I dagens höghastighetselektronik har designen av mönsterkortslaminat blivit en kritisk faktor som avgör produktens prestanda, tillförlitlighet och kostnad. Utmärkt PCB-laminatdesign är en precisionskonst inom elektronisk teknik som integrerar elektromagnetik, materialvetenskap och strukturmekanik.
Varför är PCB Stack-up Design så viktigt?
Den tredubbla utmaningen inom utveckling av elektroniska komponenter
Speed Revolution: Moderna CPU-klockfrekvenser har passerat 5 GHz. När signalernas flödeshastighet sjunker under 1ns är kretskortet inte längre bara ett enkelt sammankopplingsmedium utan ett komplext transmissionsledningssystem. Om höghastighetssignalspåren är för långa eller stöter på impedansdiskontinuiteter uppstår signalreflektion och distorsion, ungefär som ett eko i en dal som stör det ursprungliga ljudet.
Densitetsexplosion: Moderkort för smartphones innehåller över 1000 komponenter, med BGA-paket med stiftavstånd så små som 0,4 mm. Vid denna densitet är en enkelskiktsrouting som en tunnelbanestation i rusningstid - helt enkelt omöjligt att uppfylla anslutningskraven.
Bullerkontroll: Digitala signalers omedelbara växling genererar högfrekvent elektromagnetisk strålning (EMI), som inte bara kan störa de egna analoga kretsarna (t.ex. ljudmoduler) utan även intilliggande enheter. Strikta krav för EMC-certifiering gör bruskontroll till en nödvändighet.
Kärnan i flerskiktskretskort är att utöka routningsutrymmet genom vertikal stapling samtidigt som man bygger elektromagnetiska skyddsbarriärer, på samma sätt som en stad utvecklas från plan expansion till tredimensionell konstruktion av viadukter, tunnelbanor och skyskrapor.
Grunderna för PCB-stack-up: Analys av de tre kärnmaterialen
Kärnan
- Strukturella egenskaper: Styvt basmaterial med koppar på båda sidor, fast isolerande material i mitten.
- Funktion: Ger mekaniskt stöd och en stabil dielektrisk miljö.
- Vanliga tjocklekar: 0,1 mm, 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm etc.
Prepreg (PP)
- Sammansättning: Glasfiberduk impregnerad med delvis härdat harts.
- Roll: Bindningsmaterial vid laminering, fyller ut mellanrum mellan olika kärnskikt.
- Fastigheter: Något mjukare än kärnan, god flytbarhet under pressning.
Kopparfolie
- Funktion: Bildar ledande spår för att överföra signaler och kraft.
- Vanliga tjocklekar: 1/2 oz (18μm), 1 oz (35μm), 2 oz (70μm).
- Typer: Standard kopparfolie, Reverse Treated Foil (RTF), Low Profile Foil (LP).
Schematisk bild av en typisk 4-lagers kretskortsuppbyggnad:
Översta lagret (signal/komponenter) - L1
PP (bindningsdielektrikum)
Kärna (dielektrikum)
Inre lager 1 (strömförsörjning/jord) - L2
Inre lager 2 (strömförsörjning/jord) - L3
Kärna (dielektrikum)
PP (Bondande dielektrikum)
Bottenlager (signal/komponenter) - L4
De fem gyllene reglerna för PCB-stack-up-design
1. Symmetriprincipen: grunden för stabilitet
- Symmetri i koppar: Kopparfolietyp och tjocklek måste vara identiska för motsvarande lager.
- Strukturell symmetri: Spegelsymmetri i lagerstrukturen ovanför och nedanför kortets centrum.
- Fördel: Minskar lamineringsspänningen, förhindrar skevhet på kortet (målskevhet < 0,1%).
- Exempel: Lager L2 och L5 i ett 6-lagers kort bör använda samma kopparvikt och liknande routningstäthet.
2. Prioritering av referensplan: Säkerställande av signalintegritet
- Adjacency-principen: Varje höghastighetssignalskikt måste ligga intill ett fast referensplan (ström eller jord).
- Preferens för markplan: Ett jordplan är i allmänhet en bättre referens än ett kraftplan.
