Richtlinien für das Design von 6-lagigen PCB-Lagenaufbauten

Sobald Sie auf Ihrer 4-lagigen Leiterplatte keinen Platz mehr haben, ist es an der Zeit, auf eine 6-lagige Leiterplatte umzusteigen. Die zusätzliche Lage kann Ihnen Platz für mehr Signale, ein zusätzliches Flächenpaar oder eine Mischung von Leitern geben. Wie Sie diese zusätzlichen Lagen verwenden, ist weniger wichtig als die Anordnung im PCB-Lagenaufbau und das Routing auf einer 6-lagigen Leiterplatte. Wenn Sie noch nie eine 6-lagige Leiterplatte verwendet haben oder EMI-Probleme mit diesem Lagenaufbau hatten, die schwierig zu lösen waren, lesen Sie weiter, um einige Designrichtlinien und Best Practices für 6-lagige Leiterplatten zu erhalten.

Warum 6 Lagen verwenden?

Bevor Sie mit einer Leiterplatte beginnen, ist es meiner Meinung nach wichtig, die Gründe für die Verwendung einer 6-lagigen Leiterplatte zu berücksichtigen. Es gibt mehrere Gründe, die über das einfache Hinzufügen weiterer Signalpfade hinausgehen. Die einfachste Version eines Aufbaus mit 6 Lagen verfolgt den gleichen Ansatz wie ein SIG/PWR/GND/SIG-Lagenaufbau auf einer 4-lagigen Leiterplatte und platziert lediglich das Signal auf zwei weiteren Lagen in der Mitte eines Lagenaufbaus. Tatsächlich ist ein SIG/PWR/SIG/SIG/GND/SIG aus einer EMV-Perspektive jedoch der schlechteste 6-lagige PCB-Lagenaufbau und wahrscheinlich nur für eine Leiterplatte geeignet, die mit Gleichstrom betrieben wird.

Einige der Gründe, warum ich mich für eine 6-lagige Leiterplatte statt einer 4-lagigen entscheiden würde, sind:

1. Sie haben einen 4-lagigen Lagenaufbau – SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR – verwendet und benötigen auf der Oberflächenlage mehr Platz für Komponenten. Das Einfügen von PWR und SIG in die inneren Lagen ergibt eine stärkere Entkopplung mit einem PWR/GND-Ebenenpaar.
2. Bei Mixed-Signal-Leiterplatten kann eine ganze Oberflächenlage den analogen Schnittstellen gewidmet sein, und zusätzlich gibt es eine weitere interne Lage für langsameres digitales Routing.
3. Sie verwenden eine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte mit einer hohen Anzahl von E/As und brauchen eine gute Möglichkeit, Signale auf verschiedene Lagen der Leiterplatte aufzuteilen. Sie können dieselbe Strategie wie in Nr. 1 implementieren.

In all diesen Konfigurationen fügen Sie nur eine zusätzliche Signallage hinzu, nicht zwei. Die andere Lage ist einer GND-Ebene, Stromschienen oder einer vollständigen Versorgungsfläche gewidmet. Ihr Lagenaufbau ist der wichtigste Bestimmungsfaktor für EMV und Signalintegrität in Ihrer Leiterplatte sowie für Ihr Layout und Ihre Routing-Strategie.

• In diesem Artikel finden Sie weitere Tipps zu 6-lagigen PCB-Lagenaufbauten und ihren EMV-Eigenschaften

Routen von Signalen

Bevor Sie mit dem Routing beginnen, schauen wir uns den typischen PCB-Lagenaufbau an, den Sie in einer 6-lagigen Leiterplatte verwenden würden:

In diesem Lagenaufbau befinden sich die obere und untere Lage auf dünnen Dielektrika, daher sollten diese Lagen für impedanzgesteuerte Signale verwendet werden. 10 mil ist wahrscheinlich das dickste Dielektrikum, das Sie verwenden sollten, da hierfür ein Mikrostreifen-Routing mit einer Breite von 15 bis 20 mil erforderlich ist, was von der Dielektrizitätskonstante abhängt. Wenn Sie eine digitale Schnittstelle mit differentiellen Paaren routen, ermöglicht der Abstand auch eine reduzierte Leiterbahnbreite, wodurch Sie in Komponenten mit feinerem Anschlussraster routen können. Zum Beispiel haben wir eine Version des obigen Lagenaufbaus für viele unserer Netzwerkprodukte mit kleinem Formfaktor verwendet, die mehrere Multi-Gigabit-Ethernet-Kanäle unterstützen.

