Überlegungen zum Lagenaufbau einer Leiterplatte für das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design

Hochgeschwindigkeitsdesigns funktionieren nur dann erfolgreich, wenn sie mit dem richtigen PCB-Lagenaufbau konstruiert werden. Der Lagenaufbau muss eine korrekte Anordnung von Versorgungs- und Masseflächen aufweisen, wobei genügend Lagen für alle Signale vorgesehen sein müssen. Zudem muss das alles mit einer Material- und Kupferauswahl geschehen, die in angemessenem Umfang und zu angemessenen Kosten hergestellt werden kann. Wenn ein Designer den Lagenaufbau richtig hinbekommt, dann ist das Routing mit gesicherter Signalintegrität viel einfacher durchführbar und viele der simpleren EMI-Probleme können unterdrückt oder gänzlich vermieden werden.

Um Designern dabei zu helfen, Hochgeschwindigkeits-Lagenaufbauten schneller zu entwickeln und so zu konstruieren, dass sie das erforderliche Routing unterstützen und gleichzeitig die Signalintegrität gewährleisten, haben wir wichtige Ressourcen für verschiedene Klassen von Hochgeschwindigkeits-Lagenaufbauten hier einmal zusammengestellt. 

Aufbauten mit geringer Lagenanzahl

Simple Hochgeschwindigkeits-PCBs beginnen als 4-lagige Leiterplatten. Meiner festen Überzeugung nach sollten 2-lagige Leiterplatten nicht für Designs verwendet werden, die impedanzkontrollierte digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstellen unterstützen müssen, weil sie die Signalintegrität oder auch den Geräuschschutz nicht ausreichend garantieren können. Jeder Designprofi wird Ihnen diesen Punkt bestätigen.

Unten sind die drei Haupttypen von 4-lagigen PCB-Aufbauten abgebildet, die in der Lage sind, Hochgeschwindigkeitssignale zu unterstützen. Unter diesen Lagenaufbauten ist Option 1 wohl die beste Wahl; sie bietet die größte Flexibilität beim Routing und kann als doppelseitige Leiterplatte verwendet werden. Option 2 kann ebenfalls für die doppelseitige Bestückung verwendet werden, schränkt aber die Möglichkeiten bei der Signalführung ein, da es zu Crosstalk innerhalb der internen Lage kommen kann. Option 3 ist vor allem dann eine gute Wahl, wenn Sie hohe Leistungsanforderungen gegeben haben. Sie können hier Hochgeschwindigkeitssignale nur auf einer Lage routen; passive oder mechanische Elemente können aber dennoch auf der Rückseite platziert werden.

• Erfahren Sie hier mehr über die besten 4-lagigen Aufbau-Optionen für doppelseitige Leiterplatten

Wenn eine höhere Anzahl von Signalen erforderlich ist, z. B. bei der Platzierung von Signalen mit niedrigeren Geschwindigkeiten in einer internen Lage, muss Option 1 im nächsten Schritt auch um eine höhere Anzahl von Lagen erweitert werden. Dies würde mit einem 6-lagigen Aufbau beginnen; die in Option 1 gezeigte Anordnung würde durch eine entsprechende Stromversorgungslage (Power Layer) und eine Signalschicht (Signal Layer) ergänzt. Dieser Lagenaufbau ist aus zwei Gründen nützlich:

• Oberflächenlagen eignen sich gut für impedanzkontrollierte Hochgeschwindigkeitsschnittstellen
• Interne Lagen können die meisten langsameren Schnittstellen oder Steuersignale unterstützen
• Die Stromversorgungsschicht (Power Layer) kann auf mehrere große Schienen aufgeteilt werden und so unterschiedliche Kernspannungsebenen unterstützen.

Das gleiche Verfahren kann verwendet werden, um den Lagenaufbau auf acht oder mehr Lagen mit Hochgeschwindigkeitssignalen zu erweitern. Diese Art des Aufbaus wird im nächsten Abschnitt behandelt.

• Erfahren Sie hier mehr über 6-lagige Aufbauten, die Hochgeschwindigkeits-PCBs unterstützen können

Aufbauten mit moderate Lagenanzahl

Irgendwann wird der Lagenaufbau der Leiterplatte so dick, dass die Gesamtdicke der Leiterplatte den Standardwert übersteigt. Fertigungstechnisch ist das kein Problem; Standard-Laminierpressen können durchaus Leiterplatten verarbeiten, die über den Standardwert hinausgehen, sogar wenn sie eine Dicke von mehreren mm erreichen. Wenn Sie jedoch eine dünne Leiterplatte anstreben, benötigen Sie dünnere Schichten. Optionen dafür sind verstärkte PTFE-Laminate (siehe unten) oder direkt die Umstellung auf HDI-Verarbeitung.

