1. Kerneprincipper for stackup-design
Overordnet set skal stackup-design følge to regler:
- Hvert routinglag skal have et nærliggende referencelag. Referencelaget kan være et effektplan eller et jordplan.
- Hold strømforsyningsplanet og jordplanet så tæt på hinanden som muligt. Det giver en større koblingskapacitans.
Nedenfor er der eksempler på stackups fra to-lags boards op til otte-lags boards.
2. Opstablingsskemaer efter antal PCB-lag
2.1 Opbygning af et- og to-lags kort
For to-lags boards er antallet af lag lavt. Stackup-problemer eksisterer ikke på samme måde, som de gør for kort med mange lag. Kontrol af EMI-stråling skal komme fra routing og layout.
Enkelt lag og dobbeltlagskort har voksende EMC-problemer. Hovedårsagen er, at signalløkkeområder kan blive store. Store loop-områder giver ikke kun stærk stråling, de gør også kredsløbet følsomt over for støj udefra. For at forbedre EMC er det enkleste skridt at reducere loopområdet for nøglesignaler.
Vigtige signaler: Ud fra et EMC-synspunkt er nøglesignaler dem, der giver stærk udstråling, og dem, der er følsomme over for udefrakommende støj. Signaler med stærk udstråling er normalt periodiske signaler. Disse omfatter ure og adressesignaler af lav orden. Signaler, der er følsomme over for støj, er normalt analoge signaler på lavt niveau.
Enkelt- og dobbeltlagskort bruges normalt i lavfrekvente analoge designs under 10 kHz. Brug disse grundlæggende regler:
- Før strøm i samme lag på en radial måde, når du kan. Prøv at holde den samlede længde af sporene lille.
- Hold strøm- og jordledninger tæt på hinanden. Placer et jordspor ved siden af et nøglesignal. Læg jordsporet så tæt på signalet som muligt. Det skaber et lille loop-område. Et lille loop-område mindsker common-mode-stråling og reducerer, hvor følsomt signalet er over for støj udefra. Når du lægger et jordspor ved siden af signalet, vil den lille sløjfe tiltrække signalets returstrøm. Signalstrømmen går så gennem denne lille sløjfe og ikke gennem andre jordbaner.
- På et dobbeltsidet kort skal du placere et bredt jordspor på den anden side af kortet lige under signalsporet. Gør dette jordspor så bredt som muligt. Det giver et loop-område, der svarer til printpladens tykkelse gange signallængden.
2.2 Opbygning af fire lags kort
Almindelige fire-lags opstillinger omfatter:
- SIG - GND (eller PWR) - PWR (eller GND) - SIG
- GND - SIG (eller PWR) - SIG (eller PWR) - GND
For begge disse opstillinger er der et potentielt problem med en standardpladetykkelse på 1,6 mm (62 mil). Afstanden mellem lagene bliver stor. Stor afstand gør det svært at kontrollere impedans, lagkobling og afskærmning. Især hvis afstanden mellem strøm- og jordplan er stor, falder kortets kapacitans. Lav kortkapacitans er ikke god til at filtrere støj.
For den første opstilling (SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)
Folk bruger det ofte, når der er mange chips på kortet. Denne opbygning giver god signalintegritet. EMI-ydelsen er ikke så god. Du skal kontrollere EMI ved hjælp af omhyggelig routing og andre detaljer.
Vigtige punkter:
- Placer jordplanet ved siden af det signallag, der har den tætteste routing. Det hjælper med at absorbere og reducere stråling.
- Forøg også tavlearealet. Følg 20H-reglen.
For den anden opstilling (GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)
Folk bruger det, når chiptætheden er lav, og når chipområdet har plads til strømforsyninger af kobber. I dette design er de ydre lag jordplaner, og de to indre lag er signal- eller strømlag. Før strømmen på signallaget med brede spor. Brede spor gør strømvejsimpedansen lav og mikrostrip-signalimpedansen lav. De ydre jordlag kan afskærme de indre signaler fra at stråle. Ud fra et EMI-kontrolsynspunkt er dette den bedste firelags PCB-struktur, der findes nu.
Vigtige punkter:
- Hold afstanden mellem de to indre lag med blandet signal og effekt større.
- Gør routing-retningerne ortogonale mellem disse lag for at undgå crosstalk.
- Kontrollér tavleområdet, og følg 20H-reglen.
- Hvis du skal kontrollere routing-impedansen, skal du placere sporene omhyggeligt under kobberøerne til strøm og jord.
- Forsøg også at sammenkoble kobbertråde på strøm- eller jordlagene så meget som muligt. Det giver en god DC- og lavfrekvensforbindelse.
2.3 Opbygning af seks lags kort
Til design med høj chiptæthed og høj clockhastighed bør man overveje seks-lags kort. To anbefalede seks-lags stackups er som følger:
Mulighed 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
Med dette skema får du god signalintegritet. Hvert signallag sidder ved siden af et jordplan. Strøm- og jordplanerne er parret. Du kan kontrollere impedansen for hvert routinglag godt. Begge jordplaner kan absorbere magnetisk flux godt. Med fuldt strøm- og jordplan har hvert signallag en god returvej.
Mulighed 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND
Denne mulighed passer til tavler, hvor enhedstætheden ikke er særlig høj. Den bevarer fordelene ved den første løsning. Desuden er de øverste og nederste jordplaner mere kontinuerlige. De fungerer som gode afskærmninger.
Bemærk: Placer strømforsyningen nær den side, der ikke er hovedkomponentens overflade. Så bliver bundplanet mere komplet, og EMI-præstationen bliver bedre end ved den første løsning.
