I. Επισκόπηση του προσδιορισμού του αριθμού στρώσεων PCB

Ο συνολικός αριθμός των στρωμάτων PCB δεν είναι σταθερός από την αρχή. Οι μηχανικοί αποφασίζουν τον αριθμό των στρώσεων με βάση τις ανάγκες της πλακέτας. Οι συνολικές στρώσεις προκύπτουν από τον αριθμό των στρώσεων σήματος συν τον αριθμό των επιπέδων ισχύος και γείωσης. Οι μηχανικοί εξετάζουν τη διάταξη της πλακέτας, τους τύπους εξαρτημάτων και τις ηλεκτρικές ανάγκες. Στη συνέχεια σχεδιάζουν πόσες στρώσεις σήματος χρειάζονται και πόσες στρώσεις ισχύος/γείωσης χρειάζονται. Το σχέδιο αποσκοπεί στην εύκολη δρομολόγηση, στον έλεγχο της ποιότητας του σήματος και στην τήρηση των ορίων κόστους.

II. Σχεδιασμός ισχύος και επίγειων στρωμάτων

A. Πώς να επιλέξετε τον αριθμό των στρωμάτων ισχύος

Ο αριθμός των επιπέδων τροφοδοσίας καθορίζεται κυρίως από τα εξής σημεία: πόσες διαφορετικές ράγες τροφοδοσίας χρειάζεται η πλακέτα, πώς κατανέμονται αυτές οι ράγες στην πλακέτα, πόσο ρεύμα πρέπει να μεταφέρει κάθε ράγα, ποιοι είναι οι στόχοι απόδοσης της πλακέτας και τα όρια κόστους για μια πλακέτα. Επιλέγετε τον αριθμό των επιπέδων τροφοδοσίας έτσι ώστε κάθε σημαντική ράγα τροφοδοσίας να έχει ένα κατάλληλο επίπεδο ή μια καλά καθορισμένη περιοχή επιπέδου. Πρέπει επίσης να βεβαιωθείτε ότι τα επίπεδα ισχύος δεν επικαλύπτονται με τρόπο που να προκαλεί διασταυρούμενη συνομιλία ή να δημιουργεί διαιρεμένα επίπεδα που βλάπτουν την απόδοση.

Δύο κανόνες για τη διάταξη του αεροπλάνου ισχύος είναι σημαντικοί:

Τα δίκτυα ισχύος δεν πρέπει να αναμειγνύονται στο ίδιο επίπεδο με τρόπο που να προκαλεί παρεμβολές. Εν ολίγοις, αποφύγετε τα δίκτυα ισχύος που διαπλέκονται σε ένα φυσικό επίπεδο.

Αποφύγετε τη διοχέτευση σημαντικών σημάτων μέσω διαχωρισμών σε γειτονικά επίπεδα. Εάν ένα σήμα πρέπει να διασχίσει μια διάσπαση, το επίπεδο αναφοράς του σήματος μπορεί να σπάσει. Αυτό σπάει τις διαδρομές ρεύματος επιστροφής και βλάπτει την ακεραιότητα του σήματος. Επομένως, οργανώστε τις στοίβες επιπέδων έτσι ώστε τα σημαντικά σήματα να μην διασχίζουν τις διαχωριστικές γραμμές.

B. Πώς να επιλέξετε τον αριθμό των στρωμάτων εδάφους

Όταν ορίζετε στρώματα εδάφους, δώστε προσοχή σε αυτά τα σημεία:

Το στρώμα ακριβώς κάτω από την πλευρά του κύριου εξαρτήματος θα πρέπει να έχει ως επί το πλείστον συνεχές επίπεδο γείωσης. Αυτό βοηθά στην επιστροφή του ρεύματος και μειώνει το θόρυβο για τα εξαρτήματα στην επάνω πλευρά.

Τα σήματα υψηλής ταχύτητας, τα δίκτυα υψηλής συχνότητας και τα δίκτυα ρολογιού πρέπει να αναφέρονται σε ένα στερεό επίπεδο γείωσης. Το ρεύμα επιστροφής τους ρέει σε αυτό το επίπεδο. Εάν το επίπεδο είναι σπασμένο, τα σήματα δέχονται θόρυβο και ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.

