4-lagige PCB-Stackups mit einer Impedanz von 50 Ohm: zwei Varianten

Neue Designer, die von einer 2-lagigen auf eine 4-lagige Leiterplatte umsteigen, sind wahrscheinlich durchaus dazu bereit, mit Strom- und Masseflächen zu arbeiten. Es gibt auch ein Standardpaket, das die meisten Hersteller zur Verfügung stellen, um Ihnen bei dem Design Ihres Entwurfs zu helfen. Der Grundaufbau, der hier häufig empfohlen wird, ist ein Lagenaufbau vom Typ SIG/GND/PWR/SIG, bei welchem die inneren Lagen aus Flächen oder großen Polygonen bestehen. Für viele Arten von Designs ist dies völlig in Ordnung, solange Ihnen keine einfachen Layout- und Routing-Fehler unterlaufen.

Wenn Sie etwas Anspruchsvolleres machen wollen – wie z. B. die Platzierung und das Routing von Hochgeschwindigkeitskomponenten auf beiden Seiten der Leiterplatte – brauchen Sie einen anderen Lagenaufbau. Ein typischer Fehler beim Routing eines 4-Lagen-Aufbaus besteht darin, dass Hochgeschwindigkeitssignale zwischen den Oberflächenlagen geroutet werden, ohne dass ein klarer Rückweg definiert ist. Dies führt letztlich zu einer hohen Abstrahlung elektromagnetischer Störungen (EMI) ausgehend von der Leiterplatte/PCB. Daher sollten Sie stattdessen einen dieser alternativen 4-Lagen-Aufbauten verwenden, um Ihren Leiterplattenaufbau und Ihr PCB-Layout zu erstellen.

Lagenaufbau Nr. 1: GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

Dieser Lagenaufbau nutzt die Masse der äußeren Lagen, um eine hohe Abschirmung gegen externe elektromagnetische Störungen (EMI) zu gewährleisten. Er kann auch einen einfachen Weg für ESD zurück zum GND und schließlich zum Gehäuse oder zur Erde des Geräts bieten, ohne dass ein Weg durch ein Via zu einer internen Lage genommen werden muss. Diese Art von Design – mit Masse auf den äußeren Lagen und niederohmigen Verbindungen zu GND direkt mit Leiterbahnen – ist definitiv das sicherste Design aus EMI- und ESD-Sicht. Bei Bedarf lässt es sich auch gut auf höhere Lagenzahlen skalieren.

Ein potenzielles Problem bei diesem Lagenaufbau ist das Übersprechen (Crosstalk) zwischen Signalen auf verschiedenen Lagen. Normalerweise ist der dicke Kern in der Leiterplatte etwa 40 mils dick. Jedoch ist das nicht unbedingt genug Abstand, um zu garantieren, dass die Leiterbahnen nicht übersprechen – besonders bei hohen Geschwindigkeiten. Induktives Übersprechen lässt sich am besten durch orthogonales Routing auf verschiedenen Lagen verhindern. Außerdem sollten Sie dies nicht mit zu schnellen Signalen oder hohen Frequenzen verwenden, da es sonst zu kapazitivem Übersprechen zwischen den Signallagen kommen kann (was bei leistungsstarken GHz-Frequenzen ein viel größeres Problem darstellt).

Um das Auftreten von Crosstalkzu verhindern, sollten Sie diesen Stapel wie unten gezeigt umkehren.

Lagenaufbau Nr. 2: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

Meiner Meinung nach ist dieser Lagenaufbau vorzuziehen, insbesondere für alle Leiterplatten, bei denen Hochgeschwindigkeitssignale zwischen den beiden Oberflächenlagen der Leiterplatte übertragen werden müssen. Dieser Lagenaufbau ist lediglich eine Umkehrung des vorherigen Aufbaus. Die Funktion ist jedoch unterschiedlich und es ist hier nicht unbedingt eine hohe Isolierung gegenüber externen Geräuschquellen vorgesehen. Stattdessen ist es eine bessere Option für Systeme, die Hochgeschwindigkeitskomponenten und Routing auf beiden Seiten der Leiterplatte erfordern. Es ist recht einfach, diesen 4-Lagen-Aufbau für eine kontrollierte Impedanz von 50 Ohm zu entwerfen. Achten Sie darauf, dass Sie die GND-Flächen überall dort, wo ein Signalübergang erfolgt, mit einem Via verbinden.

Ein Nachteil bei diesem Lagenaufbau stellt die geringere Abschirmung der Signale auf der äußeren Lage dar. Die Signale auf beiden Seiten der Leiterplatte sind zwar voneinander abgeschirmt, nicht jedoch von externen Strahlungsquellen. Ein weiterer Vorteil dieses Lagenaufbaus ist, dass Sie direkt in die Komponenten hinein routen können, ohne die Massefläche zerschneiden zu müssen. Im Vergleich zum Standard-SIG/PWR/GND/SIG-Lagenaufbau sind diese Arten des Lagenaufbaus aufgrund der aufgezeigten Vorteile besser für Hochgeschwindigkeitsdesigns mit Routing auf beiden Oberflächen geeignet.

