Einführung
Das Informationszeitalter ist angebrochen, und die Verwendung von Leiterplatten nimmt ständig zu. PCB-Designs werden immer komplexer. Da die elektronischen Bauteile auf den Leiterplatten immer dichter beieinander liegen, werden elektrische Interferenzen zu einem häufigen Problem. Bei mehrlagigen Leiterplatten müssen Signallagen und Stromversorgungs- oder Masselagen voneinander getrennt werden. Das macht das Stapeldesign und die Lagenanordnung sehr wichtig. Ein guter Stapelaufbau kann EMI und Übersprechen erheblich reduzieren.
Warum Multilayer-Platten verwenden
Im Vergleich zu einlagigen Leiterplatten verfügen Multilayer-Leiterplatten über zusätzliche Signallagen, Routing-Lagen und separate Stromversorgungs- und Erdungsebenen. Der Hauptvorteil ist, dass sie eine stabile Spannung für digitale Signale liefern. Sie verteilen die Energie gleichmäßig auf alle Teile. Dies trägt dazu bei, das Rauschen zwischen den Signalen zu verringern.
Leistungsebene und Grundplatte
Durch die Verwendung großer Kupferflächen für die Stromversorgung und einer soliden Massefläche wird der Widerstand dieser Flächen gesenkt. Durch den geringeren Widerstand bleibt die Spannung der Stromversorgungsebene konstant. Dadurch kann jede Signalleitung ihre charakteristische Impedanz beibehalten. Eine stabile Impedanz trägt zur Reduzierung von Reflexionen und Übersprechen bei. Beim High-End-Leiterplattendesign entscheiden sich die Designer häufig für Stapel mit mehr als sechs Lagen. Mehrlagige Leiterplatten sind einlagigen oder niedriglagigen Leiterplatten in Bezug auf die elektrische Leistung und die Reduzierung der elektromagnetischen Strahlung überlegen. Die Kosten steigen mit der Anzahl der Lagen. Der Leiterplattenpreis hängt von der Anzahl der Lagen und der Dichte der Leiterbahnen pro Flächeneinheit ab. Wenn Sie Lagen einsparen, um Geld zu sparen, verlieren Sie Platz für das Routing. Dadurch erhöht sich die Leiterbahndichte. Möglicherweise müssen Sie schmalere Leiterbahnen und kleinere Lücken verwenden, um das Design zu erfüllen. Diese Änderungen können die Kosten erhöhen oder die Herstellung der Leiterplatte erschweren. Das Schneiden von Lagen kann die Kosten senken, aber die elektrische Leistung kann darunter leiden. Diese Entscheidung kann nach hinten losgehen.
Microstrip, Rückweg und Grundplatte als Teil der Übertragungsleitung
Betrachtet man ein PCB-Mikrostreifen-Layout als Modell, so kann die Massefläche Teil der Übertragungsleitung sein. Der Massekupferguss unter einer Signalleitung dient als Rückweg für das Signal. Die Leistungsebene ist in der AC-Ansicht durch Entkopplungskondensatoren mit der Erde verbunden. Diese beiden Ebenen fungieren auf die gleiche Weise für die Signalrückführung. Der Unterschied zwischen niederfrequenten und hochfrequenten Stromschleifen besteht darin, wie der Rückstrom seinen Weg findet. Bei niedriger Frequenz kehrt der Strom über den Weg mit dem geringsten Widerstand zurück. Bei hohen Frequenzen kehrt der Strom über den Weg mit der geringsten Induktivität zurück. Der Rückstrom konzentriert sich in der Regel direkt unter der Signalspur.
Hochfrequenz-Rückstrom und Selbstabschirmung
Wenn eine Leiterbahn bei hohen Frequenzen direkt über der Grundplatte liegt, fließt der Strom selbst bei vielen Rückleitungen unter der Signalleiterbahn auf der nächstgelegenen Leiterbahnschicht, die zur Quelle zurückführt, zurück. Dieser Pfad hat die niedrigste Impedanz. Die Verwendung großer Entkopplungskondensatoren zur Verbindung von Strom und Erde unterdrückt elektrische Felder durch Kapazität. Eine niedrige Induktivität des Rückwegs unterdrückt magnetische Felder. Durch diese beiden Effekte wird die Nettoreaktanz niedrig gehalten. Wir nennen das Selbstabschirmung.
