Guide till konstruktion av kretskort

Utformningen av kretskortets skiktuppbyggnad är ett av de viktigaste stegen i utvecklingen av kretskort. En väl utformad skiktuppbyggnad förbättrar signalintegriteten, strömfördelningen, den elektromagnetiska kompatibiliteten (EMC), värmehanteringen och den övergripande tillverkningssäkerheten.

Många problem med kretskort som uppstår under testningen beror inte på fel i kretsschemat eller valet av komponenter, utan på en dålig skiktindelning och bristfällig planering av skiktuppbyggnaden.

Oavsett om du konstruerar ett enkelt fyrskiktskort eller ett komplext system för höghastighetskommunikation kan kunskap om principerna för konstruktion av kretskortshögar bidra till att förbättra prestandan och minska tillverkningsriskerna.

Vad är en kretskortsuppbyggnad?

Med kretskortsuppbyggnad avses den konstruktion av kopparskikt och dielektriska material som bildar ett flerskiktat kretskort.

Stackupen definierar:

• Placering av signallager
• Kraftplanets konstruktion
• Konfiguration med jordplan
• Materialets tjocklek
• Koppartjocklek
• Parametrar för kontrollerad impedans

Skiktstrukturen har direkt inverkan på de elektriska egenskaperna och tillverkningsbarheten.

Man bör alltid planera kretskortsuppbyggnaden innan fräsningen påbörjas, eftersom ledningsbredder, avstånd, impedansvärden och returströmvägar beror på skiktuppbyggnaden.

Varför konstruktion av kretskortets skiktuppbyggnad är viktig

En väl utformad skiktuppbyggnad ger flera viktiga fördelar.

Förbättrad signalintegritet

Höghastighetssignaler kräver stabila referensplan och kontrollerad impedans.

En väl genomtänkt planering av skikten bidrar till att minska:

• Signalreflektioner
• Överhörning
• Tidsfel
• Dataskador

Förbättrad EMI-prestanda

Elektromagnetisk störning blir allt viktigare i moderna elektroniska produkter.

En välbalanserad sammansättning bidrar till att:

• Minimera strålningen
• Minska känsligheten för yttre ljud
• Förbättra EMC-överensstämmelsen

Stabil strömförsörjning

Strömintegriteten förbises ofta vid kretskortskonstruktion.

Rätt flygplanskonstruktioner bidrar till:

• Minska spänningsvariationer
• Mindre strömbrus
• Förbättra systemets stabilitet

Enklare tillverkning

En välbalanserad stapling förbättrar:

• Lamineringens stabilitet
• Registreringens riktighet
• Avkastningsnivåer
• Övergripande produktionsstabilitet

Relaterad tjänst: Tillverkning av flerskikts-PCB

Grundläggande komponenter i en kretskortsuppbyggnad

Signalskikt

Signallagren innehåller ledare för digitala, analoga, RF- och strömförsörjningssignaler.

Dessa lager bör i möjligaste mån placeras nära fasta referensplan.

Jordplan

Jordplan fungerar som returströmvägar och avskärmning.

Sammanhängande jordplan är en av de mest effektiva metoderna för att förbättra signalintegriteten.

Förmåner inkluderar:

• Minskad elektromagnetisk störning
• Returvägar med lägre impedans
• Bättre bullerdämpning

Motordrivna flygplan

Strömbanor fördelar spänningen över kretskortet.

Särskilda strömförsörjningslager bidrar till att minska spänningsfallet och förbättra strömförsörjningen.

Dielektriska skikt

Dielektriska material separerar kopparskikten.

Dessa egenskaper påverkar:

• Impedans
• Signalens utbredningshastighet
• Elektrisk isolering
• PCB-tjocklek

Valet av material blir särskilt viktigt vid höghastighets- och RF-tillämpningar.

Relaterad artikel: Tillverkning av högfrekventa kretskort

Vanliga konfigurationer för kretskortsuppbyggnad

2-lagers kretskortsuppbyggnad

Typisk uppbyggnad:

• Toppsignal
• Bottensignal

Vanliga användningsområden:

• Konsumentelektronik
• LED-produkter
• Enkla styrkretsar

Fördelar:

• Låg kostnad
• Enkel tillverkning

Begränsningar:

• Bristfällig EMI-kontroll
• Begränsat utrymme för ledningsdragning

4-lagers kretskortsuppbyggnad

En vanlig konfiguration:

Fördelar:

• Förbättrad signalintegritet
• Bättre EMI-prestanda
• Enklare impedansreglering

Detta är ofta den vanligaste utgångspunkten inom industriell elektronik.

Stackup av kretskort med 6 lager

Ett typiskt exempel:

Förmåner inkluderar:

• Högre routingtäthet
• Bättre isolering
• Förbättrad EMC-prestanda

8-lagers och flerlagers konstruktioner

Avancerade program använder ofta:

• 8-lagers kretskort
• 10-lagers kretskort
• 12-lagers kretskort
• Kretskort med 16 lager eller fler

Dessa strukturer stöder:

• Processorer med hög hastighet
• Nätverksutrustning
• AI-hårdvara
• Kommunikationssystem
• Elektronik för flyg- och rymdindustrin

Principer för konstruktion av kretskort

Se till att jordplanen är sammanhängande

Avbrott i jordplanet tvingar returströmmarna att söka sig alternativa vägar.

Detta kan leda till att:

• EMI
• Signalförvrängning
• Överhörning

Kontinuerliga referensplan föredras i allmänhet.

Placera signallager intill referensplan

Varje höghastighetssignal bör ha ett närliggande referensplan.

