Grundlagen des PCB-Stackups

Im Vergleich zum Aufbau einer Leiterplatte konzentriert sich der Stackup mehr auf den elektrischen Typ jeder Schicht. Die Dicke der Materialien oder welche Dielektrika verwendet werden, ist weniger wichtig als die Zuweisung der Schichten, wie zum Beispiel Signal (SIG) Schichten, Masse (GND) Schichten oder Stromversorgung (PWR) Schichten.

Signalschichten enthalten überwiegend signaltragende Leiterbahnen (manchmal mit gerouteter Stromversorgung oder Kupferflächen), während Stromversorgungs- und Masseschichten typischerweise vollständig solide Kupferflächen über die gesamte Schicht sind. Masseschichten dienen als Referenz für die Signalschichten und ihre Rückwege, und eine Stromversorgungsschicht ist entweder eine solide, durchgehende Stromebene einer bestimmten Spannung oder mehrere Inseln oder Kupferflächen verschiedener Spannungsniveaus.

Vor dem Verlegen einer Leiterplatte wollen wir unseren Stackup bestimmen, der von der Anzahl der verfügbaren Schichten abhängt. Dann wollen wir Schicht für Schicht durchgehen und jeder Schicht Masse, Stromversorgung oder Signale zuweisen.

Kombinationen sind natürlich auch möglich – wir können Stromversorgung und Masse, Signal und Masse oder Signal und Stromversorgung mischen.

Masseebene

Eine der wichtigsten Schichtarten ist die Masseebene. Diese Schichtart wird überwiegend als Referenzebene oder -schicht für die Rückführungswege von Signal- (und Strom-) Leiterbahnen verwendet. Für jeden Vorwärtspfad benötigen wir einen Rückführungspfad, um die Schleife zu schließen. 

Stromversorgungsschicht

Eine Stromversorgungsschicht wird für die Stromverteilung verwendet. Beachten Sie, dass dies für Systeme mit niedriger Geschwindigkeit und geringer Bandbreite nicht unbedingt kritisch ist, und Sie Ihre Stromversorgung mit Leiterbahnen auf Signalebenen verlegen können. Allerdings werden Stromversorgungsebenen und -schichten in Bezug auf die Stromlieferung für Hochgeschwindigkeitsschaltungen zunehmend wichtiger. Zusätzlich, wenn sie mit einer Masseebene auf einer eng benachbarten Ebene gekoppelt werden, bilden diese eine Art von parallelem Plattenkondensator.

Signalebene

Zuletzt haben wir unsere Signalebene, auf der wir unsere Leiterbahnen verlegen werden, was effektiv unseren Signalvorwärtspfad bildet. Wie zuvor gesehen, können wir eine Masseebene oder in bestimmten Fällen sogar eine Stromversorgungsebene als Referenz für unseren Rückführungspfad verwenden.

Rückführungswege und Referenzen

Nun stellt sich die Frage, wie wir in einer Leiterplatte auf sinnvolle Weise Layertypen zuweisen? Wir haben bestimmte Ziele hinsichtlich der EMI-Leistung, der Signal- und Stromintegrität, und wir möchten einen systematischen Ansatz zur Entscheidung des Stackups. Wir möchten nicht einfach willkürlich verschiedene Layertypen zuweisen.

Es gibt ein paar goldene Regeln. Erstens, für Wechselstromsignale im Bereich von ein paar kHz, ist der Rückweg nicht der kürzeste Weg, sondern vielmehr der Weg direkt unterhalb der Leiterbahn (Vorwärtsweg). Dies ist der Teil mit der geringsten Impedanz. Zum Beispiel, für eine Leiterbahn auf einer oberen Signallage und einer Masseebene direkt darunter auf Schicht zwei, ist der Vorwärtsweg auf der Signallage, und der Rückweg ist direkt unter dieser Leiterbahn in der darunterliegenden Masseebene.

Ein weiterer Punkt, den es zu berücksichtigen gilt, ist, dass die Signalenergie im dielektrischen Raum zwischen dem Kupfer (Leiterbahn und Ebene) fließt. Das Kupfer dient daher einfach als Wellenleiter. Für eine gute Signalintegrität und EMI-Leistung müssen wir sowohl den Vorwärts- als auch den Rückweg berücksichtigen, wo die Signalenergie fließt und wie sie zwischen dem Vorwärts- und Rückweg gebunden ist.

Im Wesentlichen ist eine enge Kopplung zwischen Signal- und Masseebenen sowie zwischen Strom- und Masseebenen erwünscht, um zu verhindern, dass sich Felder ausbreiten. Unser Hauptziel ist es, die Ausbreitung von Feldern zu vermeiden, da sich ausbreitende Felder eine Kopplung von Signalen zu Signal führen, was zu Übersprechen führt. Sich ausbreitende Felder bedeuten auch eine Form von Strahlung, was zu EMI-Problemen führt.

Zuweisung von Schichten und Schichtpaaren

Wie vermeiden wir die Ausbreitung von Feldern und wie halten wir diese Felder in Schach?

Das Wichtigste, was wir als PCB-Designingenieure im Kopf behalten müssen, ist, dass jeder vorwärts gerichtete Signal- oder Strompfad eine eng gekoppelte Referenz benötigt. Zusätzlich macht es bei Hochgeschwindigkeits- oder höherenergetischen Signalen Sinn, auch Streifenleitungen anstelle von Mikrostreifenleitungen zu verwenden. Streifenleitung bedeutet, dass wir eine Signalleitung haben, die zwischen zwei Masseebenen eingeklemmt ist, was eine gute Feldkopplung vom Signal zu beiden Masseebenen auf jeder Seite bietet.

Wie zuvor erwähnt, ist ein weiterer Punkt, der zu berücksichtigen ist, benachbarte Strom- und Masseebenen. Dies dient zur Verbesserung der Stromversorgung bei hohen Frequenzen, bei denen SMD-Kondensatoren (auch solche in kleinen Gehäusen) induktiv erscheinen. 

Im Wesentlichen sollten Sie beim Entwerfen eines Stackups der einfachen Regel folgen, mindestens eine Massebezugsschicht eng benachbart zu jeder Signal- oder Stromschicht zu haben, und Sie sollten ziemlich sicher sein, um zu beginnen.

Empfohlene Mehrschicht-Stackups

Schließlich sind hier einige meiner Lieblings-Mehrschicht-Stackups, die den zuvor umrissenen Richtlinien folgen.

Vier-Schichten (geroutete Leistung): SIG – GND – GND – SIG

Sechs-Schichten: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

Acht-Schichten: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Rick Hartley Video

Zuletzt kann ich ein Video von Rick Hartley über wie man eine ordnungsgemäße Erdung erreicht und Ihre Schicht-Stackups korrekt wählt, nicht genug empfehlen. Im Video spricht Rick über viele der in diesem Artikel detaillierter beschriebenen Prinzipien. Schauen Sie sich das Video auf dem YouTube-Kanal von Altium an.