Основы структуры многослойных печатных плат

В сравнении с созданием печатной платы, стек-ап больше касается электрического типа каждого слоя. Толщина материалов или какие диэлектрики используются, менее важны, чем то, какие слои предназначены для чего, например, слои сигналов (SIG), земли (GND) или питания (PWR).

Слои сигналов содержат преимущественно дорожки для передачи сигналов (иногда с маршрутизированным питанием или медными заливками), в то время как слои питания и земли обычно полностью состоят из медных заливок на весь слой. Слои земли используются для ссылки на слои сигналов и их обратные пути, а слой питания представляет собой либо сплошную, непрерывную плоскость питания определенного напряжения, либо несколько островков или медных заливок различных уровней напряжения.

Перед маршрутизацией печатной платы, мы хотим определить наш стек-ап, который зависит от количества доступных нам слоев. Затем мы хотим пройтись по слоям один за другим, назначая землю, питание или сигналы отдельным слоям.

Конечно, возможны и комбинации — мы можем смешивать питание и землю, сигнал и землю или сигнал и питание.

Слой земли

Один из самых важных типов слоев - это заземляющий слой. Этот тип слоя в основном используется как опорная плоскость или слой для возвратных путей сигнальных (и питающих) трасс. Для каждого прямого пути нам нужен возвратный путь, чтобы замкнуть контур. 

Слой питания

Слой питания используется для распределения электроэнергии. Следует иметь в виду, что для систем с низкой скоростью и низкой пропускной способностью это не критично, и вы можете маршрутизировать ваше питание с помощью трасс на сигнальных слоях. Однако плоскости и слои питания становятся все более важными с точки зрения доставки энергии для высокоскоростных схем. Кроме того, если соединить их с заземляющим слоем на близко расположенной смежной плоскости, они образуют тип параллельного пластинчатого конденсатора.

Сигнальный слой

Наконец, у нас есть наш сигнальный слой, где мы будем маршрутизировать наши трассы, фактически формируя наш прямой сигнальный путь. Как было сказано ранее, мы можем использовать заземляющий слой или в некоторых случаях даже слой питания в качестве опоры для нашего возвратного пути.

Возвратные пути и опоры

Теперь вопрос в том, как мы можем разумно назначить типы слоев на печатной плате? У нас есть определенные цели по производительности EMI, целостности сигнала и питания, и мы хотим систематического подхода к определению стека слоев. Мы не хотим просто произвольно назначать различные типы слоев.

Есть пара золотых правил. Во-первых, для переменных сигналов в диапазоне нескольких кГц путь возврата не является кратчайшим путем, а скорее путем непосредственно под дорожкой (прямой путь). Это часть с наименьшим импедансом. Например, для дорожки на верхнем слое сигнала и земляного слоя непосредственно ниже на втором слое, прямой путь находится на слое сигнала, а путь возврата - непосредственно под этой дорожкой на земляном слое внизу.

Еще один момент, который следует учитывать, заключается в том, что энергия сигнала течет в диэлектрическом пространстве между медью (дорожкой и плоскостью). Таким образом, медь просто служит волноводом. Для хорошей целостности сигнала и производительности EMI нам нужно учитывать как прямой, так и обратный путь, где течет энергия сигнала, и как она связана между прямым и обратным путями.

В сущности, желательно иметь тесную связь между сигнальными и земляными слоями, а также между слоями питания и земли, чтобы предотвратить распространение полей. Наша основная цель - избежать распространения полей, поскольку распространяющиеся поля приводят к связыванию сигналов между собой, что ведет к перекрестным помехам. Распространение полей также означает некоторую форму излучения, что приводит к проблемам с электромагнитной совместимостью (EMI).

Назначение слоев и пар слоев

Как мы можем предотвратить распространение полей и как мы можем ограничить эти поля?

Главное, что нам, инженерам по проектированию печатных плат, нужно помнить, это то, что каждому сигналу вперед или пути питания требуется тесно связанный с ним опорный слой. Кроме того, для сигналов высокой скорости или высокой энергии имеет смысл использовать также стриплайн вместо микрополосковых дорожек. Стриплайн означает, что у нас есть сигнальная дорожка, зажатая между двумя земляными слоями, обеспечивающая хорошую связь поля от сигнала к обоим земляным слоям по бокам.

Как было сказано ранее, другой момент, который следует учитывать, - это соседние слои питания и земли. Это улучшает подачу питания на высоких частотах, где SMD-конденсаторы (даже те, что в маленьких корпусах) начинают выглядеть индуктивными. 

В сущности, при проектировании стека следуйте простому правилу: иметь минимум один слой заземления, тесно прилегающий к любому слою сигнала или питания, и вы должны быть в достаточной безопасности для начала.

Рекомендуемые многослойные стеки

Наконец, вот некоторые из моих любимых многослойных стеков, которые следуют ранее описанным рекомендациям.

Четырехслойный (с маршрутизацией питания): SIG – GND – GND – SIG

Шестислойный: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

Восьмислойный: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Видео Рика Хартли

Наконец, я не могу достаточно рекомендовать видео Рика Хартли о как добиться правильного заземления и правильно выбрать свои стеки слоев. В видео Рик говорит о многих принципах, описанных в этой статье, более подробно. Посмотрите видео на YouTube-канале Altium.