Jak zaprojektować hybrydową strukturę warstw PCB

Moduł ewaluacyjny radaru od Texas Instruments, pokazany powyżej, jest jednym z przykładów projektu, który zawiera sekcję mmWave z kompletnym trasowaniem RF i wysoką mocą transmisji, jak również umiarkowanie szybką sekcję cyfrową z wieloma układami scalonymi. Nie jestem związany z TI, ale głównym powodem, dla którego lubię tę płytę jako narzędzie edukacyjne, jest to, że pokazuje ona jeden ze sposobów użycia laminatów na bazie PTFE, takich jak Rogers czy Taconic, do budowy komercyjnego produktu RF. Czasami, kiedy mówimy o użyciu laminatów PTFE lub alternatyw, takich jak laminaty z tkaniny szklanej o niskim Dk, nie mówimy o budowaniu całego układu z drogiego materiału PTFE z warstwami łączącymi.

W niektórych przypadkach ma sens zbudowanie płyty całkowicie z laminatów PTFE lub laminatu o niskim Dk. Zrobiłem to z szybkimi płytami głównymi, które obsługują dziesiątki długich połączeń międzywarstwowych na wielu warstwach z częstotliwościami odcięcia na poziomie ~80 GHz. Kiedy potrzebujesz trasować kanały serialne o wielu gigabitach między dwoma złączami przez 15 cali przestrzeni płytki, musisz zminimalizować straty, aby zapewnić, że sygnały na odbiorniku mogą być odzyskane. Jednak w innych przypadkach naprawdę potrzebujesz laminatu o niskich stratach tylko na jednej warstwie. To jest istota hybrydowego układu PCB, i może być lepszym wyborem dla twojej płytki.

Kiedy używać hybrydowego układu warstw PCB

Pierwsze pytanie, które powinno się pojawić przy wyborze materiałów i planowaniu układu warstw, to: jakie materiały są potrzebne i ile warstw należy użyć? Zakładając, że ustaliłeś potrzebę użycia laminatu o niskich stratach i określiłeś wymaganą liczbę warstw, nadszedł czas, aby rozważyć, czy powinieneś użyć układu hybrydowego. Istnieje kilka ogólnych sytuacji, w których można rozważyć użycie hybrydowego układu warstw z laminatami o niskich stratach w PCB:

• Oszczędności kosztów: Wybór wyłącznie PTFE lub materiałów o niskiej stałej dielektrycznej Dk może być kosztowny. W przypadku prototypów różnica w kosztach nie jest duża, ale te różnice kosztów sumują się przy dużych wolumenach.
• Niska liczba połączeń RF: Jeśli uda się zmieścić wszystkie sygnały wysokiej prędkości/RF na jednej warstwie, nie ma sensu budować całego stosu z wyspecjalizowanych laminatów o niskich stratach. Można rozważyć zwiększenie rozmiaru płytki, aby zmniejszyć liczbę przelotek i zmieścić wszystko na warstwie o niskich stratach.
• Projekty mmWave: Niektóre systemy RF działające w paśmie ISM lub WiFi 6-7 GHz będą działać dobrze na laminatach klasy FR4, pod warunkiem, że połączenia są krótkie. Gdy dochodzi do częstotliwości radarów samochodowych lub wyższych, generalnie potrzebne są laminaty o niskich stratach, chyba że połączenia są na tyle krótkie, że stają się niepraktyczne.

Poniższy obraz pokazuje 6-warstwowy hybrydowy stos, który przedstawiłem w poprzednim poście. Ten stos jest dobrym przykładem stosu dla modułów radarowych lub innych specjalistycznych zastosowań sygnałów mmWave, takich jak obrazowanie.

Powierzchnia ta jest również dobra dla systemów cyfrowych o pasmach przenoszenia sięgających daleko w zakres mmWave, chociaż należy uważać na dyspersję w warstwie laminatu o niskich stratach. Producenci materiałów RF starają się budować swoje systemy laminatów z płaską dyspersją aż do wysokich częstotliwości GHz. Jednak powyżej pewnej wysokiej granicy częstotliwości, dyspersja pojawi się ponownie, powodując większe straty i zniekształcenia fazy w sygnałach cyfrowych. Jeśli działasz na ekstremalnie wysokich częstotliwościach powyżej granicy bez dyspersji, upewnij się, że skontaktujesz się z dostawcą laminatu w celu uzyskania danych o stałej dielektrycznej, aby móc przeprowadzić dokładne obliczenia impedancji i parametrów S.