Förmåner inkluderar:

• Stabil impedans
• Minskade utsläpp
• Bättre signalkvalitet

Behåll symmetrin i staplingen

Symmetriska skiktuppbyggnader bidrar till att minska kortsvängningar under tillverkningen.

En jämn kopparfördelning förbättrar dessutom laminatets stabilitet.

Separera höghastighetssignaler och störande signaler

Känsliga kretsar bör isoleras från:

• Switchade strömförsörjningar
• Motorförare
• Högströmsledningar
• RF-sändare

En korrekt tilldelning av frekvensband bidrar till att minska störningar.

Kontrollerad impedans och konstruktion av skiktuppbyggnad

Moderna kommunikationsgränssnitt kräver ofta ledningar med kontrollerad impedans.

Vanliga mål är bland annat:

Impedansen beror på:

• Linjebredd
• Koppartjocklek
• Dielektrisk tjocklek
• Materialets dielektricitetskonstant
• Lageruppbyggnad

Tillverkarna beräknar vanligtvis impedansvärdena utifrån den godkända skiktuppbyggnaden innan produktionen inleds.

Konstruktionsprinciper för höghastighetskretskort

I takt med att dataöverföringshastigheterna ökar blir kvaliteten på skiktuppbyggnaden allt viktigare.

Några aspekter att beakta vid utformningen är:

Returströmvägar

Höghastighetssignaler kräver alltid returvägar med låg impedans.

En dåligt utformad returväg leder ofta till problem med signalintegriteten.

Hantering av lagerövergångar

Varje genomgångshål medför elektriska avbrott.

Designers bör i möjligaste mån undvika onödiga övergångar mellan lager.

Routning av differentiella par

Differentialsignaler kräver:

• Jämnt avstånd
• Matchande längd
• Stabila referensplan

Dessa faktorer bör beaktas vid planeringen av skiktuppbyggnaden.

Materialval för kretskortsuppbyggnader

Standard FR4

Lämplig för:

• Industriell elektronik
• Konsumentprodukter
• Allmänna konstruktioner

Fördelar:

• Kostnadseffektivt
• Lättillgängligt
• Enkelt att tillverka

Material med låga förluster

I tillämpningar som kräver högre frekvenser kan följande användas:

• Rogers material
• Panasonic-laminat
• Isola höghastighetsmaterial

Förmåner inkluderar:

• Minskad insättningsförlust
• Bättre signalkvalitet
• Förbättrad högfrekvensprestanda

Termiska aspekter vid konstruktion av laminat

Värmehanteringen bör beaktas redan i ett tidigt skede av konstruktionsprocessen.

Valet av stackup påverkar:

• Värmespridning
• Värmemotstånd
• Elfördelning

Teknikerna omfattar:

• Tjocka kopparskikt
• Termiska vior
• Särskilda kopparplan
• Metallkärnkonstruktioner

Relaterad tjänst: PCB med metallkärna

Tillverkningsaspekter

En konstruktion som ser acceptabel ut i CAD-programmet kan ändå medföra tillverkningsproblem.

Ingenjörer bör beakta följande:

Kopparbalans

En ojämn kopparfördelning kan leda till:

• Skevhet
• Problem med laminering
• Problem med registreringen

Standardmaterialets tillgänglighet

Att använda standardprepreg och standardtjocklekar på kärnan minskar ofta tillverkningskostnaderna och ledtiden.

Borrens längd-bredd-förhållande

Materialstapelns tjocklek påverkar borrkapaciteten direkt.

För stora bildförhållanden kan minska tillverkningsutbytet.

Registrering av lager

Ju fler lager, desto noggrannare måste inriktningen vara.

Tillverkarna bör granska skiktuppbyggnaden under DFM-analysen för att säkerställa tillverkningsbarheten.

Relaterad läsning: Hur man hittar en PCB-tillverkare med snabb leveranstid

Vanliga misstag vid utformning av konstruktioner

Några av de vanligaste problemen är:

• Saknade jordplan
• Dålig symmetri i skiktet
• För många lagerövergångar
• Felaktiga impedansberäkningar
• Ledningsdragning för blandade signaler och strömförsörjning
• Otillräcklig isolering mellan störande och känsliga kretsar

Många av dessa problem kan undvikas genom att man inleder ett samarbete med kretskortstillverkaren i ett tidigt skede.

Att samarbeta med din kretskortstillverkare

Utformningen av stackup-konstruktionen bör inte göras isolerat.

En erfaren tillverkare av kretskort kan hjälpa till med:

• Rekommendationer för material
• Impedansberäkningar
• Optimering av skiktstrukturen
• DFM-granskning
• Verifiering av tillverkningskapacitet

Tidig kommunikation bidrar ofta till att minska antalet omarbetningsomgångar och förkorta utvecklingsperioderna.

Slutsats

Konstruktionen av kretskortets skiktuppbyggnad utgör grunden för signalintegritet, strömintegritet, EMC-prestanda och tillverkningssäkerhet.

Oavsett om man konstruerar en fyrskiktad industriell styrenhet eller en sextonlagers plattform för höghastighetskommunikation, bidrar en väl genomtänkt planering av skiktuppbyggnaden till att minska riskerna och förbättra produktens totala prestanda.

Genom att redan från projektets början ta hänsyn till skiktplacering, impedansstyrning, materialval, värmehantering och tillverkningskrav kan ingenjörerna skapa mer tillförlitliga och kostnadseffektiva kretskortskonstruktioner.

VANLIGA FRÅGOR