PCB Stackup Design von 2 bis 8 Lagen für EMI Kontrolle

1. Grundprinzipien des Stackup-Designs

Insgesamt müssen bei der Gestaltung von Stapeln zwei Regeln beachtet werden:

• Jede Routing-Ebene muss eine nahe gelegene Bezugsebene haben. Die Bezugsebene kann eine Stromversorgungsebene oder eine Masseebene sein.
• Halten Sie die Hauptleistungsebene und die Erdungsebene so nah wie möglich beieinander. Dies ergibt eine größere Kopplungskapazität.

Nachfolgend finden Sie Beispiele für Stapelungen von zweilagigen bis zu achtlagigen Leiterplatten.

2. Stapelungsschemata nach Anzahl der Leiterplattenlagen

2.1 Ein- und zweilagige Platinenstapel

Bei zweilagigen Leiterplatten ist die Anzahl der Lagen gering. Probleme mit der Stapelung bestehen nicht in dem Maße wie bei mehrlagigen Leiterplatten. Die Kontrolle der EMI-Strahlung muss durch Routing und Layout erfolgen.

Einlagig und doppellagige Leiterplatten haben zunehmend EMV-Probleme. Die Hauptursache ist, dass Signalschleifenbereiche groß werden können. Große Schleifenbereiche führen nicht nur zu einer starken Abstrahlung, sondern machen die Schaltung auch empfindlich gegenüber äußeren Störungen. Der einfachste Schritt zur Verbesserung der EMV ist die Verringerung des Schleifenbereichs von Schlüsselsignalen.

Wichtige Signale: Aus der Sicht der EMV sind die wichtigsten Signale diejenigen, die eine starke Strahlung erzeugen, und diejenigen, die empfindlich auf Fremdgeräusche reagieren. Signale, die eine starke Abstrahlung verursachen, sind in der Regel periodische Signale. Dazu gehören Taktgeber und Adressensignale niedriger Ordnung. Signale, die empfindlich auf Rauschen reagieren, sind in der Regel analoge Signale mit niedrigem Pegel.

Einlagige und zweilagige Leiterplatten werden in der Regel für analoge Niederfrequenz-Designs unter 10 kHz verwendet. Beachten Sie diese Grundregeln:

• Verlegen Sie Stromleitungen nach Möglichkeit radial auf derselben Ebene. Versuchen Sie, die Gesamtlänge der Leiterbahnen gering zu halten.
• Halten Sie Stromversorgungs- und Masseleitungen nahe beieinander. Legen Sie eine Massebahn neben ein wichtiges Signal. Legen Sie diese Massebahn so nah wie möglich an das Signal. Dadurch entsteht ein kleiner Schleifenbereich. Ein kleiner Schleifenbereich verringert die Gleichtaktstrahlung und reduziert die Empfindlichkeit des Signals gegenüber äußeren Störungen. Wenn Sie eine Masseleitung neben dem Signal anbringen, zieht die kleine Schleife den Signalrückstrom an. Der Signalstrom fließt dann durch diese kleine Schleife und nicht durch andere Massepfade.
• Bei einer doppelseitigen Platine legen Sie eine breite Massebahn auf der anderen Seite der Platine direkt unter die Signalbahn. Machen Sie diese Massebahn so breit wie möglich. So entsteht ein Schleifenbereich, der der Plattendicke mal der Signallänge entspricht.

2.2 Vierschichtige Platinenstapel

Übliche vierschichtige Stapel sind:

1. SIG - GND (oder PWR) - PWR (oder GND) - SIG
2. GND - SIG (oder PWR) - SIG (oder PWR) - GND

Bei diesen beiden Stapeln gibt es ein potenzielles Problem mit einer Standardplattendicke von 1,6 mm (62 mil). Die Abstände zwischen den Schichten werden groß. Große Abstände erschweren die Kontrolle von Impedanz, Lagenkopplung und Abschirmung. Insbesondere wenn der Abstand zwischen Stromversorgungs- und Erdungsebenen groß ist, sinkt die Kapazität der Leiterplatte. Eine niedrige Leitungskapazität ist nicht gut für die Rauschfilterung.

Für den ersten Stapel (SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)

Sie wird häufig verwendet, wenn sich viele Chips auf der Platine befinden. Dieses Stackup bietet eine gute Signalintegrität. Die EMI-Leistung ist nicht so gut. Sie müssen die EMI durch sorgfältiges Routing und andere Details kontrollieren.

Wichtige Punkte:

• Legen Sie die Grundplatte neben die Signalschicht, die die dichteste Verlegung aufweist. Dadurch wird die Strahlung absorbiert und reduziert.
• Vergrößern Sie auch die Fläche der Tafel. Befolgen Sie die 20H-Regel.

