Conception de l'empilement de PCB: Un guide complet des bases à l'optimisation du signal à grande vitesse

 

Dans la conception électronique moderne, PCB (Circuit imprimé) La conception d'empilement est l'un des facteurs clés déterminant les performances du circuit, fiabilité, et coûter. Surtout lorsque le nombre de couches dépasse quatre, La conception de l'empilement affecte non seulement l'intégrité du signal, compatibilité électromagnétique (CEM), et la gestion thermique mais a également un impact direct sur les coûts de fabrication et la complexité des processus. Cet article commencera par des concepts fondamentaux, plonger dans les principes fondamentaux de Circuit imprimé conception d'empilement, sélection des matériaux, et stratégies d'optimisation du signal à grande vitesse, Aider les ingénieurs à prendre des décisions plus éclairées pendant le processus de conception.

Fondamentaux de la conception de l'empilement PCB

Qu'est-ce que l'empilement PCB?

Le stackup PCB fait référence au processus d'empilement de plusieurs couches de cœurs vêtus de cuivre (Cœur), préampe (Préimprégné, abrégé en pp), et feuille de cuivre dans une séquence spécifique, qui sont ensuite laminés pour former un carte de circuit imprimé multicouche structure. Le cœur de la conception de l'empilement réside dans l'allocation rationnelle des couches de signal, Couches de puissance, et les couches au sol pour répondre aux performances électriques, résistance mécanique, et les exigences de contrôle des coûts.

Pour célibataire ou planches à double couche, La conception d'empilement est relativement simple, nécessitant généralement uniquement la sélection d'épaisseur de planche et de poids en cuivre approprié. Cependant, Lors de la conception de planches multicouches avec quatre couches ou plus, La conception de l'empilement devient complexe et critique. Par exemple, La conception d'empilement d'une carte de 16 couches doit considérer l'intégrité du signal, contrôle d'impédance, Boulding EMC, gestion thermique, et d'autres facteurs.

Matériaux clés dans la conception de l'empilement

• Noyau vêtu de cuivre (Cœur): Composé de substrat isolant (comme la résine époxy, fibre de verre) et feuille de cuivre, Fournir un soutien mécanique et une isolation électrique.
• Préimprégné (Préimprégné): En tissu en fibre de verre imprégné de résine époxy, Utilisé pour la liaison et l'isolation intercouches.
• Feuille de cuivre: Utilisé pour former des traces conductrices, avec des épaisseurs communes de 0,5 oz (18µm), 1once (35µm), et 2 oz (70µm).

Principes de base de la conception de l'empilement PCB

Allocation de couche et intégrité du signal

Lors de la conception de PCB multicouches, Le nombre de couches doit d'abord être déterminé en fonction de l'échelle du circuit et des exigences EMC. Typiquement, couches de signaux, Couches de puissance, et les couches au sol doivent être alternativement distribuées pour réduire la diaphonie du signal et les interférences électromagnétiques. Par exemple, Pour les signaux à grande vitesse, un “GND / Signal / GND” La combinaison d'empilement est recommandée pour minimiser le couplage de la diaphonie.

• Stripline: Convient aux signaux critiques à grande vitesse, où la ligne de signal est prise en sandwich entre deux plans de terre, offrant un excellent blindage.
• Micrormenter: Convient aux signaux à grande vitesse non critiques, où la ligne de signal est sur la couche externe, offrant un routage flexible mais un blindage plus faible.

Contrôle de l'impédance

Le contrôle de l'impédance est l'un des principaux aspects de Conception de PCB à grande vitesse. L'impédance mono-extrémiste est 50Ω, et l'impédance différentielle est de 100Ω. L'inistence d'impédance peut provoquer une réflexion sur le signal, distorsion, et rayonnement, affectant l'intégrité du signal. Les paramètres clés pour le contrôle de l'impédance comprennent:

• Largeur de trace et espacement: Facteurs principaux affectant l'impédance.
• Constante diélectrique: Les matériaux avec de faibles constantes diélectriques aident à réduire le retard et la perte du signal.
• Épaisseur du cuivre: Les couches de signal intérieur utilisent généralement une épaisseur de cuivre de 0,5 oz pour répondre aux exigences de gravure précises.