Wenn Sie viel kleinere Leiterbahnbreiten auf den äußeren Lagen verwenden müssen, verringern Sie einfach die Dicke der äußeren Dielektrika (womöglich nur um 4–5 mil) und erhöhen dann die Dicke des L3–L4-Dielektrikums ein wenig, damit Sie Ihr Ziel für die Leiterplattendicke erreichen. Der nächste zu berücksichtigende Punkt ist das Routing der Stromversorgung.

Routen von Strom

Im obigen Beispiel eines 6-lagigen PCB-Lagenaufbaus ist eine ganze Lage für PWR vorgesehen. Bei einer 6-lagigen Leiterplatte ist dies im Allgemeinen eine gute Praxis, da dadurch auf den Oberflächen Platz für Komponenten frei wird und es einfacher ist, diese Komponenten über Durchkontaktierungen mit Strom zu versorgen.

Schauen Sie sich als Beispiel das unten abgebildete BGA an. Dieses spezielle BGA ist typisch für einen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen-Controller, der viel Strom mit verschiedenen Spannungen benötigt, sodass viele Kugeln mit Strom und Masse verbunden sein werden. In so etwas wie einem FPGA finden Sie im Footprint verteilt möglicherweise mehrere Pins für Strom und Masse. Durch die Verwendung einer einzigen Lage für die Stromversorgung kann die Ebene in Schienen aufgeteilt werden, sodass bei Bedarf mehrere Spannungen bei hoher Stromstärke verwendet werden können. Auf diese Weise müssten sich diese Schienen bei unterschiedlichen Spannungen nicht überlappen, wodurch ein zusätzliches EMI-Problem vermieden wird.

Beachten Sie jedoch eines: Nur, weil Sie die Stromversorgung auf einer internen Lage platziert haben, bedeutet dies nicht, dass Sie nirgendwo sonst eine Stromversorgung platzieren können. Sie können Strom in Form von Schienen mit Kupferflächen oder dicken Leiterbahnen immer noch auf andere Signallagen führen.

Wenn Sie auf einer 6-lagigen Leiterplatte hohe Ströme benötigen, möglicherweise mit mehreren Spannungen, würde ich empfehlen, eine zusätzliche Versorgungslage anstelle einer zusätzlichen Signallage zu verwenden. Mit anderen Worten, Sie haben zwei Versorgungslagen, die auf den internen Lagen innerhalb des Lagenaufbaus mit Masse verschachtelt sind. Man könnte sogar noch einen Schritt weiter gehen und eine Versorgungslage auf der Rückseite anbringen, um die Strombelastbarkeit zu erhöhen. Damit hätten Sie genug Platz, um den Strom über eine große Fläche zu leiten, möglicherweise mit schwererem Kupfer, um einen niedrigen Gleichstromwiderstand und einen geringen Leistungsverlust zu gewährleisten.

Abgesehen von diesen Punkten gelten die anderen wichtigen Routing-Strategien, die bei einer 4-lagigen oder 8-lagigen Leiterplatte zur Gewährleistung der EMV eingesetzt werden, auch für eine 6-lagige Leiterplatte. Wenn Sie einen ähnlichen 6-lagigen Lagenaufbau wie im Beispiel oben verwenden, können Sie das Routing und die Sicherstellung der Signal- und Stromversorgungsintegrität sehr viel einfacher gestalten. Die gleichen DFM-Überlegungen wie bei einer 4- oder 8-lagigen Leiterplatte gelten auch für eine 6-lagige Leiterplatte. Lassen Sie Ihren Lagenaufbau von einem Fertigungsunternehmen freigeben, bevor Sie mit der Erstellung Ihres Layouts, der Dimensionierung der Leiterbahnen und dem Routing beginnen.

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Bevor Sie überhaupt damit beginnen Ihren Lagenaufbau zu erstellen und mit dem Routing zu starten, achten Sie bitte darauf, dass Sie die Richtlinien für das 6-lagige PCB-Design auch bedacht haben. Sie sind bereit Ihre 6-lagige Leiterplatte zu erstellen? Dann verwenden Sie doch einfach das beste PCB-Design-Toolset von Altium Designer®. Hierin enthalten ist ein komplettes Set an Tools für Layout, Routing sowie zur Vorbereitung Ihrer Leiterplatte für die Produktion. Sobald Sie Ihre PCB-Footprints erstellt haben, können Sie diese mittels der Altium 365™-Plattform mit anderen teilen – bspw. mit beteiligten Kollegen aus anderen Arbeitsbereichen. Nicht nur gegen Ende, sondern schon während des Design-Prozesses, ermöglicht die Plattform es Ihnen sich mit anderen auszutauschen und effizient zusammenzuarbeiten. Alles, was Sie für das Design und die Herstellung moderner Elektronik benötigen, finden Sie bei Altium in einem einzigen Softwarepaket.

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