Oversigt over seks-lags plader:
Hold afstanden mellem strøm- og jordplan så lille som muligt. Det giver en god strøm-jord-kobling. Med en pladetykkelse på 62 mil er lagafstanden mindre end med fire lag. Alligevel er det ikke let at gøre afstanden mellem hovedstrøm og jord meget lille. Sammenlignet med den anden mulighed koster den første mulighed mindre. Så vi vælger ofte den første form til praktisk stabling. Følg 20H-reglen og spejllagsreglen i designet.
2.4 Opbygning af otte-lags kort
Otte-lags kort har mange mulige opstillinger. Nogle er værre for EMI på grund af dårlig absorption og stor strømimpedans. Her er tre former beskrevet:
Type A (ikke god)
Denne form har lavere elektromagnetisk absorption og større effektimpedans. Dens lagrækkefølge er:
- Signal 1: komponentside, mikrostrip-routing-lag
- Signal 2: indre mikrostrip-routinglag, godt routinglag (X-retning)
- Jord
- Signal 3: stripline routing-lag, godt routing-lag (Y-retning)
- Signal 4: stripline-routing-lag
- Kraft
- Signal 5: indre mikrostrip-routing-lag
- Signal 6: mikrostrip-routing-lag
Denne form er ikke et godt valg, fordi den ikke giver ensartede referencer for alle signallag. Strømimpedansen er høj, og EMI-kontrollen er svag.
Type B (variant med tilføjede referencelag)
Dette er en variant af en tredje type. Ved at tilføje referencelag får den en bedre EMI-ydelse. Den karakteristiske impedans for hvert signallag kan kontrolleres godt. En mulig rækkefølge er:
- Signal 1: komponentside, mikrostrip-routing-lag, godt routing-lag
- Jord: god bølgeabsorption
- Signal 2: stripline routing-lag, godt routing-lag
- Power: dette power-plan og jorden under det udgør en god elektromagnetisk absorption
- Jord: jordplan
- Signal 3: stripline routing-lag, godt routing-lag
- Effekt: dette effektplan har større effektimpedans
- Signal 4: mikrostrip-routing-lag, godt routing-lag
Type C (bedste praksis)
Dette er den bedste opstillingsform. Den bruger flere jordreferenceplaner. Det giver en meget god elektromagnetisk absorption. En almindelig rækkefølge er:
- Signal 1: komponentside, mikrostrip-routing-lag, godt routing-lag
- Jord: god bølgeabsorption
- Signal 2: stripline routing-lag, godt routing-lag
- Power: dette power-plan og jorden under det udgør en fremragende elektromagnetisk absorption
- Jord: jordplan
- Signal 3: stripline routing-lag, godt routing-lag
- Jord: andet jordplan, god bølgeabsorption
- Signal 4: mikrostrip-routing-lag, godt routing-lag
3. Sådan vælger du lagantal og opstabling
Vælg antallet af lag og opstablingsformen ud fra mange faktorer. Disse omfatter: antallet af signalnet på kortet, komponenttæthed, pin-tæthed, signalfrekvenser og kortets størrelse. Overvej alle disse faktorer sammen.
Bemærkninger om design:
- Hvis der er mange signalnet, skal du designe med flere lag.
- Hvis komponenttætheden er høj, skal du vælge flere lag.
- Hvis pin-tætheden er høj, skal du vælge flere lag.
- Hvis signalfrekvensen er høj, skal du vælge flere lag.
- For at få en god EMI-ydelse skal man sørge for, at hvert signallag har sit eget referencelag. Et referencelag kan være jord eller strøm. Det hjælper med at kontrollere impedansen og giver tætte returveje. Tætte returveje sænker looparealet. Et lavere loop-område reducerer stråling og følsomhed over for interferens.
4. Enkle regler, der skal følges i alle designs
- Giv hvert routinglag et referenceplan i nærheden. Det hjælper med at kontrollere impedans og returstrøm.
- Par strøm- og jordplaner, når du kan. Hold afstanden lille. Det øger planets kapacitans. Høj planekapacitans sænker støjen.
- Sæt jordplanet ved siden af det signallag, der har tæt routing. Det hjælper med at absorbere og stoppe stråling.
- Brug ortogonal routing på tilstødende signallag for at mindske crosstalk.
- Brug brede baner til strømføring i blandede lag for at holde strømvejsimpedansen lav.
- Koblingskobber hældes på strøm- og jordplaner for at få stærke jævnstrøms- og lavfrekvensforbindelser.
- Følg 20H-reglen, når du indstiller bordområdet, og husk reglerne for design af spejllag.
- I højhastigheds- eller højdensitetsdesign skal man foretrække seks- eller otte-lags kort, så hvert signallag kan have en tæt reference.
- Til lavfrekvente analoge designs kan et eller to lags kort fungere, hvis du holder loop-områderne små og placerer jord i nærheden af signalerne.
- Når du kan, skal du gøre de indre strøm- og jordplaner tætte. Det forbedrer afkoblingen og reducerer EMI.
5. Afsluttende note
Valg af stackup er en systemhandel. Se på net, layout, komponentplacering, pin-antal og frekvens på én gang. For bedre EMI og signalkontrol skal du give hvert signallag en klar reference i nærheden. Brug parrede planer og smalle planafstande, når det er muligt. Brug flere jordplaner for at opnå den bedste elektromagnetiske absorption i kort med mange lag. Når du designer, skal du afveje omkostninger og ydeevne. Følg de enkle regler ovenfor, og vælg den stackup, der passer til dine printkortbehov.