Τα κύρια επίπεδα ισχύος και τα επίπεδα γείωσης πρέπει να είναι στενά και καλά συνδεδεμένα. Η στενή σύζευξη μειώνει την αντίσταση του επιπέδου και βοηθά στην ακεραιότητα της ισχύος. Η χαμηλή σύνθετη αντίσταση βοηθά στη μείωση της κυμάτωσης και παρέχει σταθερή ισχύ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Στην πράξη, μια σχεδίαση με πολλά γρήγορα δίκτυα θα χρειαστεί περισσότερα επίπεδα γείωσης ή τουλάχιστον ένα ζεύγος επιπέδων ισχύος και γείωσης κοντά το ένα στο άλλο. Αυτό δίνει καλύτερη αποσύνδεση και ευκολότερο έλεγχο της σύνθετης αντίστασης.

III. Προγραμματισμός του αριθμού των επιπέδων σήματος

A. Κανάλια δρομολόγησης και γιατί έχουν σημασία

Τα κανάλια δρομολόγησης συχνά καθορίζουν πόσα επίπεδα σήματος χρειάζεστε. Ξεκινήστε αναζητώντας βαθιές BGA ή μεγάλους συνδετήρες στην πλακέτα. Το βάθος BGA και το βήμα των ακροδεκτών BGA είναι το κλειδί για το πόσα στρώματα διαφυγής χρειάζεστε. Για παράδειγμα, μια BGA με βήμα 1,0 mm συχνά επιτρέπει δύο ίχνη μεταξύ δύο vias. Μια BGA με βήμα 0,8 mm συχνά επιτρέπει μόνο ένα ίχνος μεταξύ δύο vias. Αυτή η διαφορά αλλάζει το πόσες στρώσεις δρομολόγησης πρέπει να έχετε.

Εάν ένα BGA επιτρέπει δύο ίχνη μεταξύ δύο vias, η διαφυγή BGA μπορεί να μοιράζεται δύο στρώματα δρομολόγησης. Εάν μια BGA επιτρέπει μόνο ένα ίχνος μεταξύ δύο vias, η διαφυγή μπορεί να χρειαστεί έως και τέσσερα στρώματα δρομολόγησης για να δρομολογήσει όλα τα δίκτυα. Συνεπώς, το βήμα BGA και η γεωμετρία fanout είναι κεντρικής σημασίας για τον σχεδιασμό στρώσεων.

Οι σύνδεσμοι είναι διαφορετικοί. Για τους συνδέσμους, ο κύριος παράγοντας είναι το βάθος και η απόσταση των ακίδων. Συνήθως, μεταξύ δύο διακένων συνδετήρων δρομολογείτε ένα διαφορικό ζεύγος. Αυτός ο γενικός κανόνας σας βοηθάει να υπολογίσετε πόσα κανάλια χρειάζεστε για τις περιοχές των συνδέσμων.

B. Δίκτυα υψηλών ταχυτήτων και ανάγκες καναλιών δρομολόγησης

Στη συνέχεια, εξετάστε υψηλής ταχύτητας σήματα. Η δρομολόγηση υψηλής ταχύτητας απαιτεί περισσότερες συνθήκες. Πρέπει να σκεφτείτε τα stubs, την απόσταση των ιχνών και τα επίπεδα αναφοράς. Τα δίκτυα υψηλών ταχυτήτων είναι ευαίσθητα στον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης και στο ρεύμα επιστροφής. Ελέγξτε λοιπόν αν τα κανάλια δρομολόγησης για αυτά τα δίκτυα είναι αρκετά ευρεία και καθαρά.

Κατά το σχεδιασμό, προσδιορίστε ποια δίχτυα είναι υψηλής ταχύτητας. Δώστε τους προτεραιότητα στη δρομολόγηση. Διατηρήστε κανάλια που επιτρέπουν την κατάλληλη απόσταση και την ελεγχόμενη αντίσταση. Λάβετε επίσης υπόψη σας τα διαφορικά ζεύγη. Οι διαφορικές γραμμές χρειάζονται προσαρμοσμένα μήκη και στενή σύζευξη με την αναφορά τους. Για τα ζεύγη υψηλής ταχύτητας, διατηρήστε σταθερή απόσταση από το επίπεδο αναφοράς και κρατήστε τα ζεύγη μακριά από θορυβώδη δίκτυα.

