Xem xét Cấu trúc Lớp Bảng cho Thiết kế Bảng Tốc độ Cao

| Created: Tháng Mười 30, 2022

Xem xét Cấu trúc Lớp Bảng cho Thiết kế Bảng Tốc độ Cao

Các thiết kế tốc độ cao chỉ có thể hoạt động thành công khi chúng được xây dựng với cấu trúc PCB phù hợp. Cấu trúc của bạn phải có sự sắp xếp đúng đắn của các lớp nguồn và mặt đất, với đủ số lớp được phân bổ cho tín hiệu, và tất cả với các bộ vật liệu và lựa chọn đồng có thể được sản xuất ở quy mô và chi phí phù hợp. Nếu nhà thiết kế có thể lựa chọn cấu trúc đúng, thì việc định tuyến với đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu sẽ dễ dàng hơn nhiều, và nhiều vấn đề EMI đơn giản sẽ được giảm bớt hoặc ngăn chặn.

Để giúp các nhà thiết kế nhanh chóng kỹ thuật và xây dựng các cấu trúc tốc độ cao hỗ trợ định tuyến và tính toàn vẹn tín hiệu cần thiết, chúng tôi đã biên soạn các nguồn lực quan trọng cho các lớp cấu trúc tốc độ cao khác nhau.

Cấu trúc Số Lớp Thấp

Các PCB tốc độ cao đơn giản hơn sẽ bắt đầu với bảng 4 lớp. Quan điểm kiên định của tôi là các bảng 2 lớp không nên được sử dụng cho các thiết kế sẽ hỗ trợ các giao diện số tốc độ cao kiểm soát trở kháng vì chúng không thể đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu hoặc kiểm soát tiếng ồn. Bất kỳ chuyên gia thiết kế nào cũng sẽ xác nhận điểm này.

Ba loại chồng lớp PCB 4 lớp chính có thể hỗ trợ tín hiệu tốc độ cao được hiển thị dưới đây. Trong số các lựa chọn này, Lựa chọn 1 có lẽ là sự lựa chọn tốt nhất vì nó cung cấp sự linh hoạt cao nhất trong việc định tuyến, và nó có thể được sử dụng như một bảng mạch hai mặt. Lựa chọn 2 cũng có thể được sử dụng cho việc đặt linh kiện hai mặt, nhưng nó hạn chế việc định tuyến tín hiệu ở đâu vì có thể xảy ra hiện tượng nhiễu chéo trong lớp nội bộ. Lựa chọn 3 tốt nếu bạn có yêu cầu về công suất cao, nhưng bạn chỉ có thể định tuyến tín hiệu tốc độ cao trên một lớp; linh kiện thụ động hoặc cơ khí vẫn có thể được đặt trên lớp sau.

Tìm hiểu thêm về các lựa chọn chồng lớp 4 lớp tốt nhất cho PCB hai mặt

4-layer pcb stackup examples — *4-layer PCB stackup examples that can support high-speed routing.*

Khi cần số lượng tín hiệu cao hơn, chẳng hạn như đặt tín hiệu tốc độ thấp trong một lớp nội bộ, bước tiếp theo là mở rộng Lựa chọn 1 lên số lượng lớp cao hơn. Điều này bắt đầu với một chồng lớp 6 lớp, nơi một lớp nguồn dành riêng và một lớp tín hiệu được thêm vào chồng lớp được hiển thị trong Lựa chọn 1 ở trên. Chồng lớp này hữu ích vì hai lý do:

Các lớp bề mặt tốt cho giao diện tốc độ cao có trở kháng kiểm soát
Các lớp nội bộ có thể hỗ trợ hầu hết các giao diện chậm hơn hoặc tín hiệu điều khiển
Lớp nguồn có thể được chia thành nhiều đường ray lớn để hỗ trợ các mức điện áp lõi khác nhau.

Quy trình tương tự có thể được sử dụng để mở rộng số lớp lên 8 hoặc nhiều hơn với các tín hiệu tốc độ cao; loại cấu trúc PCB này sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo.

Tìm hiểu thêm về cấu trúc PCB 6 lớp có thể hỗ trợ PCB tốc độ cao

Số Lớp Trung Bình

Ở một số điểm, cấu trúc bảng mạch có thể trở nên dày đến mức tổng độ dày của PCB sẽ lớn hơn giá trị tiêu chuẩn. Về mặt sản xuất, đây không phải là vấn đề; quy trình ép lớp tiêu chuẩn có thể xử lý các bảng mạch vượt qua giá trị độ dày tiêu chuẩn và đạt đến nhiều mm về độ dày. Nếu mục tiêu của bạn là một bảng mạch mỏng, thì bạn sẽ cần các lớp mỏng hơn; các lựa chọn là các lớp cốt PTFE được củng cố (được thảo luận bên dưới) hoặc chuyển trực tiếp sang quy trình HDI.