- Kontroll av avstånd: Rekommenderat avstånd mellan signalskikt och referensplan är ≤ 5 mils (0,127 mm).
3. Höghastighetsisolering av signaler: Exakt elektromagnetisk kontroll
- Stripline Fördel: Kritiska höghastighetssignaler (t.ex. klockor, differentiella par) bör ledas mellan interna lager och bilda en "sandwich"-struktur.
- Microstrip-tillämpning: Icke-kritiska eller lågfrekventa signaler kan använda mikrostrip-ledningar i ytskikt.
- Undvik att korsa splittringar: Förbjud höghastighetssignaler att korsa delningar i referensplanet.
4. Design av kraftintegritet: Stabil energileverans
- Stäng kopplingen: Avståndet mellan strömskiktet och dess motsvarande markskikt bör kontrolleras inom 0,2 mm.
- Strategi för frikoppling: Placera frikopplingskondensatorer nära strömingångar och IC:s strömstift.
- Delning av plan: Kraftsystem med flera skenor kräver noggrann planuppdelning för att undvika interferens mellan olika kraftdomäner.
5. Impedansreglering: Exakt matchning för höghastighetssignaler
- Exakt beräkning: Använd professionella verktyg som Polar Si9000 för impedansberäkning.
- Kontroll av tolerans: Enkelriktad 50Ω ±10%, Differentiell 100Ω ±10%.
- Beaktande av parametrar: Trådens bredd, dielektriska tjocklek, kopparvikt och dielektricitetskonstant påverkar alla den slutliga impedansen.
Detaljerad analys av typiska PCB-stack-up-scheman
4-lagers kretskort: Balanspunkten mellan kostnad och prestanda
Rekommenderad ordning: TOPP - GND - PWR - BOTTEN
- Lager 1: Signal/Komponenter (Microstrip)
- Lager 2: Solid Ground Plane
- Lager 3: Power Plane
- Lager 4: Signal/Komponenter (Microstrip)
Fördelar: Det billigaste alternativet med flera skikt, ger grundläggande referensplan.
Nackdelar: Begränsade routingkanaler, genomsnittlig höghastighetsprestanda.
Tillämpliga scenarier: Konsumentelektronik, industriella styrkort och andra applikationer med medelhög till låg hastighet.
6-lagers kretskort: Det optimala valet mellan kostnad och prestanda
Schema 1 (prestationsinriktat): TOPP - GND - SIG - PWR - GND - BOTTEN
- Lager 1: Signal/Komponenter
- Lager 2: Markplan (referenser L1 och L3)
- Lager 3: Höghastighetssignaler (Optimal Routing Layer)
- Lager 4: Power Plane
- Lager 5: Markplan (referenser L4 och L6)
- Lager 6: Signal/Komponenter
Fördelar: 3 dedikerade routningslager + 2 jordplan, god signalintegritet.
Tillämpliga scenarier: DDR3/4-minnesgränssnitt, Gigabit Ethernet och andra höghastighetsapplikationer.
8-lagers kretskort: Standard för avancerade applikationer
Rekommenderad ordning: TOPP - GND - SIG1 - PWR - GND - SIG2 - GND - BOTTEN
- Lager 1: Signal/Komponenter
- Lager 2: Markplan
- Lager 3: Höghastighetssignaler (SIG1)
- Lager 4: Power Plane
- Lager 5: Markplan
- Lager 6: Höghastighetssignaler (SIG2)
- Lager 7: Markplan
- Lager 8: Signal/Komponenter
Fördelar: 4 routningslager + 3 jordplan, ger utmärkt EMC-prestanda och signalintegritet.
Tillämpliga scenarier: Moderkort till servrar, utrustning för höghastighetsnätverk och avancerade grafikkort.
Avancerade optimeringsstrategier och praktiska tekniker
Val av material: Balans mellan prestanda och kostnad
Standard FR-4 och de senaste noteringarna!:
- Lägsta kostnad, lämplig för applikationer ≤ 1 GHz.
- Dielektricitetskonstant εr ≈ 4,2-4,5, Dissipationsfaktor tanδ ≈ 0,02.