C. Περιοχές στενότητας ή συμφόρησης

Τέλος, σχεδιάστε τις περιοχές συμφόρησης στον πίνακα. Μετά τη βασική τοποθέτηση και τον συνολικό σχεδιασμό δρομολόγησης, βρείτε στενές περιοχές όπου πολλά δίκτυα πρέπει να περάσουν από ένα μικρό κενό. Αυτά είναι τα σημεία ασφυξίας. Για κάθε σημείο συμφόρησης, μετρήστε τον αριθμό των απαιτούμενων ιχνών, διαφορικών ζευγών και ευαίσθητων δικτύων. Στη συνέχεια, αποφασίστε τον αριθμό των στρώσεων που απαιτούνται ώστε όλες οι απαιτούμενες γραμμές να μπορούν να περάσουν από αυτή την περιοχή.

Κάντε το βήμα προς βήμα:

Σημειώστε την περιοχή συμφόρησης.

Καταγράψτε όλα τα δίκτυα που πρέπει να περάσουν από αυτό.

Συμπεριλάβετε διαφορικά ζεύγη και κρίσιμα σήματα στον κατάλογο.

Υπολογίστε τον αριθμό των τροχιών που χωράνε ανά στρώμα δρομολόγησης σε αυτό το κενό.

Πολλαπλασιάστε με τον αριθμό των επιπέδων δρομολόγησης που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για τη συγκεκριμένη περιοχή.

Αυτό δίνει το συνολικό αριθμό των κομματιών που μπορούν να περάσουν. Εάν ο αριθμός αυτός είναι μικρότερος από τον αριθμό των απαιτούμενων δικτύων, προσθέστε στρώματα δρομολόγησης ή αλλάξτε την τοποθέτηση για να μειώσετε τη συμφόρηση.

IV. Παραδείγματα και απλοί κανόνες

A. Παραδείγματα διαφυγής BGA

Εάν μπορείτε να δρομολογήσετε δύο ίχνη μεταξύ δύο vias σε ένα BGA, μπορείτε συχνά να χρησιμοποιήσετε δύο στρώματα δρομολόγησης για τη διαφυγή BGA. Αυτή είναι μια συνηθισμένη περίπτωση για τις συσκευασίες BGA με βήμα 1,0 mm.

Εάν μπορείτε να δρομολογήσετε μόνο ένα ίχνος μεταξύ δύο vias, μπορεί να χρειαστείτε τέσσερα στρώματα δρομολόγησης για να δρομολογήσετε όλες τις ακίδες BGA. Αυτό συμβαίνει συχνά με BGA με μικρότερο βήμα, όπως 0,8 mm.

B. Παράδειγμα δρομολόγησης συνδέσμου

Για πολλούς συνδετήρες, υποθέστε ότι μπορείτε να δρομολογήσετε ένα διαφορικό ζεύγος ανά δύο vias. Χρησιμοποιήστε αυτό για να διαστασιολογήσετε τα κανάλια δρομολόγησης κοντά στον σύνδεσμο. Εάν ο συνδετήρας έχει πολλές λωρίδες, χρειάζεστε περισσότερα στρώματα δρομολόγησης ή διαφορετικό αποτύπωμα συνδετήρα.

C. Παράδειγμα σήματος υψηλής ταχύτητας

Για ένα διαφορικό ζεύγος MIPI ή USB, πρέπει να διατηρήσετε το ζεύγος κοντά στο επίπεδο αναφοράς του και να διατηρήσετε την απόσταση του ζεύγους και το πλάτος του ίχνους σωστά για την αντίσταση στόχου. Εάν το κανάλι δρομολόγησης είναι στενό, μπορεί να χρειαστείτε περισσότερα στρώματα για να διατηρήσετε τη διάταξη καθαρή και να επιτύχετε τους στόχους σύνθετης αντίστασης.

