I. Überblick über die Bestimmung der Schichtenanzahl bei Leiterplatten

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 Masseebenen. Die Ingenieure berücksichtigen das Layout der Leiterplatte, die Bauteiltypen und die elektrischen Anforderungen. Anschließend planen sie, wie viele Signalschichten und wie viele Stromversorgungs- und Masseebenen benötigt werden. Ziel dieser Planung ist es, das Routing zu vereinfachen, die Signalqualität zu gewährleisten und die Kostengrenzen 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 Kostengrenzen für eine einzelne Platine gelten. Die Anzahl der Stromversorgungsebenen wird so gewählt, dass jede wichtige Stromschiene über eine eigene Ebene oder einen klar definierten Bereich auf einer Ebene verfügt. Außerdem muss sichergestellt werden, dass sich die Stromversorgungsebenen nicht so überlappen, dass es zu Übersprechen kommt oder geteilte Ebenen 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. Dadurch werden Rückstrompfade unterbrochen, was die Signalintegrität beeinträchtigt. 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 Erdungsschichten folgende Punkte:

Die Schicht direkt unter der Seite mit den Hauptbauteilen sollte eine weitgehend durchgehende Massefläche aufweisen. Dies unterstützt den Rückstrom und reduziert Störsignale für die Bauteile 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 (EMI) beeinträchtigt.

Die Hauptspannungs- und Masseebenen sollten nahe beieinander liegen und gut gekoppelt sein. Eine enge Kopplung 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 Layout 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. Planung der Anzahl der Signalschichten

A. Routing-Kanäle und ihre Bedeutung

Die Verlegungskanäle bestimmen oft, wie viele Signalschichten Sie benötigen. Suchen Sie zunächst nach tiefen BGAs oder großen Steckverbindern auf der Leiterplatte. 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-Escape zwei Routing-Schichten gemeinsam nutzen. Wenn ein BGA nur eine Leiterbahn zwischen zwei Durchkontaktierungen zulässt, benötigt der Escape möglicherweise bis zu vier Routing-Schichten, um alle Netze nach außen zu führen. Daher spielen der BGA-Abstand und die Fanout-Geometrie eine zentrale Rolle bei der Schichtenplanung.

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

B. Anforderungen an Hochgeschwindigkeitsnetzwerke und Routing-Kanäle

Betrachten Sie als Nächstes Hochgeschwindigkeit Signale. Das High-Speed-Routing erfordert die Berücksichtigung weiterer Faktoren. Sie müssen Stubs, Leiterbahnabstände und Referenzebenen berücksichtigen. High-Speed-Netze 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 außerdem Differentialpaare. Differentialleitungen 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 Flaschenhalsbereiche

Planen Sie schließlich Engpassbereiche auf der Leiterplatte ein. Suchen Sie nach der grundlegenden Platzierung und der allgemeinen Verlegungsplanung nach engen Bereichen, in denen viele Leitungen einen kleinen Spalt passieren müssen. Dies sind Engpässe. Zählen Sie für jeden Engpass die Anzahl der erforderlichen Leiterbahnen, Differentialpaare 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 wie folgt vor:

Markieren Sie den Engpassbereich.

Liste aller Netze, die es durchqueren müssen.

Fügen Sie Differentialpaare und kritische Signale in die Liste ein.

Berechnen Sie die Anzahl der Leiterbahnen, die pro Routing-Ebene in diesen Zwischenraum passen.

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

Dies gibt die Gesamtzahl der Leiterbahnen an, die durchgelassen werden können. Ist diese Zahl geringer als die Anzahl der benötigten Netze, fügen Sie weitere Verlegungsschichten hinzu oder ändern Sie die Anordnung, um die Überlastung zu verringern.

IV. Beispiele und einfache Faustregeln

A. Beispiele für BGA-Escape-Zeichen

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

Wenn Sie zwischen zwei Durchkontaktierungen nur eine Leiterbahn verlegen können, benötigen Sie möglicherweise vier Verlegungsschichten, 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 Verlegungsschichten oder eine andere Steckverbinder-Grundfläche.

C. Beispiel für ein Hochgeschwindigkeitssignal

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

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 Masseebene fließen kann. Befindet sich eine Signalschicht neben einer Masseebene, ist der Rückweg kurz und die elektromagnetische Störung (EMI) gering. Wenn Sie eine Signalschicht zwischen zwei gemischten Ebenen oder in der Nähe einer geteilten Ebene anordnen, ist der Rückweg nicht lokal. Dies führt zu stärkeren elektromagnetischen Störungen und kann die Signalintegrität beeinträchtigen.

B. Achten Sie auf geteilte Flächen und Fugen

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 „Via-Stitching“ oder „Stitching“, um den Rückweg konsistent zu halten. Verwenden Sie „Via-Stitching“ und Masse-Vias 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 und zur Verringerung der Ebenenimpedanz bei. Dies ist für die Stromversorgungsintegrität sehr nützlich. Wenn Sie mehrere Stromschienen haben, versuchen Sie, diese in gepaarten 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 DFM-Grenzwerte fest. Geben Sie die Mindestbreite der Leiterbahnen, den Mindestabstand zwischen den 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 Schichtanzahl anhand der Spaltkapazität

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

Falls nicht, fügen Sie eine weitere Routing-Ebene hinzu und überprüfen Sie es erneut.

Falls 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 – praktischer Ablauf bei der Schichtplanung

Schritt 1. Auflistung der Einschränkungen und Ziele

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

Schritt 2. Skizzieren Sie einen vorläufigen Aufbau

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

Schritt 3. BGA-Entlüftungsbedarf prüfen

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. Wenn die Kapazität nicht ausreicht, 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 Verlegung. Sie planen Strom- und Masseschichten so, dass die Stromversorgung stabil ist und die Rückwege kurz sind. Die Signalschichten planen Sie auf der Grundlage von Verlegungskanälen, BGA-Abstand, Steckertiefe und Engpassbereichen. Bei guter Planung wird die Verlegung einfacher und zuverlässiger. Vereinfacht ausgedrückt gleicht das Leiterplatten-Design dem Bau eines hohen Gebäudes. Der Schichtenplan ist die Bauzeichnung. Ist die Bauzeichnung korrekt, verläuft der Bau reibungslos.