Design EMC

L'objectif de la conception EMC est de réduire les interférences électromagnétiques (EMI) et améliorer les capacités anti-ingérence. Certains principes de base incluent:

• Couches de puissance et de sol adjacentes: Utiliser la capacité intercouche comme condensateur de lissage de puissance tout en protégeant les courants de rayonnement.
• Couches de routage adjacentes aux couches de puissance ou de sol: Réduire les interférences par annulation de flux.
• Plan de sol comme couche de bouclier: Supprimer l'interférence RF en mode commun et réduire l'impédance de distribution de la puissance à haute fréquence.

Stratégies d'optimisation pour la conception de l'empilement de PCB à grande vitesse

Sélection des matériaux

Les PCB à grande vitesse nécessitent des matériaux à faible perte tangente (Df) et faible constante diélectrique (Ne sait pas). Les matériaux FR-4 communs conviennent à la plupart des applications, Mais pour les scénarios à grande vitesse, Des matériaux haute performance tels que la série Megtron4 / 6 de Panasonic sont recommandés. Par exemple, Megtron6 ​​présente une perte de signal de seulement 0,85 dB / pouce à 28 Gops, tandis que FR-4 a une perte jusqu'à 2 dB / pouce.

Effet en fibre de verre et rugosité en feuille de cuivre

• Effet en fibre de verre: Le style de tissage de différents tissus en fibre de verre affecte les caractéristiques du signal. Pour atténuer l'effet de fibre de verre, Choisissez des types de fibre de verre avec des fenêtres en résine minimisé ou utilisez des méthodes de routage en zigzag.
• Rugosité en feuille de cuivre: Dans la conception du signal à grande vitesse, La rugosité de la surface du feuille de cuivre affecte la transmission du signal. Son impact est minime en dessous de 5 GHz mais devient significatif au-dessus de 10 GHz.

Gestion thermique

Les PCB à grande vitesse sont souvent livrés avec une consommation d'énergie élevée, rendre la gestion thermique cruciale. Certaines stratégies d'optimisation incluent:

• Sélection de matériaux de conductivité thermique élevés: Comme les substrats à base de métal (Aluminium ou cuivre).
• Conception de tampons thermiques et de vias: Améliorer l'efficacité de la conduction thermique.
• Augmentation des avions de sol et des zones de cuivre: Améliorer les capacités de dissipation de chaleur.

Applications pratiques de la conception de l'empilement PCB

16-Conception d'empilement de la carte de calque

Prendre un tableau de 16 couches comme exemple, Une structure d'empilement typique est la suivante:

1. Couche supérieure (Couche de signal)
2. Couche terrestre
3. Couche de signal
4. Couche de puissance
5. Couche de signal
6. Couche terrestre
7. Couche de signal
8. Couche de base
9. Couche de signal
10. Couche terrestre
11. Couche de signal
12. Couche de puissance
13. Couche de signal
14. Couche terrestre
15. Couche de signal
16. Couche inférieure (Couche de signal)

Cette structure réduit efficacement la diaphonie et les interférences électromagnétiques en distribuant alternativement le signal et les couches au sol tout en répondant aux exigences de contrôle d'impédance des signaux à grande vitesse.

Via la conception de la structure

Dans PCB HDI, Les vias aveugles et les vias enterrés sont largement utilisés pour optimiser l'espace de routage. Cependant, Ceux-ci via les structures augmentent les difficultés de fabrication et le coût. Donc, via les structures doivent être simplifiées pendant la conception, comme la priorisation des vias à travers (PTH).

Conclusion

La conception de l'empilement de PCB est une tâche complexe et critique impliquant la sélection des matériaux, allocation de couche, contrôle d'impédance, Design EMC, et gestion thermique. Grâce à la conception rationnelle de l'empilement, Les performances du circuit et la fiabilité peuvent être améliorées tout en contrôlant efficacement les coûts. Pour la conception de PCB à grande vitesse, Sélection de matériaux à faible perte, Optimisation des effets en fibre de verre et de la rugosité du feuille de cuivre, et le renforcement de la gestion thermique est la clé pour assurer l'intégrité et la stabilité du signal.

Que vous soyez un débutant ou un ingénieur chevronné, La maîtrise des principes fondamentaux et des stratégies d'optimisation de la conception de l'empilement PCB jettera une base solide pour la conception réussie des produits électroniques.