Für den zweiten Stapel (GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)

Sie wird verwendet, wenn die Chipdichte gering ist und die Chipfläche Platz für Leistungskupfer bietet. Bei diesem Design sind die äußeren Lagen Masseflächen und die beiden inneren Lagen sind Signal- oder Stromversorgungslagen. Verlegen Sie die Stromversorgung auf der Signallage mit breiten Leiterbahnen. Breite Leiterbahnen sorgen für eine niedrige Impedanz des Leistungspfades und eine niedrige Impedanz des Mikrostreifensignals. Die äußeren Masseschichten können die inneren Signale vor Abstrahlung schützen. Aus der Sicht der EMI-Kontrolle ist dies die beste derzeit verfügbare vierlagige Leiterplattenstruktur.

Wichtige Punkte:

• Halten Sie die Abstände zwischen den beiden inneren Mixed-Signal- und Leistungsschichten größer.
• Verlegen Sie die Leitungen orthogonal zwischen diesen Schichten, um Übersprechen zu vermeiden.
• Kontrollieren Sie den Tafelbereich und beachten Sie die 20H-Regel.
• Wenn Sie die Impedanz der Leiterbahn kontrollieren müssen, verlegen Sie die Leiterbahnen sorgfältig unter den Kupferinseln für die Stromversorgung und die Masse.
• Versuchen Sie auch, die Kupferschichten auf den Stromversorgungs- oder Erdungsebenen so weit wie möglich miteinander zu verbinden. Dies sorgt für eine gute Gleichstrom- und Niederfrequenz-Verbindung.

2.3 Sechs-Lagen-Plattenstapel

Für Designs mit hoher Chipdichte und hoher Taktfrequenz sollten Sie sechslagige Platinen in Betracht ziehen. Zwei empfohlene sechslagige Stackups sind wie folgt:

Option 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG

Mit diesem Schema erhalten Sie eine gute Signalintegrität. Jede Signalebene befindet sich neben einer Masseebene. Die Stromversorgungs- und Erdungsebenen sind gepaart. Sie können die Impedanz jeder Routing-Ebene gut kontrollieren. Beide Masseebenen können den magnetischen Fluss gut absorbieren. Bei vollen Stromversorgungs- und Masseebenen hat jede Signalebene einen guten Rückweg.

Option 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND

Diese Option eignet sich für Boards, bei denen die Gerätedichte nicht sehr hoch ist. Sie behält die Vorteile der ersten Option bei. Außerdem sind die oberen und unteren Masseflächen durchgängiger. Sie dienen als gute Abschirmung.

Hinweis: Bringen Sie die Leistungsebene in der Nähe der Seite an, die nicht die Hauptkomponentenfläche ist. Die untere Ebene ist dann vollständiger, und die EMI-Leistung ist besser als bei der ersten Option.

Zusammenfassung für sechslagige Platten:

Halten Sie den Abstand zwischen Leistungs- und Masseflächen so gering wie möglich. Dies führt zu einer guten Kopplung von Leistung und Masse. Bei einer Leiterplattendicke von 62 mil ist der Lagenabstand geringer als bei vierlagigen Optionen. Dennoch ist es nicht einfach, den Hauptabstand zwischen Stromversorgungs- und Masseflächen sehr klein zu halten. Im Vergleich zur zweiten Option ist die erste Option kostengünstiger. Daher wird in der Praxis oft die erste Variante gewählt. Befolgen Sie beim Entwurf die 20H-Regel und die Spiegelschichtregel.

2.4 Acht-Lagen-Plattenstapel

Bei achtlagigen Leiterplatten gibt es viele mögliche Aufbauten. Einige sind schlechter für die EMI, weil sie schlecht absorbieren und eine hohe Leistungsimpedanz aufweisen. Hier sind drei Formen beschrieben:

Typ A (nicht gut)

Diese Form hat eine geringere elektromagnetische Absorption und eine höhere Leistungsimpedanz. Die Reihenfolge der Schichten ist:

• Signal 1: Bauteilseite, Mikrostreifenleiterbahn
• Signal 2: innere Microstrip-Führungsschicht, gute Führungsschicht (X-Richtung)
• Boden
• Signal 3: Stripline-Routing-Schicht, gute Routing-Schicht (Y-Richtung)
• Signal 4: Streifenleitungsverlegung
• Strom
• Signal 5: innere Mikrostreifenleiterbahn
• Signal 6: Microstrip-Routing-Schicht

Diese Form ist keine gute Wahl, da sie keine konsistenten Referenzen für alle Signalebenen bietet. Die Leistungsimpedanz ist hoch und die EMI-Kontrolle ist schwach.