Schleifenfläche, Entfernung und Stromdichte
Aus den Gleichungen für den Rückstrom geht hervor, dass die Rückstromdichte in umgekehrtem Verhältnis zum Abstand von der Signalleitung steht. Ein geringerer Abstand ergibt eine kleinere Schleifenfläche und eine geringere Induktivität. Wenn die Signalleitung und der Rückweg nahe beieinander liegen, sind die Ströme in ihnen ähnlich groß und entgegengesetzt gerichtet. Ihre Magnetfelder heben sich im Nahbereich gegenseitig auf. Das macht die externe EMI sehr gering. Beim Stack-up-Design ist es am besten, eine Massefläche in der Nähe jeder Signalebene zu platzieren.
Nebensprechen durch gegenseitige Induktivität
Beim Masseflächenübersprechen verursachen Hochfrequenzschaltungen das Übersprechen hauptsächlich durch induktive Kopplung. Nach der Rückstromformel bilden zwei nahe beieinander liegende Signalleitungen sich überlappende Stromschleifen. Diese überlappenden Schleifen führen zu Magnetfeldstörungen. Der Kopplungsfaktor K in der Formel hängt von der Signalanstiegszeit und von der Länge der störenden Leiterbahn ab. Im Stack-up wird durch die Annäherung von Signalschicht und Massefläche die Störung durch die Massefläche verringert.
Kupfertöpfe, Risse und Isolationswände
Beim Routing müssen die Entwickler beim Gießen von Kupfer für Stromversorgung und Masse darauf achten, dass im Gussbereich keine Isolationswand entsteht. Dieses Problem entsteht oft durch zu viele Durchkontaktierungen oder einen schlechten Isolationsplan für die Durchkontaktierung. Das Ergebnis kann ein langsamer Flankenanstieg, ein größerer Schleifenbereich, eine höhere Induktivität und mehr Nebensprechen und EMI sein.
Durchgangsdichte und Durchgangszäune können die Grundplatte in Inseln aufteilen. Diese Inseln zwingen den Rückstrom, einen längeren Weg zu nehmen. Das erhöht die Schleifenfläche und die Induktivität. Um dies zu vermeiden, sollten Sie die Platzierung von Vias und die Aufteilung von Ebenen so gestalten, dass der Rückstrom reibungslos fließen kann. Wenn Sie Ebenen für unterschiedliche Spannungen teilen müssen, platzieren Sie Stitching-Vias und halten Sie die Entkopplung in der Nähe der Bauteile.
Paarung von Kupfertöpfen für Prozessgleichgewicht
Wenn wir Kupfer in die Leiterplatte einbringen, sollten wir versuchen, die Lagen paarweise zu platzieren, um einen ausgewogenen Prozess zu gewährleisten. Dies ist ein Problem bei der Leiterplattenherstellung. Unausgewogenes Kupfer kann die Leiterplatte verziehen. Für jede Signallage ist es am besten, eine passende Kupferlage als Nachbarn zu haben. Der Abstand zwischen einer Hochstromebene und einer benachbarten Kupferschicht wirkt sich auf die Stabilität und die EMI aus. Beim Design von Hochgeschwindigkeitsplatinen ist es üblich, zusätzliche Masselagen zwischen den Signallagen anzubringen. Diese zusätzlichen Masselagen dienen als Abschirmung und tragen dazu bei, die EMI niedrig zu halten.
Entkopplung und Rückweg in der Nähe der Quelle
Halten Sie Entkopplungskondensatoren in der Nähe der Stromanschlüsse von Geräten. Entkopplungskondensatoren verbinden die Stromversorgungs- und Erdungsebenen bei hohen Frequenzen miteinander. Eine gute Entkopplung sorgt für einen kurzen Rückweg in der Nähe des Geräts. Das verringert die Schleifenfläche und senkt die Induktivität. Kurze Schleifen verringern EMI und Nebensprechen.