Các bảng mạch có số lớp trung bình (trên khoảng ~8 lớp) có thể có nhiều lớp dành riêng cho nguồn điện, cũng như các lớp tín hiệu bổ sung. Đối với các bảng mạch có số lớp trung bình, có một số hướng dẫn đơn giản có thể giúp giảm bớt EMI và đảm bảo tính toàn vẹn của nguồn điện:

Việc chia một mặt phẳng nguồn thành nhiều đường ray là chấp nhận được miễn là các tín hiệu không được tham chiếu đến lớp mặt phẳng đó
Nếu có nhiều mặt phẳng nguồn, không nên xếp chúng trên các lớp liền kề; hãy tách chúng ra bằng một mặt phẳng GND
Đặt các tín hiệu nhanh trên các lớp bên trong giữa hai mặt phẳng GND; không tham chiếu chúng đến các mặt phẳng nguồn có bất kỳ sự chia cắt nào
Chỉ sử dụng các lớp bề mặt cho các microstrip nhanh, một số đường dẫn nguồn nếu cần, vàmột số đổ GND nếu cần

Những hướng dẫn này có thể khiến bạn phải thêm một vài lớp vào thiết kế của mình, nhưng lợi ích sẽ là kiểm soát tiếng ồn tốt hơn, tính toàn vẹn nguồn và tính toàn vẹn tín hiệu.

8 layer pcb stackup — *Strategy for grouping layers up to higher layer counts.*

Cấu trúc Chồng Cao cấp Hơn

Ý tưởng về "cao cấp hơn" trong bối cảnh thiết kế PCB tốc độ cao có thể có nhiều ý nghĩa. Trong thiết kế số tốc độ cao, nó có thể có hai ý nghĩa có thể xảy ra về việc lựa chọn và sắp xếp lớp:

Lớp mỏng hỗ trợ định tuyến HDI
Số lượng lớp cao buộc phải sử dụng lớp mỏng
Định tuyến vào BGA có khoảng cách chân nhỏ trên nhiều lớp (nhưng không nhất thiết phải sử dụng HDI)

Nói cách khác, bạn có thể có các lớp tín hiệu rất mỏng (ví dụ, 4 mil) với FR4 cường độ cao bằng kính với số lượng lớp thấp, hoặc bạn có thể có số lượng lớp rất cao buộc phải sử dụng lớp mỏng và có thể là các vật liệu thay thế.

Các yếu tố cần xem xét trong thiết kế xếp chồng lớp tốc độ cao cho các PCB này tập trung vào độ rộng dây dẫn cần thiết cho các thành phần và khả năng sản xuất, không chỉ là các giá trị Dk và Df cho một xếp chồng. Trong một số trường hợp, một lớp phủ có Dk thấp, Df thấp là cần thiết trên các lớp tín hiệu, nhưng không chỉ vì tổn thất thấp hơn. Trong các thiết kế này, khả năng sản xuất và tính toàn vẹn tín hiệu là quan trọng nhất, và lớp phủ mỏng có thể là giải pháp cho nhiều thách thức trong các xếp chồng tốc độ cao với số lượng lớp cao và/hoặc các lớp tín hiệu mỏng. Lựa chọn chính hiện nay cho các bảng mạch mỏng hơn có thể loại bỏ nhu cầu chuyển sang quy trình tiên tiến nhất hoặc quy trình HDI là các lớp phủ PTFE cường độ cao, có sẵn với độ dày dưới 4 mils.

Tìm hiểu thêm về thiết kế xếp chồng cho các PCB tốc độ cao tiên tiến

Nguồn tài nguyên khác

Các lĩnh vực khác của thiết kế xếp chồng quan trọng đối với PCB tốc độ cao bao gồm tính toàn vẹn nguồn và tính toàn vẹn tín hiệu. Cũng có khả năng cần chuyển sang thiết kế HDI khi các gói BGA có khoảng cách chân rất nhỏ, và khi các lớp trở nên rất mỏng. Hãy xem những tài nguyên này để tìm hiểu thêm về những lĩnh vực quan trọng này của thiết kế PCB:

Khi bạn cần chỉ định vật liệu, xây dựng một xếp chồng, và thực hiện các tính toán trở kháng để hỗ trợ PCB tốc độ cao, hãy chắc chắn sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế, và bạn muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365 giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngày hôm nay.

What is High Speed Design? Intro to High-Speed Design (Webinar) Key Elements of High-Speed PCB Design High Speed PCB Layout Transmission Lines and Terminations High-Speed PCB Design PCB Layout & High Speed Design using Altium Designer

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.