Warum diese Lagenaufbauten für Hochgeschwindigkeitssignale mit einzelnen Endpunkten besser geeignet sind

Der Standard-SIG/PWR/GND/SIG-Lagenaufbau für eine 4-lagige Leiterplatte ist für hohe Geschwindigkeiten zwar immer noch ausreichend, aber Sie können hier Digitalsignale mit mittlerer bis hoher Geschwindigkeit nur auf einer Seite der Leiterplatte zuverlässig unterstützen. Das ist auf das SIG/GND-Lagenpaar zurückzuführen, das sich ideal für digitale Signale eignet. Die Signallage, die an die GND-Lage angrenzt, ist die Lage, die für digitale Signale verwendet werden sollte, und zwar aus den folgenden Gründen:

• Kontrollierte Impedanz: Der enge Abstand zwischen der GND- und der SIG-Lage ermöglicht es Ihnen, Leiterbahnen mit einzelnen Endpunkten mit einer kontrollierten Impedanz von 50 Ohm (oder einer anderen Impedanz) zu definieren, ohne die Leiterbahnen dabei übermäßig breit zu machen.
• Abschirmung: Der SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR-Lagenaufbau bietet die höchste Abschirmung gegenüber internen Rauschen und Übersprechen zwischen den Lagen. Der inverse Lagenaufbau hingegen weist die höchste Abschirmung gegen externes Rauschen auf; es kann hier jedoch zu internem Übersprechen kommen, wenn er nicht korrekt geroutet ist.
• Klarer Rückweg: Der kapazitiv gekoppelte Rückweg hat eine niedrige Impedanz, da er direkt in der Massefläche angeregt wird. Im Gegensatz dazu stellt das SIG/PWR-Lagenpaar einen hochohmigen Rückweg oder eine sehr große Rückstromschleife dar, die EMI erzeugt.

Der wichtigste Grund, der für die Verwendung eines dieser alternativen Lagenaufbauten angeführt wird, ist der letzte Punkt in dieser Liste, bei dem ein Rückweg bereitgestellt werden muss. Der in der Versorgungsfläche induzierte Rückweg ist unvorhersehbar und kann sehr groß sein.

Um zu versuchen, die Schleifenfläche und die Impedanz des Rückwegs für digitale Signale zu reduzieren, könnten Sie oberhalb der Versorgungsfläche etwas Kupfer auf die Oberflächenlage um Ihre Leiterbahnen herum auftragen. Allerdings könnte die kapazitive Kopplung zwischen der Leiterbahn und dem Signal (zu) schwach sein. Dieses gibt Ihnen auch keine Garantie für eine ausreichend starke Reduzierung der EMI.

Obwohl es nur eine ideale Lage für digitale Signale gibt (und nicht etwa zwei), bietet der Standard-SIG/PWR/GND/SIG-Lagenaufbau andere Vorzüge. Mit einer entsprechend dafür vorgesehenen Versorgungsfläche können Sie immer noch höhere Ströme routen als mit einer Kupferfläche, die für die Stromführung verwendet wird. Dies wäre vor allem in einem Stromversorgungssystem nützlich, das digitale Steuerschaltungen erfordert. Die hintere Lage kann hier zur Aufnahme einer Vielzahl anderer Komponenten wie etwa Steckverbinder oder passiver Komponenten verwendet werden.

Die wichtige Erkenntnis aus dem Standard-4-Lagen-Aufbau-Design – insbesondere im Hinblick auf die Stromversorgung in einer 4-lagigen Leiterplatte – ist folgende: Eine eigene Stromversorgungslage führt nicht automatisch dazu, dass Ihr Design die EMV-Prüfung nicht besteht. Gehen Sie aber nicht davon aus, dass Sie Ihre digitalen Signale nach Belieben routen können, nur weil Sie über eine einheitliche Versorgungsfläche routen. Es ist wichtiger zu verstehen, wie sich ein Rückweg in einer Versorgungsfläche ausbreitet und wie er schließlich über einen Rückweg mit hoher Impedanz wieder mit der Masse gekoppelt wird.

Ganz gleich, welche Art von 4-Lagen-PCB-Aufbau Sie erstellen möchten, mit den benutzerfreundlichen Designtools in CircuitMaker können Sie Ihren Lagenaufbau schnell anpassen und Ihr PCB-Layout effizient designen. Alle CircuitMaker-Anwender können dabei Schaltpläne, PCB-Layouts und Fertigungsdokumente erstellen, die erforderlich sind, um ein Design von der Idee in die Produktion zu bringen. Benutzer haben auch Zugriff auf einen persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365-Plattform. Hier können sie Designdaten hochladen und in der Cloud speichern sowie Projekte einfach über einen Webbrowser auf einer sicheren Plattform betrachten.

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