I. Oversigt over bestemmelse af antal PCB-lag

Det samlede antal PCB-lag er ikke fastlagt fra starten. Ingeniørerne beslutter antallet af lag ud fra printkortets behov. Det samlede antal lag kommer fra antallet af signallag plus antallet af strøm- og jordplaner. Ingeniørerne ser på kortets layout, komponenttyper og elektriske behov. Derefter planlægger de, hvor mange signallag der er brug for, og hvor mange strøm-/jordlag der er brug for. Planen har til formål at gøre routing let, kontrollere signalkvaliteten og overholde omkostningsgrænserne.

II. Planlægning af strøm- og jordlag

A. Hvordan vælger man antallet af effektlag?

Antallet af strømplaner bestemmes hovedsageligt af disse punkter: hvor mange forskellige strømskinner kortet har brug for, hvordan disse skinner er fordelt på kortet, hvor meget strøm hver skinne skal bære, hvad kortets præstationsmål er, og omkostningsgrænserne for et enkelt kort. Du vælger antallet af strømskinner, så hver større strømskinne har en ordentlig strømskinne eller et veldefineret strømskinneområde. Du skal også sørge for, at strømforsyningerne ikke overlapper hinanden på en måde, der forårsager krydstale eller skaber delte strømforsyninger, der skader ydeevnen.

Der er to vigtige regler for power plane-layout:

Strømnet bør ikke blandes på samme plan på en måde, der forårsager interferens. Kort sagt, undgå strømnet, der er sammenflettet på et fysisk plan.

Undgå at føre vigtige signaler på tværs af splits i tilstødende planer. Hvis et signal skal krydse en opdeling, kan signalets referenceplan blive brudt. Det bryder returstrømsvejene og skader signalintegriteten. Så arranger planestakke, så vigtige signaler ikke krydser splits.

B. Hvordan vælger man antallet af jordlag?

Når du lægger jordlag, skal du være opmærksom på disse punkter:

Laget lige under hovedkomponentens side bør have et stort set kontinuerligt jordplan. Det hjælper med at returnere strøm og reducerer støj for dele på oversiden.

Højhastighedssignaler, højfrekvente net og clocknet skal referere til et solidt jordplan. Deres returstrøm flyder på det plan. Hvis planet er brudt, får signalerne støj og EMI.

Større effektplaner og jordplaner skal være tæt og godt koblet. Tæt kobling sænker planets impedans og hjælper på strømintegriteten. Lav impedans hjælper med at holde krusninger nede og giver stabil strøm til IC'er.

I praksis vil et design med mange hurtige net have brug for flere jordplaner eller i det mindste et par strøm- og jordplaner tæt på hinanden. Det giver bedre afkobling og lettere kontrol med impedansen.

III. Planlægning af antallet af signallag

A. Routing-kanaler og hvorfor de er vigtige

Routingkanaler afgør ofte, hvor mange signallag du har brug for. Start med at kigge efter dybe BGA'er eller store stik på kortet. BGA-dybden og BGA-pin-pitch er afgørende for, hvor mange flugtlag du har brug for. For eksempel tillader en BGA med 1,0 mm pitch ofte to spor mellem to vias. En BGA med 0,8 mm pitch tillader ofte kun et spor mellem to vias. Den forskel ændrer, hvor mange routinglag du skal have.

Hvis en BGA tillader to spor mellem to vias, kan BGA escape dele to routinglag. Hvis en BGA kun tillader ét spor mellem to vias, kan escapen have brug for op til fire routinglag for at føre alle net ud. Derfor er BGA-pitch og fanout-geometri centrale for lagplanlægningen.

Stik er anderledes. For stik er den vigtigste faktor dybde og pinafstand. Mellem to connector-vias skal du typisk route et differentielt par. Den tommelfingerregel hjælper dig med at estimere, hvor mange kanaler du har brug for til stikregioner.

B. Højhastighedsnet og behov for routingkanaler

Dernæst skal du overveje høj hastighed signaler. Højhastighedsrouting kræver flere forhold. Du skal tænke på stubbe, sporafstand og referenceplaner. Højhastighedsnet er følsomme over for impedansstyring og returstrøm. Så tjek, om routingkanalerne til disse net er brede og klare nok.

Når du planlægger, skal du identificere, hvilke net der er højhastighedsnet. Giv dem prioritet i routingen. Reserver kanaler, der tillader ordentlig afstand og kontrolleret impedans. Husk også på differentielle par. Differentielle linjer har brug for matchende længder og tæt kobling til deres reference. For højhastighedspar skal du holde konsekvent afstand til referenceplanet og holde parrene væk fra støjende net.

C. Snævre områder eller flaskehalse

Til sidst skal du planlægge flaskehalsområder på tavlen. Efter grundlæggende placering og global routing-planlægning skal du finde smalle områder, hvor mange net skal passere et lille hul. Det er de såkaldte choke points. For hver flaskehals skal du tælle antallet af nødvendige spor, differentielle par og følsomme net. Beslut derefter, hvor mange lag der skal til, for at alle nødvendige linjer kan passere gennem dette område.

Gør det trin for trin:

Marker flaskehalsområdet.

Angiv alle net, der skal passere gennem den.

Medtag differentielle par og kritiske signaler på listen.

Beregn antallet af spor, der passer til hvert routinglag i det mellemrum.

Gang med antallet af routinglag, som du kan bruge til det område.

Dette giver det samlede antal spor, der kan gå igennem. Hvis dette antal er mindre end antallet af nødvendige net, skal du tilføje routinglag eller ændre placeringen for at reducere overbelastningen.

IV. Eksempler og enkle tommelfingerregler

A. Eksempler på BGA-flugt

Hvis du kan route to spor mellem to vias på en BGA, kan du ofte bruge to routinglag til BGA-flugten. Dette er et almindeligt tilfælde for BGA-pakker med 1,0 mm pitch.

Hvis du kun kan route en bane mellem to vias, skal du måske bruge fire routinglag for at route alle BGA-stifter. Det sker ofte med BGA'er med mindre pitch, f.eks. 0,8 mm.

B. Eksempel på placering af stik

For mange stik skal du antage, at du kan route et differentielt par pr. to vias. Brug dette til at dimensionere routingkanalerne nær stikket. Hvis stikket har mange baner, skal du bruge flere routinglag eller et andet stikfodaftryk.

C. Eksempel på højhastighedssignal

For et MIPI- eller USB-differentielt par skal du holde parret tæt på dets referenceplan og holde parafstanden og sporbredden korrekt i forhold til målimpedansen. Hvis routingkanalen er smal, kan det være nødvendigt med flere lag for at holde layoutet rent og opfylde impedansmålene.

V. Mere om planlægning af signalintegritet og fremstillingsevne

A. Hold returvejen kort og lokal

Planlæg altid signallagene, så returstrømmen kan flyde på et jordplan i nærheden. Når et signallag ligger ved siden af et jordplan, er returvejen kort, og EMI er lav. Hvis du placerer et signallag mellem to blandede planer eller i nærheden af et delt plan, er returvejen ikke lokal. Det giver mere EMI og kan skade signalintegriteten.

B. Hold øje med splitplaner og sømme

Hvis du er nødt til at splitte et plan, skal du dirigere følsomme signaler, så de ikke krydser splittet. Hvis et højhastighedsnet skal krydse en planopdeling, skal du sørge for en tydelig returvia eller syning for at holde returvejen konsistent. Brug via-syninger og ground-vias nær splitkanterne for at reducere loop-området.

C. Hold strøm/jord-par tæt på hinanden i opstillingen

Når du placerer et effektplan ved siden af et jordplan, danner parret en kondensator. Det hjælper med at afkoble strømmen og reducere planets impedans. Det er meget nyttigt for strømintegriteten. Hvis du har flere strømskinner, skal du prøve at gruppere dem i parvise stakke eller kun bruge delte planer, når du kontrollerer routing for at undgå lange returveje.

D. Overvej regler for producerbarhed tidligt

Indstil DFM-grænser fra starten. Angiv mindste sporbredde, mindste sporafstand, mindste ringformede ring og mindste borestørrelse. Match dine designregler med, hvad fabrikken kan lave på en pålidelig måde. Hvis du planlægger meget tynde spor eller meget små vias, skal du tjekke, om leverandøren kan håndtere dem, og hvordan omkostningerne vil ændre sig.

VI. Flaskehalsberegningen i flere detaljer

A. Sådan tæller du baner i et hul

Mål bredden på mellemrummet i flaskehalsområdet.

Brug din planlagte sporbredde og -afstand til at beregne, hvor mange single-ended-spor der passer i et lag. For differentielle par skal du tælle, hvor mange par der er plads til baseret på parafstanden.

Tag højde for spærreområder og vias, der blokerer spor. Reducer den anvendelige bredde med den plads, der optages af via-felter eller mekaniske huller.

B. Bestem antallet af lag ud fra mellemrumskapaciteten

Hvis et lag kan bære de nødvendige spor, er det fint.

Hvis ikke, skal du tilføje et andet routinglag og tjekke igen.

Hvis det ikke er muligt at tilføje lag, kan man overveje at flytte dele, skifte stik eller ændre BGA-fanout-strategien.

VII. At sætte det hele sammen - praktisk flow for lagplanlægning

Trin 1. Lav en liste over begrænsninger og mål

Lav en kort liste: antal BGA'er og deres pitch, antal stik, antal højhastighedsnet, liste over strømskinner, præstationsmål og omkostningsmål.

Trin 2. Skitsér en foreløbig opstilling

Start med de nødvendige strøm- og jordlag nær midten. Læg signallag omkring dem. Brug par af strøm/jord, hvor du har brug for lav impedans.

Trin 3. Tjek behov for BGA-flugt

Tjek hver enkelt BGA. Hvis du har brug for flere flugtbaner, skal du tilføje signallag eller ændre BGA'ens fodaftryk.

Trin 4. Tjek højhastigheds-routingkanaler

Marker alle højhastighedsnet. Reserver routingkanaler til dem. Hvis kanalerne er trange, skal du tilføje lag eller ændre placering.

Trin 5. Tjek flaskehalse

Tæl kapaciteten i hvert smalt hul. Hvis kapaciteten ikke er tilstrækkelig, skal du tilføje lag eller flytte ting.

Trin 6. Færdiggør opstilling og regler

Fiks opstabling. Indstil sporbredder, mellemrum og impedansmål. Sørg for, at designet følger DFM.

Trin 7. Valider med ingeniører og fabrikant

Gennemgå stack-up'en med PCB-fabrikanten og med signalintegritetsingeniører. Bed om tidlige kommentarer og justeringer.

VIII. Kort opsummering

Lagplanlægning er en blanding af elektriske behov og praktisk routing. Du planlægger strøm- og jordlag, så strømmen er stabil, og returvejene er korte. Man planlægger signallag ud fra routingkanaler, BGA-pitch, stikdybde og flaskehalsområder. Hvis du planlægger godt, bliver routing lettere og mere pålidelig. PCB-design er lidt ligesom at bygge en høj bygning. Lagplanen er tegningen. Hvis tegningen er korrekt, går byggeriet glat.