Bei Leiterplatten mit moderater Lagenanzahl (über ~8 Lagen) können mehrere Kupferlagen für die Stromversorgung sowie zusätzliche Signallagen verwendet werden. Für diese Art der Leiterplatten gibt es einige einfache Richtlinien, die Ihnen dabei helfen können, EMI zu unterdrücken und die Power-Integrität zu gewährleisten:

• Es ist in Ordnung, eine Stromversorgungsebene auf mehrere Schienen aufzuteilen, solange auf diese Kupferlage keineSignale verweisen.
• Wenn es mehrere Stromversorgungsebenen gibt, stapeln Sie die Stromversorgungsebenen nicht auf benachbarten Lagen, sondern trennen Sie diese durch eine GND-Ebene.
• Legen Sie schnelle Signale auf interne Lagen zwischen zwei GND-Ebenen; beziehen Sie diese aber nicht auf Stromversorgungsebenen mit Splits.
• Verwenden Sie die Oberflächenlagen nur für schnelle Mikrostreifen, bei Bedarf auch für einige Stromzuführungen und, falls erforderlich, für GND-Kupferflächen.

Diese Richtlinien können dazu führen, dass Sie Ihrem Design ein paar zusätzliche Lagen hinzufügen müssen; die Vorteile sind jedoch eine viel bessere Rauschkontrolle, Power- und Signalintegrität.

Erweiterter Lagenaufbau

"Fortschrittlicher" kann im Zusammenhang mit High-Speed-PCB-Designs viele Dinge bedeuten. In digitalen Hochgeschwindigkeitsdesigns könnte das in Bezug auf die Auswahl und Anordnung der Lagen folgendes sein:

• Dünne Lagen zur Unterstützung von HDI-Routing
• Hohe Lagenanzahl, die die Verwendung dünner Lagen erforderlich macht.
• Routing in Fine-Pitch-BGAs auf mehreren Lagen (aber nicht unbedingt mit HDI)

Mit anderen Worten: Sie können es mit sehr dünnen Signallagen (z. B. 4 mils) mit glasfaserverstärktem FR4 mit geringer Lagenanzahl zu tun haben. Sie können aber auch sehr hohe Lagenanzahlen vorliegen haben, die die Verwendung dünner Lagen und möglicherweise alternativer Materialien erforderlich machen.

Die Überlegungen zum Design von Hochgeschwindigkeits-Lagenaufbauten für diese Leiterplatten konzentrieren sich auf die erforderlichen Linienbreiten für die Komponenten und die Herstellbarkeit – also nicht einfach nur auf Dk- und Df-Werte. In einigen Fällen wird auf Signallagen ein Laminat mit niedrigem Dk und niedrigem Df benötigt, nicht nur, weil die Verluste so geringer sind. Bei diesen Designs stehen Herstellbarkeit und Signalintegrität an erster Stelle. Dünne Laminate können dabei die Antwort auf viele Herausforderungen in Hochgeschwindigkeits-Lagenaufbauten mit hoher Lagenanzahl und/oder dünnen Signallagen sein. Die derzeit wichtigste Option für dünnere Leiterplatten, bei denen die Umstellung auf die fortschrittlichste Verarbeitung oder HDI-Verarbeitung entfällt, sind verstärkte PTFE-Laminate. Diese sind in Dicken unter 4 mm erhältlich.

• Erfahren Sie hier mehr über das Lagenaufbau-Design für fortschrittliche High-Speed-PCBs

Weitere Ressourcen

Die zwei anderen Bereiche des Lagenaufbau-Designs, die für Hochgeschwindigkeits-PCBs wirklich wichtig sind, sind die Power- und Signalintegrität. Wenn BGA-Gehäuse ein sehr feines Raster aufweisen und die Lagen sehr dünn werden, ist es möglicherweise notwendig auf HDI-Designs umzusteigen. Um mehr über diese wichtigen Bereiche des PCB-Designs zu erfahren, können Sie einfach auf folgende weitere Ressourcen zugreifen:

• 11 HDI-Materialien, die Sie kennen müssen
• 2+N+2 PCB-Lagenaufbau-Design für HDI-Leiterplatten
• E-Book: PDN-Simulations- und Analysehandbuch
• Einfluss des Lagenaufbau-Designs auf die Signalintegrität

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