Typ B (Variante mit zusätzlichen Bezugsschichten)

Dies ist eine Variante eines dritten Typs. Durch Hinzufügen von Bezugsschichten wird eine bessere EMI-Leistung erzielt. Die charakteristische Impedanz jeder Signallage kann gut kontrolliert werden. Eine mögliche Reihenfolge ist:

• Signal 1: Komponentenseite, Microstrip-Routing-Layer, guter Routing-Layer
• Boden: gute Wellenabsorption
• Signal 2: Streifenleitungsverlegung, gute Verlegungslage
• Leistung: Diese Leistungsebene und der Boden darunter bilden eine gute elektromagnetische Absorption
• Masse: Grundplatte
• Signal 3: Streifenleitungsverlegung, gute Verlegungslage
• Leistung: diese Leistungsebene hat eine größere Leistungsimpedanz
• Signal 4: Microstrip-Routing-Schicht, gute Routing-Schicht

Typ C (beste Praxis)

Dies ist die beste Stackup-Form. Sie verwendet mehrere Massebezugsebenen. Dies führt zu einer sehr guten elektromagnetischen Absorption. Eine übliche Reihenfolge ist:

• Signal 1: Komponentenseite, Microstrip-Routing-Layer, guter Routing-Layer
• Boden: gute Wellenabsorption
• Signal 2: Streifenleitungsverlegung, gute Verlegungslage
• Leistung: Diese Leistungsebene und der Boden darunter bilden eine hervorragende elektromagnetische Absorption
• Masse: Grundplatte
• Signal 3: Streifenleitungsverlegung, gute Verlegungslage
• Masse: zweite Grundplatte, gute Wellenabsorption
• Signal 4: Microstrip-Routing-Schicht, gute Routing-Schicht

3. Auswahl von Lagenzahl und Stapelung

Die Wahl der Lagenzahl und der Stapelform hängt von vielen Faktoren ab. Dazu gehören: die Anzahl der Signalnetze auf der Leiterplatte, die Bauteildichte, die Stiftdichte, die Signalfrequenzen und die Größe der Leiterplatte. Berücksichtigen Sie alle diese Faktoren zusammen.

Anmerkungen zum Design:

• Wenn es viele Signalnetze gibt, sollten Sie mit mehr Schichten planen.
• Wenn die Bauteildichte hoch ist, wählen Sie mehr Schichten.
• Bei hoher Pindichte sollten Sie mehr Lagen wählen.
• Wenn die Signalfrequenz hoch ist, wählen Sie mehr Schichten.
• Um eine gute EMI-Leistung zu erzielen, sollten Sie sicherstellen, dass jede Signalschicht ihre eigene Bezugsschicht hat. Eine Bezugsebene kann Masse oder Strom sein. Dies trägt zur Impedanzkontrolle bei und sorgt für enge Rückleitungen. Enge Rückleitungen verringern die Schleifenfläche. Ein kleinerer Schleifenbereich verringert die Strahlung und die Empfindlichkeit gegenüber Störungen.

4. Einfache Regeln, die bei allen Entwürfen zu beachten sind

• Geben Sie jeder Routing-Ebene eine nahe gelegene Bezugsebene. Dies hilft bei der Kontrolle von Impedanz und Rückstrom.
• Koppeln Sie Stromversorgungs- und Masseflächen, wenn Sie können. Halten Sie die Abstände klein. Dies erhöht die Kapazität der Ebenen. Hohe Flächenkapazitäten verringern das Rauschen.
• Legen Sie die Grundplatte neben die Signalschicht, die eine dichte Leitungsführung aufweist. Dadurch wird die Strahlung absorbiert und gestoppt.
• Verwenden Sie orthogonales Routing auf benachbarten Signalebenen, um das Übersprechen zu verringern.
• Verwenden Sie breite Leiterbahnen für die Stromversorgungsführung auf gemischten Lagen, um die Impedanz des Stromversorgungspfades niedrig zu halten.
• Verbindungskupfer auf den Stromversorgungs- und Erdungsebenen sorgt für starke Gleichstrom- und Niederfrequenzverbindungen.
• Befolgen Sie die 20H-Regel, wenn Sie die Fläche der Platte festlegen, und beachten Sie die Regeln für das Design von Spiegelebenen.
• Bei Hochgeschwindigkeits- oder High-Density-Designs sind sechs- oder achtlagige Leiterplatten zu bevorzugen, damit jede Signalebene einen engen Bezug hat.
• Für analoge Niederfrequenzdesigns können ein- oder zweilagige Leiterplatten verwendet werden, wenn Sie die Schleifenbereiche klein halten und die Masse in der Nähe der Signale platzieren.
• Wenn möglich, sollten die inneren Stromversorgungs- und Erdungsebenen eng beieinander liegen. Dies verbessert die Entkopplung und verringert die EMI.

5. Schlussbemerkung

Die Wahl des Stackups ist ein Systemgeschäft. Betrachten Sie Netze, Layout, Komponentenplatzierung, Pin-Anzahl und Frequenz auf einmal. Für eine bessere EMI- und Signalkontrolle sollten Sie jeder Signalebene einen eindeutigen Bezugspunkt in der Nähe geben. Verwenden Sie nach Möglichkeit gepaarte Ebenen und enge Ebenenabstände. Verwenden Sie mehrere Masseebenen für eine optimale elektromagnetische Absorption bei mehrlagigen Leiterplatten. Achten Sie beim Entwurf auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Leistung. Befolgen Sie die oben genannten einfachen Regeln und wählen Sie den Stapel, der Ihren Anforderungen entspricht.