Material för höga hastigheter (t.ex. Panasonic Megtron 6, Isola I-Speed):
- Kostnaden är 2-5 gånger högre än för FR-4.
- εr ≈ 3,5-3,7, tanδ ≈ 0,002-0,005.
- Lämplig för 5G, servrar och andra 10GHz+ applikationer.
Substrat för metallkärnor (t.ex. aluminium):
- Värmeledningsförmåga upp till 2-8 W/(m-K), 10-40 gånger högre än FR-4.
- Lämplig för högeffektslysdioder, kraftmoduler och andra termiskt känsliga scenarier.
Tekniker för undertryckande av överhörning
3W-regel: Avståndet mellan höghastighetssignalspår ≥ 3x spårbredd, kan minska fältkopplingen med 70%.
20H Regel: Effektplanet är inskjutet med 20x den dielektriska tjockleken från kanten, vilket undertrycker fransstrålningseffekter.
Vaktspår: Placera jordade skyddsledare längs särskilt känsliga signalledningar.
Strategier för termisk hantering
Termisk Vias: Array av vior (t.ex. φ0,3 mm) under högeffektschip för att leda värme till kopparlagren på motsatt sida.
Val av kopparvikt: Använd 2 oz eller tjockare koppar för högströmsbanor för att minska uppvärmning och spänningsfall.
Termisk symmetridesign: Undvik att koncentrera kraftkomponenter för att förhindra lokala hot spots.
Hänsyn till tillverkningsprocessen och DFM-principer
Viktiga punkter för DFM (Design for Manufacturability)
Spårbredd/avstånd:
- Standardprocess: ≥ 4mil/4mil
- Fine Line Process: ≥ 3mil/3mil
- HDI-process: ≥ 2mil/2mil
Via design:
- Storlek på genomgående hål: ≥ 0,3 mm (standard), ≥ 0,2 mm (lasermikrovia)
- Padstorlek: håldiameter + 8 mil (standard), håldiameter + 6 mil (hög densitet)
Justering av lager:
- Tolerans för registrering lager till lager: ±2-3mil
- Impedansregleringen måste ta hänsyn till tjockleksvariationer på grund av felregistrering av skikt.
Strategier för kostnadsoptimering
Minskning av antalet lager: Välj det minsta antal lager som uppfyller prestandakraven. 4-lagers → 6-lagers ökar kostnaden med 30-50%.
Materialoptimering: Använd standard FR-4 i icke-kritiska områden, reservera avancerade material endast för höghastighetssektioner.
Paneliseringsdesign: Optimera panellayouten för att öka materialutnyttjandet till 85-90%.
Val av process: Undvik onödiga specialprocesser som via-in-pad, speciella ytbehandlingar.
Projektets bakgrund: Gigabit Ethernet-växelkort med DDR4-minne och flera SerDes-kanaler.
Ursprunglig ordning: TOPP - SIG1 - GND - PWR - SIG2 - BOTTEN
Problem: Kraftig överhörning mellan intilliggande SIG1- och SIG2-lager; effektbrus som påverkar SerDes-prestanda.
Optimerat schema: TOPP - GND - SIG1 - PWR - GND - BOTTEN
Förbättringar:
- Ett särskilt jordplan har lagts till för att ge referens för toppskiktet och SIG1.
- Ändrade SIG2-skiktet till jordplanet, vilket förbättrade skärmningseffektiviteten.
- Tät koppling mellan ström och jord minskar impedansen i eldistributionsnätet.
Resultat: 40% förbättring av signalintegriteten, 6dB ökning av EMI-testmarginalen, 15% ökning av produktionsutbytet.
Sammanfattning
PCB-stackupdesign är en grundläggande kärnkompetens inom elektronikteknik. En utmärkt stackupdesign kan avsevärt förbättra produktens prestanda utan att öka kostnaderna. Att behärska symmetrisk design, planering av referensplan, impedansstyrning och signalintegritetsprinciper - samtidigt som man väljer lämpligt antal lager och material baserat på specifika applikationsscenarier - är en viktig förmåga för alla hårdvaruutvecklare.