V. Περισσότερα για τον σχεδιασμό της ακεραιότητας σήματος και της κατασκευασιμότητας

A. Διατηρήστε τη διαδρομή επιστροφής σύντομη και τοπική

Σχεδιάζετε πάντα τα στρώματα σήματος έτσι ώστε το ρεύμα επιστροφής να μπορεί να ρέει σε ένα κοντινό επίπεδο γείωσης. Όταν ένα στρώμα σήματος βρίσκεται δίπλα σε ένα επίπεδο γείωσης, η διαδρομή επιστροφής είναι σύντομη και η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή είναι χαμηλή. Εάν τοποθετήσετε ένα στρώμα σήματος μεταξύ δύο μικτών επιπέδων ή κοντά σε ένα διαιρεμένο επίπεδο, η διαδρομή επιστροφής δεν είναι τοπική. Αυτό προκαλεί περισσότερη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και μπορεί να βλάψει την ακεραιότητα του σήματος.

B. Παρακολουθήστε χωρισμένα επίπεδα και ραφές

Εάν πρέπει να χωρίσετε ένα αεροπλάνο, δρομολογήστε τα ευαίσθητα σήματα έτσι ώστε να μην διασχίζουν τη διάσπαση. Εάν ένα δίκτυο υψηλής ταχύτητας πρέπει να διασχίσει μια διάσπαση επιπέδου, παρέχετε μια σαφή επιστροφή μέσω ή συρραφή για να διατηρήσετε τη διαδρομή επιστροφής συνεπή. Χρησιμοποιήστε συρραφή via και vias γείωσης κοντά στα άκρα της διάσπασης για να μειώσετε την περιοχή βρόχου.

C. Διατηρήστε τα ζεύγη ισχύος/γείωσης κοντά στη στοίβα

Όταν τοποθετείτε ένα επίπεδο ισχύος δίπλα σε ένα επίπεδο γείωσης, το ζεύγος σχηματίζει έναν πυκνωτή. Αυτό συμβάλλει στην αποσύνδεση της ισχύος και στη μείωση της αντίστασης του επιπέδου. Αυτό είναι πολύ χρήσιμο για την ακεραιότητα ισχύος. Αν έχετε πολλαπλές ράγες ισχύος, προσπαθήστε να τις ομαδοποιήσετε σε ζευγαρωτές στοίβες ή χρησιμοποιήστε χωριστά επίπεδα μόνο όταν ελέγχετε τη δρομολόγηση για να αποφύγετε μεγάλες διαδρομές επιστροφής.

D. Εξετάστε τους κανόνες κατασκευασιμότητας νωρίς

Ορίστε τα όρια DFM στην αρχή. Καθορίστε το ελάχιστο πλάτος ίχνους, την ελάχιστη απόσταση ίχνους, τον ελάχιστο δακτύλιο δακτυλίου και το ελάχιστο μέγεθος τρυπανιού. Ταιριάξτε τους κανόνες σχεδιασμού σας με αυτό που μπορεί να κατασκευάσει αξιόπιστα το εργοστάσιο. Αν σχεδιάζετε πολύ λεπτά ίχνη ή πολύ μικρά vias, ελέγξτε αν ο προμηθευτής μπορεί να τα χειριστεί και πώς θα αλλάξει το κόστος.

VI. Ο υπολογισμός της συμφόρησης με περισσότερες λεπτομέρειες

A. Πώς να μετράτε τις λωρίδες σε ένα κενό

Μετρήστε το πλάτος του κενού στην περιοχή συμφόρησης.

Χρησιμοποιήστε το σχεδιαζόμενο πλάτος και την απόσταση των ιχνών σας για να υπολογίσετε πόσα single-ended tracks χωράνε σε μια στρώση. Για διαφορικά ζεύγη, υπολογίστε πόσα ζεύγη χωράνε με βάση το βήμα ζεύγους.

Υπολογίστε τις περιοχές αποφυγής και τα vias που μπλοκάρουν τις διαδρομές. Μειώστε το ωφέλιμο πλάτος κατά το χώρο που καταλαμβάνουν τα πεδία διέλευσης ή οι μηχανικές οπές.

