Как спроектировать гибридную структуру многослойной печатной платы

Модуль оценки радара от Texas Instruments, показанный выше, является одним из примеров конструкции, содержащей секцию миллиметровых волн с полным RF маршрутизацией и высокой мощностью передачи, а также цифровую секцию средней скорости с несколькими интегральными схемами. Я не связан с TI, но основная причина, по которой мне нравится эта плата как учебное пособие, заключается в том, что она показывает один из способов использования ламинатов на основе PTFE, таких как Rogers или Taconic, для создания коммерческого RF продукта. Иногда, когда мы говорим об использовании ламинатов PTFE или альтернатив, таких как ламинаты с низким Dk на основе стеклоткани, речь не идет о создании всей структуры из дорогого материала PTFE с прослойками связки.

В некоторых случаях имеет смысл создавать плату полностью из ламинатов PTFE или ламината с низким Dk. Я делал это с высокоскоростными бэкплейнами, которые поддерживают десятки длинных соединений на нескольких слоях с частотными ограничениями на уровне ~80 ГГц. Когда вам нужно маршрутизировать многогигабитные серийные каналы между двумя разъемами через 15 дюймов пространства платы, вам нужно добиться как можно более низких потерь, чтобы гарантировать, что сигналы на приемнике могут быть восстановлены. Однако, в других случаях вам действительно может потребоваться ламинат с низкими потерями только на одном слое. Это суть гибридного стека печатной платы, и это может быть лучшим выбором для вашей платы.

Когда использовать гибридную структуру PCB

Первый вопрос, который должен возникнуть при выборе материалов и планировании структуры, это: какие материалы необходимы и сколько слоев следует использовать? Предполагая, что вы определили необходимость в ламинате с низкими потерями и вы определили необходимое количество слоев, пришло время рассмотреть, следует ли использовать гибридную структуру. Существует несколько общих ситуаций, когда вы могли бы рассмотреть использование гибридной структуры с ламинатами с низкими потерями в вашей PCB:

• Экономия затрат: Использование исключительно PTFE или материалов с низкой диэлектрической проницаемостью может быть дорогостоящим. Для прототипов разница в стоимости не так велика, но эти различия в стоимости накапливаются при больших объемах.
• Низкое количество RF-соединений: Если все высокоскоростные/RF-сигналы умещаются на одном слое, нет смысла создавать весь стек из специализированных ламинатов с низкими потерями. Вы можете рассмотреть возможность увеличения размера платы, чтобы уменьшить количество переходных отверстий и разместить все на слое с низкими потерями.
• Дизайны для миллиметровых волн: Некоторые РЧ-системы, работающие в ISM-диапазоне или WiFi 6-7 ГГц, будут работать нормально на ламинатах класса FR4, если соединения короткие. Как только вы переходите к частотам радаров автомобилей или выше, вам обычно потребуются ламинаты с низкими потерями, если только ваши соединения не настолько коротки, что это становится непрактичным.

На изображении ниже показан 6-слойный гибридный стек , который я представил в предыдущем посте. Этот стек является хорошим примером для модулей радаров или других специальных применений сигналов миллиметрового диапазона, таких как визуализация.

Вышеупомянутая структура также подходит для цифровых систем с полосами пропускания, простирающимися далеко в область миллиметровых волн, хотя следует обратить внимание на дисперсию в слое ламината с низкими потерями. Производители РЧ-материалов стараются создавать свои ламинатные системы с плоской дисперсией до высоких частот в ГГц. Однако выше некоторого высокочастотного предела дисперсия снова возникнет, что приведет к увеличению потерь и фазовым искажениям в цифровых сигналах. Если вы работаете на чрезвычайно высоких частотах выше предела без дисперсии, обязательно свяжитесь с поставщиком ламината за данными о диэлектрической проницаемости, чтобы вы могли провести точные расчеты импеданса и S-параметров.

Кроме того, некоторые производители могут сказать вам, что такую структуру невозможно изготовить, поскольку вы разместили PWR и SIG рядом в двух внутренних слоях. Если плата маленькая, это не будет иметь значения; эта плата не испытает изгиба, пока ее размер не достигнет размеров многоуровневого бэкплейна. При необходимости вы также можете сбалансировать внутренний слой с помощью медного залива.

Обсудите с вашим производителем заранее

Если вы составили гибридную структуру слоев на основе ваших требований к потерям, толщине платы и количеству слоев, вам следует отправить вашу структуру производителю до начала работы над дизайном. Это действительно важно, поскольку ваш производитель может определить, пройдет ли плата через цикл ламинирования без разложения или отслоения, поскольку некоторые материалы требуют более высоких температур и давления, чем другие. Не бойтесь обратиться к производителю заранее за советом по использованию желаемого материала с низкими потерями в гибридной структуре слоев. Обязательно укажите им:

• Требуемое количество слоев
• Желаемые толщины слоев
• Материал ламината с низкими потерями
• Материалы для заполнения ламината

Попытайтесь решить, какие требования являются обязательными, а какие желательными, так как вам, возможно, придется пойти на компромисс в некоторых ваших требованиях.

Оставьте место для клеевого слоя

Ваш производитель может предоставить вам информацию о возможных изменениях толщины, которые вы можете ожидать увидеть в готовой плате после добавления связующего слоя. Убедитесь, что вы учитываете это при планировании стека слоёв. Вам обычно не нужно беспокоиться о диэлектрической постоянной слоя связующего, если вам не нужно прокладывать дорожки поверх него. Если вы разработали плату с использованием ламината с низкими потерями на верхнем слое, связующий слой может потребоваться разместить между L2 и L3, чтобы материал с низкими потерями прилипал к ламинатам класса FR4. Ваш производитель может предоставить вам больше информации по этому вопросу.

Отправить предварительный стек слоёв

Даже после того, как вы создали предварительную структуру слоев, вы должны отправить ее на проверку вашему производителю, чтобы он мог осмотреть ее перед изготовлением. Иногда вы не можете свободно выбирать любую систему материалов и ламинат с низкими потерями, которые хотите использовать в гибридной структуре. Ваш производитель будет иметь слово в выборе доступных материалов, материалов с низким сроком выполнения заказа или в случае, если им придется заказывать изготовление у сторонних компаний. Если вы сможете получить проверку вашей структуры слоев до того, как вы создадите остальную часть вашего дизайна, ваш производитель может порекомендовать альтернативную систему материалов, совместимую с требуемым процессом ламинирования печатных плат. Они также могут порекомендовать некоторые альтернативные толщины ламината, которые помогут вам достичь требуемой общей толщины печатной платы.

Изучение технических описаний материалов

Если вы выбираете материалы для гибридной структуры слоев и хотите более активно участвовать в создании гибридной структуры, изучите технические описания материалов перед созданием предложенной структуры. Попробуйте согласовать значения КТР, значения Tg, температуру течения смолы и температуру отверждения, чтобы обеспечить полную совместимость. Все равно отправьте структуру слоев на проверку, чтобы убедиться в возможности изготовления.

Когда вам нужно создать гибридную структуру многослойной печатной платы (PCB), инструменты для проектирования печатных плат в Altium Designer® включают все необходимое для определения конструкции стека, расчета импеданса и импорта информации о стеке в чертежи для производства. Утилита Draftsman помогает быстро создавать чертежи для производства и сборки с вашей гибридной структурой PCB и экспортировать их в формате PDF. Когда вы закончили проектирование и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.