Entwurf eines 6-Lagen-Stackups für verbesserte EMV

Zachariah Peterson
|  Created: April 9, 2019  |  Updated: December 27, 2020

 A 6 layer PCB stackup is just like a great sandwich

Das Design einer mehrschichtigen Leiterplatte ist wie das Zusammensetzen eines großartigen Sandwichs. In beiden Fällen kann die richtige Anordnung der Komponenten zu einer großen Zufriedenheit führen. Um die Signalintegrität in Ihrem Club Sandwich müssen Sie sich keine Sorgen machen, aber Ihren PCB-Lagenaufbau müssen Sie so entwerfen, dass Ihre Signale sauber bleiben.

6-Lagen-Leiterplatten sind ein wirtschaftlicher und beliebter Stackup für eine Vielzahl von Anwendungen. Mit dem richtigen Lagenaufbau können Sie EMI unterdrücken, Fine-Pitch-Komponenten unterbringen und sogar mit HF-Bauteilen arbeiten. Und Sie müssen sich nicht für einen dieser Vorteile entscheiden – mit dem richtigen Stackup, den richtigen Routing-Optionen und der richtigen Komponentenplatzierung können Sie all diese Vorteile auf einer einzigen Platine nutzen.

Wie viele Strom-, Masse- und Signalebenen benötige ich?

Die Antwort auf diese Frage ist äußerst wichtig und hängt von der Anwendung für Ihre Leiterplatte ab. Wenn Sie eine dichte Platine mit begrenztem Platz routen, sollten Sie sich für eine Strom-, eine Masse- und vier Signalebenen entscheiden. Wenn Sie die Störanfälligkeit gegenüber EMI deutlich reduzieren müssen, sollten Sie sich für mehr Masseebenen mit zwei Signalebenen entscheiden. Die Anordnung der Masseebenen hat eine signifikante Abschirmwirkung in Ihrer Leiterplatte, ohne dass Sie Abschirmdosen benötigen.

Unabhängig davon, ob Sie digitale und analoge, oder hoch- und niederfrequente Signale mischen, oder eine Kombination aus diesen Möglichkeiten wählen – Sie können kreativen Gebrauch von einer 6-Lagen-Leiterplatte machen. Irgendwann werden Sie sich für eine größere Platine oder mehr Lagen in Ihrem Stackup entscheiden müssen (oder beides!), aber eine 6-Lagen-Platine können Sie immer noch für eine Reihe von Anwendungen verwenden. Beachten Sie, dass es viele verschiedene Kombinationen für 6-Lagen-Stackups gibt. Im Folgenden werden wir Ihnen ausgewählte Kombinationen zeigen, die sich als sehr nützlich erwiesen haben.

Lassen Sie uns mit diesen Gedanken im Hinterkopf ein paar 6-Lagen-Stackups genauer anschauen: 

Signalebene/Strom/2 Signalebenen/Masse/Signalebene

Bei diesem Lagenaufbau handelt es sich um ein 6-Lagen-Stackup, der eine Abschirmung für Leiterbahnen mit niedriger Geschwindigkeit von Leiterbahnen mit höherer Geschwindigkeit bietet und gleichzeitig eine enge Kopplung mit massiven Ebenen ermöglicht. Sie können Signale mit niedrigerer Frequenz/langsameren Schaltgeschwindigkeiten oder durch eine Innenlage routen, solange sie orthogonal und nicht zu eng gekoppelt sind. Ich würde digitale Signale mit höherer Geschwindigkeit oder analoge Signale mit höherer Frequenz auf den äußeren Lagen routen, um sie voneinander sowie von den Leiterbahnen mit niedrigerer Geschwindigkeit/Frequenz auf den inneren Lagen abzuschirmen. Dabei würde ich analoge und digitale Signale auf den inneren Lagen nicht mischen, es sei denn, man kann sie in verschiedene Bereiche der Platine unterteilen.

Signalebene/Masse/Strom/Masse/Signalebene/Masse

Dies ist ein guter Lagenaufbau für Platinen mit begrenztem Platz, die analoge/drahtlose Funktionen mit digitaler Signalisierung kombinieren müssen. Die innere Signalebene wird von der oberflächlichen Signalschicht abgeschirmt, da sie zwischen zwei Masseebenen eingeschlossen ist. Dieser Stackup ist auch nützlich zur Unterdrückung von Störungen der inneren Signalschicht durch EMI, da die Massivleiter eine wirksame Abschirmung bieten.

Die abwechselnden Masse-/Strom-/Masseebenen bieten ebenfalls eine effektive Entkopplung für HF-Bauteile. Es ist empfehlenswert, geerdete Durchkontaktierungen zwischen der abwechselnden Masse-/Strom-/Masseebene zu platzieren, um die von der Platinenkante abgestrahlte EMI zu unterdrücken. Wenn Sie z. B. eine gedruckte Dipolantenne auf der Oberfläche platzieren, können Sie die nächstgelegene Masseebene direkt darunter verlängern und eine Durchkontaktierung an der Hinterkante zwischen den Rest des Stapels platzieren. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die abgestrahlten Emissionen nicht mit anderen Komponenten auf der Leiterplatte interferieren.

The right 6 layer PCB stackup lets you ditch the shielding can

Wenn Sie direkt auf der Platine in digitale Daten konvertieren, müssen Sie die Komponenten auf dem Masse/Strom/Masse-Stapel trennen, um eine gewisse Trennung zwischen den analogen und digitalen Bereichen zu gewährleisten. Achten Sie darauf, dass Sie keine Leiterbahnen über irgendwelche Schlitze in Ihrer ebenen Lage führen, weder in der inneren noch in der äußeren Signalebene. Diese Leiterbahnen wirken wie starke Strahler und haben eine große Schleifenfläche.

Masse/Signalebene/Strom/Masse/Signalebene/Masse

Wenn Ihre Platine in einer elektrisch lauten Umgebung eingesetzt oder in der Nähe einer Platine platziert wird, die starke Strahlung abgibt, bietet dieser Stackup eine ausgezeichnete EMI-Unterdrückung. Der Nachteil ist, dass es nur zwei Signallagen gibt, und der Platz auf der Leiterplatte für das Routing von Signalen somit begrenzt ist. Dennoch ist die Platzierung der Signalebenen zwischen gestapelten Leitern unter EMV-Gesichtspunkten die beste Wahl.

Sie können auf den Oberflächenlagen auch Montagepads für Komponenten platzieren, und die nahegelegenen Masseebenen auf der Oberfläche bieten einen bequemen Weg zur Masse. Wenn sie mit den richtigen Toleranzen ausgelegt sind, können Sie Signale und Strom mit Durchkontaktierungen ganz einfach zu Ihren Komponenten leiten.

Dieser Lagenaufbau bietet einen weiteren nicht so offensichtlichen Vorteil: ein besseres Wärmemanagement. Wenn Sie mit hohen Strömen arbeiten, absorbieren die Leiter auf jeder Seite einer Signallage Wärme und transportieren sie zum Rand der Leiterplatte, wo sie mit passiver oder aktiver Kühlung abgeführt werden kann.

Ein Hinweis zum Routing zwischen mehreren Ebenen

Wir sprechen oft davon, Durchkontaktierungen durch mehrere Lagen zu führen, aber dadurch kann eine Diskontinuität im Rückpfad entstehen, die die Schleifenfläche für die Schaltung vergrößert. In diesem Fall sorgt die parasitäre Kapazität für die Platine für eine gewisse Entladung, die in der Nähe des Signal-Vias einen Rückstrom induziert. Leider ist die Kapazität in der Regel zu klein, um einen Rückpfad mit niedriger zuverlässiger Impedanz bereitzustellen. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Entkopplungskondensator parallel zum Signal-Via zu platzieren.

Integrierte Schaltungen sollten einen nahegelegenen Überbrückungskondensator enthalten, der direkt mit der gleichen Bezugsebene wie die Signal-Vias/Leiterbahnen verbunden ist. Dies hilft, Schwankungen in der Versorgungsspannung zu reduzieren, bietet ein Ladungsreservoir, das dem Ground Bounce entgegenwirkt, und stellt einen Pfad für den induzierten Rückstrom für Signale bereit, die zwischen den Schichten übergehen. Wenn die Masseverbindung über ein Via hergestellt wird, stellt dies auch einen Rückpfad für Signale dar, die über ein Via zur obersten Schicht gelangen.

Ferrite choke and electrolytic capacitors

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About Author

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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