B. Αποφασίστε τον αριθμό των στρώσεων από τη χωρητικότητα του κενού

Εάν ένα στρώμα μπορεί να μεταφέρει τα απαραίτητα κομμάτια, είστε εντάξει.

Εάν όχι, προσθέστε ένα άλλο επίπεδο δρομολόγησης και ελέγξτε ξανά.

Εάν η προσθήκη στρωμάτων δεν είναι δυνατή, εξετάστε το ενδεχόμενο μετακίνησης εξαρτημάτων, αλλαγής του συνδετήρα ή αλλαγής της στρατηγικής ανεμιστήρα BGA.

VII. Όλα μαζί - πρακτική ροή για το σχεδιασμό στρώματος

Βήμα 1. Κατάλογος περιορισμών και στόχων

Καταρτίστε έναν σύντομο κατάλογο: αριθμός BGAs και το βήμα τους, αριθμός συνδέσμων, αριθμός δικτύων υψηλής ταχύτητας, κατάλογος ραγών τροφοδοσίας, στόχοι επιδόσεων και στόχος κόστους.

Βήμα 2. Σχεδιάστε ένα προκαταρκτικό stack-up

Ξεκινήστε με τα απαραίτητα επίπεδα ισχύος και γείωσης κοντά στο κέντρο. Τοποθετήστε στρώματα σήματος γύρω από αυτά. Χρησιμοποιήστε ζεύγη ισχύος/γείωσης όπου χρειάζεστε χαμηλή αντίσταση.

Βήμα 3. Ελέγξτε τις ανάγκες διαφυγής BGA

Ελέγξτε κάθε BGA. Εάν χρειάζεστε περισσότερες λωρίδες διαφυγής, προσθέστε στρώματα σήματος ή αλλάξτε το αποτύπωμα του BGA.

Βήμα 4. Έλεγχος των καναλιών δρομολόγησης υψηλής ταχύτητας

Σημειώστε όλα τα δίχτυα υψηλής ταχύτητας. Διατηρήστε κανάλια δρομολόγησης γι' αυτά. Εάν τα κανάλια είναι στενά, προσθέστε στρώματα ή αλλάξτε την τοποθέτηση.

Βήμα 5. Έλεγχος σημείων συμφόρησης

Μετρήστε τη χωρητικότητα κάθε στενού κενού. Εάν η χωρητικότητα δεν επαρκεί, προσθέστε στρώματα ή μετακινήστε πράγματα.

Βήμα 6. Οριστικοποίηση του stack-up και των κανόνων

Διορθώστε τη στοίβαξη. Ορίστε πλάτη ιχνών, αποστάσεις και στόχους σύνθετης αντίστασης. Βεβαιωθείτε ότι ο σχεδιασμός ακολουθεί το DFM.

Βήμα 7. Επικύρωση με τους μηχανικούς και τον κατασκευαστή

Επανεξετάστε το stack-up με τον κατασκευαστή PCB και με τους μηχανικούς ακεραιότητας σήματος. Ζητήστε έγκαιρα σχόλια και προσαρμογή.

VIII. Σύντομη περίληψη

Ο σχεδιασμός των επιπέδων είναι ένας συνδυασμός ηλεκτρικών αναγκών και πρακτικής δρομολόγησης. Σχεδιάζετε τα στρώματα ισχύος και γείωσης έτσι ώστε η ισχύς να είναι σταθερή και οι διαδρομές επιστροφής σύντομες. Σχεδιάζετε στρώματα σήματος με βάση τα κανάλια δρομολόγησης, το βήμα BGA, το βάθος του συνδετήρα και τις περιοχές συμφόρησης. Αν σχεδιάζετε καλά, η δρομολόγηση θα είναι ευκολότερη και πιο αξιόπιστη. Με μια απλή άποψη, ο σχεδιασμός PCB είναι σαν να χτίζετε ένα ψηλό κτίριο. Το σχέδιο στρώσεων είναι το σχέδιο. Εάν το σχέδιο είναι σωστό, η κατασκευή προχωράει ομαλά.