Impedanzkontrolle und Spureneigenschaften
Die Kontrolle der Leiterbahnimpedanz bedeutet, dass die Geometrie der Leiterbahn und die dielektrischen Eigenschaften konstant gehalten werden. Eine konstante Impedanz sorgt für saubere Signale und reduziert Reflexionen. Um die Impedanz zu kontrollieren, legen Sie die Leiterbahn über eine feste Bezugsebene und halten Sie den Abstand und die dielektrische Konstante konstant. Eine Erdungsreferenz direkt unter der Leiterbahn sorgt für ein gutes Mikrostreifen- oder Streifenleitungsverhalten. Dies gilt sowohl für Single-Ended- als auch für Differentialpaare.
Differentialpaare und Gleichtaktrauschen
Differenzielle Paare benötigen einen engen Abstand und eine solide Bezugsebene, um die Differenzimpedanz stabil zu halten. Differentialsignalisierung reduziert Gleichtaktstörungen, wenn das Paar gut geführt wird. Halten Sie das Paar zusammen, vermeiden Sie Stichleitungen, und halten Sie die Rückleitungsebene dicht. Das reduziert sowohl die abgestrahlte EMI als auch das Übersprechen auf benachbarte Netze.
Routingregeln und Kompromisse bei der Anzahl der Schichten
Wenn die Lagenzahl sinkt, sinkt auch der Platz für die Leiterbahnen. Dies zwingt die Designer dazu, die Leiterbahnbreite und den Abstand zu verringern. Diese höhere Routing-Dichte kann das Übersprechen und die Impedanzschwankungen erhöhen. Bei vielen Designs ist es die richtige Entscheidung, eine höhere Lagenzahl zu akzeptieren, um das Routing zu vereinfachen und die elektrische Leistung zu erhalten. Die Kosten für mehr Lagen sind real, aber schlechte Signalintegrität kann mehr Zeit für die Fehlersuche und Produktausfälle kosten.
Hochgeschwindigkeitsplatten und zusätzliche Bodenschichten
Hochgeschwindigkeitsplatinen profitieren von zusätzlichen Masseschichten zur Isolierung der Signalebenen. Dadurch wird die Kopplung zwischen Signalen auf verschiedenen Lagen reduziert. Die zusätzlichen Masselagen wirken wie Abschirmungen. Sie bieten einen nahe gelegenen Rückweg mit niedriger Induktivität. Dadurch wird die elektromagnetische Beeinflussung verringert und das Timing vorhersehbarer.
Praktische Tipps für Stapeln und Routenplanung
- Legen Sie eine solide Massefläche in der Nähe jeder Hochgeschwindigkeitssignalebene an.
- Verwenden Sie Powerplanes mit breiten Kupfertöpfen und halten Sie diese niederohmig.
- Bringen Sie Entkopplungskappen in der Nähe der Stromversorgungspins an und verbinden Sie die Stromversorgung mit der Masse über kurze Wege.
- Vermeiden Sie Platinensplits unter Hochgeschwindigkeitsbahnen. Wenn Sie teilen müssen, fügen Sie Stitching-Vias in der Nähe der Leiterbahn hinzu.
- Achten Sie auf die Dichte, damit Sie keine Unterbrechungen im Flugzeug verursachen.
- Halten Sie Leiterbahnen kurz und vermeiden Sie Stummel.
- Verwenden Sie differentielle Paare für Signale, die störungsfrei sein müssen.
- Wählen Sie einen Stapel, der den Rückweg kurz und den Schleifenbereich klein hält.
- Kupfer auf den äußeren Lagen ausgleichen, um den Verzug zu verringern.
Zusammenfassung
Je dichter die Elektronik wird, desto größer werden die Probleme mit EMI und Übersprechen. Mehrlagige Leiterplatten bieten Werkzeuge zur Bekämpfung dieser Probleme. Stromversorgungs- und Erdungsebenen, gepaarte Kupferträger, dichte Stapel und eine gute Entkopplung sind hilfreich. Ein sorgfältiger Lagenplan und eine sorgfältige Routing-Praxis verringern die Schleifenfläche und die Induktivität. Dadurch werden EMI und Übersprechen reduziert. Letztendlich spart ein guter Stapelaufbau und eine gute Entflechtung Zeit und Geld, da das Risiko von Fehlern und Ausfällen reduziert wird.