Dodatkowo, niektórzy producenci mogą powiedzieć, że ta konfiguracja nie może być wyprodukowana, ponieważ umieściłeś PWR i SIG obok siebie w dwóch wewnętrznych warstwach. Jeśli płyta jest mała, to nie ma znaczenia; ta płyta nie doświadczy żadnego wyginania, dopóki jej rozpiętość nie osiągnie wielkości wielo-U backplane. Możesz również zrównoważyć wewnętrzną warstwę za pomocą wylewki miedzianej w razie potrzeby.

Porozmawiaj ze swoim producentem wcześnie

Jeśli złożyłeś hybrydowy układ warstw oparty na swoich wymaganiach dotyczących strat, grubości płytki drukowanej i liczbie warstw, powinieneś wysłać swój układ do producenta przed rozpoczęciem projektowania. Jest to bardzo ważne, ponieważ producent może określić, czy płyta przejdzie przez cykl laminowania bez rozkładania się lub delaminacji, ponieważ niektóre materiały wymagają wyższych temperatur i ciśnień niż inne. Nie bój się skontaktować z producentem wcześnie, aby uzyskać poradę na temat używania pożądanego laminatu o niskich stratach w hybrydowym układzie warstw. Upewnij się, że podasz im:

• Wymaganą liczbę warstw
• Pożądane grubości warstw
• Materiał laminatu o niskich stratach
• Materiały wypełniające laminat

Postaraj się zdecydować, które wymagania są niezbędne, a które pożądane, ponieważ może być konieczne pójście na kompromis w niektórych kwestiach.

Zostaw miejsce na warstwę łączącą

Twój producent może dostarczyć Ci informacji na temat oczekiwanych różnic grubości, jakie można zaobserwować w gotowej płytce po dodaniu warstwy wiążącej. Upewnij się, że bierzesz to pod uwagę podczas planowania układu warstw. Zazwyczaj nie musisz martwić się o stałą dielektryczną warstwy wiążącej, chyba że musisz prowadzić nad nią ścieżki. Jeśli zaprojektowałeś z użyciem laminatu o niskich stratach na górnej warstwie, warstwa wiążąca może potrzebować znaleźć się między L2 a L3, aby materiał o niskich stratach przylegał do laminatów klasy FR4. Twój producent może dostarczyć Ci więcej informacji na ten temat.

Zgłoś Wstępny Układ Warstw

Nawet po utworzeniu wstępnego układu warstw, powinieneś wysłać go do swojego producenta, aby mógł go sprawdzić przed rozpoczęciem produkcji. Czasami nie masz wolności wyboru dowolnego systemu materiałowego i laminatu o niskich stratach, które chcesz użyć w hybrydowym układzie warstw. Twój producent będzie miał wpływ na to, które materiały są dostępne, mają krótki czas realizacji, lub czy będą musieli zlecić produkcję na zewnątrz. Jeśli uda Ci się uzyskać recenzję układu warstw przed stworzeniem reszty projektu, Twój producent może zarekomendować alternatywny system materiałowy, który jest kompatybilny z wymaganym procesem laminowania PCB. Mogą również zarekomendować niektóre alternatywne grubości laminatów, które mogą pomóc Ci osiągnąć wymagania dotyczące ogólnej grubości płytki drukowanej.

Czytanie kart katalogowych materiałów

Jeśli wybierasz materiały do hybrydowego układu warstw i chcesz aktywnie uczestniczyć w tworzeniu hybrydowego układu warstw, zapoznaj się z kartami katalogowymi materiałów przed stworzeniem proponowanego układu. Spróbuj dopasować wartości CTE, wartości Tg oraz temperaturę przepływu żywicy i temperaturę utwardzania, aby zapewnić pełną kompatybilność. Nadal powinieneś wysłać układ warstw do przeglądu, aby zapewnić możliwość produkcji.

Gdy potrzebujesz stworzyć hybrydową konstrukcję warstw PCB, narzędzia do projektowania PCB w Altium Designer® zawierają wszystko, czego potrzebujesz, aby określić konstrukcję Twojego układu, obliczyć impedancję oraz zaimportować informacje o układzie do rysunków produkcyjnych. Narzędzie Draftsman pomaga szybko tworzyć rysunki produkcyjne i montażowe z Twoim hybrydowym układem PCB i eksportować je w formacie PDF. Kiedy skończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.