Рекомендации по формированию структуры слоев при проектировании высокоскоростных плат

Высокоскоростные печатные платы будут эффективно функционировать, только если в них грамотно спроектирована структура слоев. В структуре слоев должны быть правильно скомпонованы плоскости питания и массы и выделено достаточное количество слоев для сигнала. Все выбранные наборы материалов и медь должны соответствовать масштабам и стоимости производства. Если структура слоев грамотно спроектирована, значительно упрощается маршрутизация с обеспечением целостности сигнала, устраняются или предотвращаются многие менее сложные проблемы, связанные с электромагнитными помехами.

Чтобы помочь разработчикам быстрее проектировать высокоскоростные структуры слоев, обеспечивающие необходимую маршрутизацию и целостность сигналов, мы собрали важные ресурсы для высокоскоростных структур разных классов. 

Структуры с малым количеством слоев

Простые высокоскоростные печатные платы начинаются с 4-слойных структур. Я твердо убежден, что 2-слойные платы не должны использоваться для поддержки высокоскоростных цифровых интерфейсов, управляемых полным сопротивлением, поскольку они не могут обеспечить целостность сигнала и контроль шумов. Любой проектировщик подтвердит эти слова.

Три основных типа 4-слойных структур печатных плат, которые способны поддерживать высокоскоростные сигналы, показаны ниже. Пожалуй, лучший из них — это Вариант 1, поскольку он обеспечивает максимальную гибкость при маршрутизации и может быть использован как двусторонняя плата. Вариант 2 также можно использовать для двустороннего размещения, но он ограничивает область маршрутизации сигналов, поскольку во внутреннем слое могут возникать перекрестные помехи. Вариант 3 подходит в ситуациях, когда предъявляются высокие требования к мощности, но высокоскоростные сигналы можно маршрутизировать только на одном слое, а пассивные и механические элементы могут быть размещены на заднем слое.

• Узнайте больше о лучших вариантах 4-слойных структур слоев для двухсторонних печатных плат

Когда требуется большее количество сигналов, например размещение низкоскоростных сигналов во внутреннем слое, следующим шагом будет приращение слоев к Варианту 1. Оно начнется с 6-слойной структуры, в которой выделенный слой питания и слой сигнала добавляются в структуру слоев, показанную выше в Варианте 1. Эта структура слоев имеет два преимущества:

• Поверхностные слои хорошо походят для высокоскоростных интерфейсов с контролируемым полным сопротивлением
• Внутренние слои могут поддерживать самые медленные интерфейсы или управляющие сигналы
• Слой питания можно разбить на несколько крупных шин для поддержки разных уровней напряжения на сердечнике.

Этот же подход может быть использован для надстраивания структуры до 8 и более слоев с высокоскоростными сигналами. Этот вариант структуры слоев печатной платы рассматривается в следующем разделе.

• Узнайте больше о 6-слойных структурах печатных плат, способных поддерживать высокоскоростные печатные платы

Небольшое количество слоев

В какой-то момент общая толщина структуры слоев печатной платы может превысить стандартное значение. В аспекте производства это не проблема: стандартные технологии прессования позволяют обрабатывать платы, толщина которых превышает стандартное значение и может достигать нескольких миллиметров. Если печатная плата должна быть тонкой, понадобятся более тонкие слои. Для них можно использовать усиленные ламинаты на основе ПТФЭ (речь о них пойдет ниже) или сразу переходить на технологию HDI (высокой плотности трассировки).

В платах со средним количеством слоев (более 8 или около того), как правило, есть несколько плоскостных слоев, выделенных для питания, а также дополнительные сигнальные слои. Для плат со средним количеством слоев существует несколько простых рекомендаций, которые помогут подавить электромагнитные помехи и обеспечить целостность питания:

• Допускается разделять плоскость питания на несколько шин, при условии, что к этому плоскому слою не привязаны сигналы
• При наличии нескольких плоскостей питания не размещайте их в соседних слоях. Используйте для их разделения заземляющую плоскость
• Помещайте скоростные сигналы на внутренние слои между двумя заземляющими плоскостями. Не используйте никакие разветвления, чтобы соединить их с плоскостями питания
• Используйте поверхностные слои только для скоростных микрополосковых линий, для разводки питания, если это необходимо, и, также если необходимо, для заливки заземления

При выполнении этих рекомендаций может потребоваться добавить пару дополнительных слоев. Это значительно повысит уровень контроля шумов, целостности питания и целостности сигнала.

Расширенные структуры слоев

Концепция «расширения» в контексте проектирования высокоскоростных печатных плат может иметь разноплановый смысл. В высокоскоростных цифровых проектных решениях она может иметь двоякий смысл в разрезе выбора и компоновки слоев:

• Тонкие слои для поддержки маршрутизации с HDI
• Большое количество слоев, вследствие которого необходимо использовать тонкие слои
• Маршрутизация на BGA с малым шагом в нескольких слоях (но не обязательно с HDI)

Другими словами, могут присутствовать очень тонкие (например, толщиной 4 мила) слои передачи сигнала со стеклоармированным FR4 и небольшим количеством слоев или очень большое количество слоев, из-за чего требуется использовать тонкие слои и, возможно, альтернативные материалы.

При проектировании высокоскоростных слоев для таких печатных плат особое внимание нужно уделить требуемой размерности и технологичности изготовления компонентов, а не только значениям Dk и Df для структуры слоев. В ряде ситуаций на сигнальных слоях необходим ламинат с низкими значениями Dk и Df, но не только из-за снижения потерь. В таких проектных решениях прежде всего важны технологичность изготовления и целостность сигнала. Тонкие ламинаты могут помочь решить многие проблемы в высокоскоростных структурах с большим количеством слоев и/или тонкими сигнальными слоями. Сегодня основной вариант для тонких плат, позволяющий не переходить на самые продвинутые варианты обработки или на HDI — это усиленные ламинаты на основе ПТФЭ, толщина которых может быть менее 4 мил.

• Узнайте больше о проектировании структуры слоев для высокотехнологичных высокоскоростных печатных плат

Другие ресурсы

Другие важные аспекты проектирования структуры слоев для высокоскоростных печатных плат — это целостность питания и целостность сигнала. При очень малом шаге в BGA и очень тонких слоях также может возникнуть необходимость перехода на HDI. Изучите следующие ресурсы, чтобы узнать больше об этих важных аспектах проектирования печатных плат:

• 11 материалов по HDI, которые необходимо знать
• Проектирование структуры слоев 2+N+2 для печатных плат HDI
• Электронная книга: Руководство по моделированию и анализу сетей подачи питания
• Влияние структуры слоев на целостность сигнала

Используйте для выбора материалов и расчета полного сопротивления при проектировании высокоскоростных печатных плат полный набор инструментов проектирования, доступный в Altium Designer^®. Когда проектирование будет завершено, а данные готовы для передачи на производство, платформа Altium 365^™ поможет наладить совместную работу и доступ к проектам.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .