I. Überblick über die Bestimmung der Leiterplatten-Schichtanzahl

Die Gesamtzahl der Leiterplattenlagen steht zu Beginn nicht fest. Die Ingenieure legen die Anzahl der Lagen entsprechend den Anforderungen der Leiterplatte fest. Die Gesamtzahl der Lagen ergibt sich aus der Anzahl der Signallagen zuzüglich der Anzahl der Stromversorgungs- und Masseflächen. Die Ingenieure prüfen das Layout der Leiterplatte, die Bauteiltypen und die elektrischen Anforderungen. Anschließend planen sie, wie viele Signalschichten und wie viele Stromversorgungs-/Masseebenen benötigt werden. Der Plan zielt darauf ab, das Routing zu vereinfachen, die Signalqualität zu gewährleisten und die Kostenvorgaben einzuhalten.

II. Planung der Strom- und Erdungsschichten

A. Wie wählt man die Anzahl der Leistungsschichten aus?

Die Anzahl der Stromversorgungsebenen wird hauptsächlich durch folgende Faktoren bestimmt: Wie viele verschiedene Stromschienen die Platine benötigt, wie diese Schienen über die Platine verteilt sind, wie viel Strom jede Schiene führen muss, welche Leistungsziele für die Platine gelten und welche Kostenobergrenzen für eine einzelne Platine gelten. Sie wählen die Anzahl der Stromversorgungsflächen so, dass jede wichtige Stromschiene über eine eigene Fläche oder einen klar definierten Flächenbereich verfügt. Außerdem müssen Sie sicherstellen, dass sich die Stromversorgungsflächen nicht so überlappen, dass es zu Übersprechen kommt oder geteilte Flächen entstehen, die die Leistung beeinträchtigen.

Zwei Regeln für die Anordnung der Stromversorgungsebenen sind wichtig:

Stromversorgungsleitungen sollten auf derselben Ebene nicht so verlegt werden, dass es zu Störungen kommt. Kurz gesagt: Vermeiden Sie es, Stromversorgungsleitungen auf einer physikalischen Ebene miteinander zu verflechten.

Vermeiden Sie es, wichtige Signale über Trennstellen in benachbarten Ebenen zu führen. Wenn ein Signal eine Trennstelle überqueren muss, kann die Referenzebene des Signals unterbrochen werden. Dies unterbricht die Rückstrompfade und beeinträchtigt die Signalintegrität. Ordnen Sie die Ebenenstapel daher so an, dass wichtige Signale keine Trennstellen überqueren.

B. Wie wählt man die Anzahl der Bodenschichten aus?

Beachten Sie beim Einrichten von Masseebenen folgende Punkte:

Die Schicht direkt unter der Seite mit den Hauptbauteilen sollte eine weitgehend durchgehende Massefläche aufweisen. Dies unterstützt den Stromrückfluss und verringert das Rauschen bei den Bauteilen auf der Oberseite.

Hochgeschwindigkeitssignale, Hochfrequenzleitungen und Taktleitungen müssen auf eine durchgehende Massefläche bezogen sein. Ihr Rückstrom fließt auf dieser Fläche. Ist die Fläche unterbrochen, werden die Signale durch Rauschen und elektromagnetische Störungen beeinträchtigt.

Die Hauptversorgungs- und Masseebenen sollten nahe beieinander liegen und gut miteinander verbunden sein. Eine enge Verbindung senkt die Impedanz der Ebene und trägt zur Stromversorgungsintegrität bei. Eine niedrige Impedanz hilft, die Welligkeit gering zu halten, und sorgt für eine stabile Stromversorgung der ICs.

In der Praxis erfordert ein Schaltungslayout mit vielen schnellen Leitungen mehr Masseflächen oder zumindest ein Paar aus Versorgungs- und Masseflächen, die nahe beieinander liegen. Dies sorgt für eine bessere Entkopplung und eine einfachere Impedanzsteuerung.

III. Festlegung der Anzahl der Signalschichten

A. Routing-Kanäle und warum sie wichtig sind

Die Verlegungswege bestimmen oft, wie viele Signalschichten Sie benötigen. Suchen Sie zunächst nach tiefen BGAs oder großen Steckverbindern auf der Platine. Die BGA-Tiefe und der BGA-Pin-Abstand sind entscheidend dafür, wie viele Escape-Schichten Sie benötigen. Beispielsweise lassen bei einem BGA mit 1,0 mm Pinabstand oft zwei Leiterbahnen zwischen zwei Durchkontaktierungen zu. Bei einem BGA mit 0,8 mm Pinabstand ist oft nur eine Leiterbahn zwischen zwei Durchkontaktierungen möglich. Dieser Unterschied bestimmt, wie viele Routing-Schichten Sie benötigen.

Wenn ein BGA zwei Leiterbahnen zwischen zwei Durchkontaktierungen zulässt, kann der BGA-Ausgang auf zwei Verlegungsschichten verteilt werden. Wenn ein BGA nur eine Leiterbahn zwischen zwei Durchkontaktierungen zulässt, benötigt der Ausgang möglicherweise bis zu vier Verlegungsschichten, um alle Netze nach außen zu führen. Daher sind der BGA-Abstand und die Fanout-Geometrie von zentraler Bedeutung für die Schichtenplanung.

Bei Steckverbindern sieht das anders aus. Hier sind die Tiefe und der Pinabstand die entscheidenden Faktoren. In der Regel verlegt man zwischen zwei Steckverbinder-Durchkontaktierungen ein Differenzpaar. Anhand dieser Faustregel lässt sich abschätzen, wie viele Kanäle für Steckverbinderbereiche benötigt werden.

B. Anforderungen an Hochgeschwindigkeitsnetze und Routing-Kanäle

Als Nächstes betrachten Sie Hochgeschwindigkeits- Signale. Das Hochgeschwindigkeits-Routing erfordert weitere Bedingungen. Sie müssen Stubs, Leiterbahnabstände und Referenzebenen berücksichtigen. Hochgeschwindigkeitsnetze reagieren empfindlich auf Impedanzsteuerung und Rückstrom. Überprüfen Sie daher, ob die Routingkanäle für diese Netze breit und frei genug sind.

Ermitteln Sie bei der Planung, welche Leitungen Hochgeschwindigkeitsleitungen sind. Geben Sie diesen bei der Leitungsführung Vorrang. Reservieren Sie Kanäle, die einen angemessenen Abstand und eine kontrollierte Impedanz ermöglichen. Berücksichtigen Sie dabei auch Differenzpaare. Differenzleitungen erfordern angepasste Längen und eine enge Kopplung an ihre Referenz. Halten Sie bei Hochgeschwindigkeitspaaren einen gleichbleibenden Abstand zur Referenzebene ein und halten Sie die Paare von störungsbehafteten Leitungen fern.

C. Engstellen oder Flaschenhälse

Planen Sie schließlich Engpassbereiche auf der Leiterplatte ein. Suchen Sie nach der grundlegenden Bestückung und der allgemeinen Routing-Planung nach engen Bereichen, in denen viele Leitungen durch einen schmalen Spalt verlaufen müssen. Dies sind Engpässe. Zählen Sie für jeden Engpass die Anzahl der erforderlichen Leiterbahnen, Differenzpaare und empfindlichen Netze. Legen Sie dann die Anzahl der benötigten Schichten fest, damit alle erforderlichen Leitungen diesen Bereich passieren können.

Gehen Sie Schritt für Schritt vor:

Markiere den Engpassbereich.

Liste aller Netze, die durch sie hindurchführen müssen.

Nehmen Sie Differentialpaare und kritische Signale in die Liste auf.

Berechne die Anzahl der Leiterbahnen, die pro Verdrahtungsebene in diesen Zwischenraum passen.

Multiplizieren Sie dies mit der Anzahl der Routing-Ebenen, die Sie für diesen Bereich verwenden können.

Dies ergibt die Gesamtzahl der Leiterbahnen, die durchgeführt werden können. Wenn diese Zahl geringer ist als die Anzahl der benötigten Netze, fügen Sie weitere Verdrahtungsebenen hinzu oder ändern Sie die Anordnung, um die Überlastung zu verringern.

IV. Beispiele und einfache Faustregeln

A. Beispiele für BGA-Escape-Zeichen

Wenn man zwei Leiterbahnen zwischen zwei Durchkontaktierungen auf einem BGA verlegen kann, lassen sich für den BGA-Escape oft zwei Verlegungsschichten nutzen. Dies ist bei BGA-Gehäusen mit 1,0 mm Rastermaß ein häufiger Fall.

Wenn Sie zwischen zwei Durchkontaktierungen nur eine Leiterbahn verlegen können, benötigen Sie möglicherweise vier Verlegeebenen, um alle BGA-Pins zu verlegen. Dies ist häufig bei BGAs mit engerem Rastermaß, wie beispielsweise 0,8 mm, der Fall.

B. Beispiel für die Verlegung von Steckverbindern

Gehen Sie bei vielen Steckverbindern davon aus, dass Sie pro zwei Durchkontaktierungen ein Differenzpaar verlegen können. Nutzen Sie diese Vorgabe zur Dimensionierung der Verlegungskanäle in der Nähe des Steckverbinders. Verfügt der Steckverbinder über viele Lanes, benötigen Sie mehr Verlegungsebenen oder eine andere Steckverbinder-Grundfläche.

C. Beispiel für ein Hochgeschwindigkeitssignal

Bei einem MIPI- oder USB-Differenzpaar müssen Sie das Paar nahe an seiner Referenzebene halten und den Abstand zwischen den Adern sowie die Leiterbahnbreite entsprechend der Zielimpedanz einhalten. Ist der Verlegungskanal schmal, benötigen Sie möglicherweise mehr Schichten, um das Layout übersichtlich zu halten und die Impedanzvorgaben zu erfüllen.

V. Weitere Informationen zur Planung hinsichtlich Signalintegrität und Herstellbarkeit

A. Halten Sie den Rückweg kurz und lokal

Planen Sie die Signalschichten stets so, dass der Rückstrom auf einer nahegelegenen Massefläche fließen kann. Befindet sich eine Signalschicht neben einer Massefläche, ist der Rückweg kurz und die elektromagnetische Störung gering. Wenn Sie eine Signalschicht zwischen zwei gemischte Flächen oder in die Nähe einer geteilten Fläche legen, ist der Rückweg nicht lokal. Dies führt zu stärkeren elektromagnetischen Störungen und kann die Signalintegrität beeinträchtigen.

B. Achten Sie auf Trennflächen und Nähte

Wenn Sie eine Ebene teilen müssen, verlegen Sie empfindliche Signale so, dass sie die Teilungsstelle nicht kreuzen. Wenn ein Hochgeschwindigkeitsnetz eine Ebenenteilung kreuzen muss, sorgen Sie für einen freien Rückweg über Durchkontaktierungen oder Verbindungsstrecken, um den Rückweg konsistent zu halten. Verwenden Sie Verbindungsstrecken und Masse-Durchkontaktierungen in der Nähe der Teilungskanten, um die Schleifenfläche zu verringern.

C. Halten Sie die Strom- und Massepaare im Schichtaufbau nahe beieinander

Wenn Sie eine Stromversorgungsebene neben eine Masseebene platzieren, bildet das Paar einen Kondensator. Dies trägt zur Entkopplung der Stromversorgung bei und verringert die Impedanz der Ebenen. Dies ist für die Stromversorgungsintegrität sehr nützlich. Wenn Sie mehrere Stromschienen haben, versuchen Sie, diese in paarweisen Stapeln zu gruppieren, oder verwenden Sie geteilte Ebenen nur dann, wenn Sie das Routing so steuern können, dass lange Rückwege vermieden werden.

D. Berücksichtigen Sie frühzeitig die Regeln zur Herstellbarkeit

Legen Sie zu Beginn die DFM-Grenzwerte fest. Geben Sie die Mindestbreite für Leiterbahnen, den Mindestabstand zwischen Leiterbahnen, den Mindestdurchmesser des Ringraums und die Mindestbohrgröße an. Passen Sie Ihre Entwurfsregeln an die Möglichkeiten des Herstellers an, die eine zuverlässige Fertigung gewährleisten. Wenn Sie sehr dünne Leiterbahnen oder sehr kleine Durchkontaktierungen planen, prüfen Sie, ob der Hersteller diese umsetzen kann und wie sich die Kosten dadurch verändern.

VI. Die Engpassberechnung im Detail

A. Wie man Fahrspuren in einer Lücke zählt

Messen Sie die Breite der Lücke im Engpassbereich.

Berechnen Sie anhand der geplanten Leiterbahnbreite und des Abstands, wie viele Single-Ended-Leiterbahnen auf eine Ebene passen. Bei Differentialpaaren zählen Sie anhand des Paarabstands, wie viele Paare Platz finden.

Berücksichtigen Sie Sperrbereiche und Durchkontaktierungen, die Leiterbahnen blockieren. Reduzieren Sie die nutzbare Breite um den Platz, den Durchkontaktierungsfelder oder mechanische Löcher einnehmen.

B. Bestimmung der Schichtenanzahl anhand der Spaltkapazität

Wenn eine Ebene die erforderlichen Spuren aufnehmen kann, ist alles in Ordnung.

Wenn nicht, füge eine weitere Routing-Ebene hinzu und überprüfe es erneut.

Wenn das Hinzufügen von Schichten nicht möglich ist, sollten Sie in Betracht ziehen, Bauteile zu versetzen, den Steckverbinder zu wechseln oder die BGA-Fanout-Strategie anzupassen.

VII. Alles unter einen Hut bringen – ein praktischer Ablauf für die Ebenenplanung

Schritt 1. Einschränkungen und Ziele auflisten

Erstellen Sie eine kurze Liste: Anzahl der BGAs und deren Rastermaß, Anzahl der Anschlüsse, Anzahl der Hochgeschwindigkeitsleitungen, Liste der Stromschienen, Leistungsziele und Kostenziel.

Schritt 2. Skizzieren Sie einen vorläufigen Aufbau

Beginnen Sie mit den erforderlichen Strom- und Masseflächen in der Mitte. Legen Sie die Signalschichten darum herum an. Verwenden Sie Strom-/Massepaare dort, wo Sie eine niedrige Impedanz benötigen.

Schritt 3. Prüfen Sie die Anforderungen an die BGA-Entlüftung

Überprüfen Sie jedes BGA. Wenn Sie mehr Entkopplungswege benötigen, fügen Sie Signalschichten hinzu oder ändern Sie die BGA-Grundfläche.

Schritt 4. Hochgeschwindigkeits-Routing-Kanäle überprüfen

Markieren Sie alle Hochgeschwindigkeitsnetze. Reservieren Sie Routing-Kanäle für diese. Wenn die Kanäle knapp sind, fügen Sie weitere Schichten hinzu oder ändern Sie die Anordnung.

Schritt 5. Engpässe prüfen

Zähle die Kapazität jedes schmalen Zwischenraums. Reicht die Kapazität nicht aus, füge weitere Schichten hinzu oder verschiebe Gegenstände.

Schritt 6. Stapelaufbau und Regeln festlegen

Stapelung korrigieren. Leiterbahnbreiten, Abstände und Impedanzvorgaben festlegen. Sicherstellen, dass der Entwurf den DFM-Richtlinien entspricht.

Schritt 7. Abstimmung mit den Ingenieuren und dem Hersteller

Besprechen Sie den Schichtaufbau mit dem Leiterplattenhersteller und den Ingenieuren für Signalintegrität. Bitten Sie um frühzeitiges Feedback und nehmen Sie entsprechende Anpassungen vor.

VIII. Kurze Zusammenfassung

Die Schichtenplanung ist eine Kombination aus elektrischen Anforderungen und praktischer Leiterverlegung. Man plant Strom- und Masseschichten so, dass die Stromversorgung stabil ist und die Rückwege kurz sind. Sie planen die Signalschichten auf der Grundlage von Verlegungskanälen, BGA-Abstand, Steckertiefe und Engpassbereichen. Bei guter Planung wird die Verlegung einfacher und zuverlässiger. Vereinfacht betrachtet gleicht das Leiterplattendesign dem Bau eines hohen Gebäudes. Der Schichtenplan ist die Bauzeichnung. Ist die Zeichnung korrekt, verläuft der Bau reibungslos.