. Благодаря профессиональному Анализ DFM и техническая поддержкаМы поможем вам оптимизировать укладку, избежать "подводных камней" и обеспечить плавный переход от дизайна к продукту.
Действуйте немедленно!
Когда вы будете готовы, Мы сердечно приглашаем вас присылать ваши проектные файлы в TOPFAST PCB и испытайте по-настоящему технологичные услуги по производству печатных плат с гарантированным качеством. Давайте работать вместе, чтобы сделать ваш следующий дизайн безупречным, от чертежа до реальности.