1. Βασικές αρχές του σχεδιασμού Stackup
Συνολικά, ο σχεδιασμός στοίβαξης πρέπει να ακολουθεί δύο κανόνες:
- Κάθε επίπεδο δρομολόγησης πρέπει να έχει ένα κοντινό επίπεδο αναφοράς. Το στρώμα αναφοράς μπορεί να είναι ένα επίπεδο ισχύος ή ένα επίπεδο γείωσης.
- Κρατήστε το κύριο επίπεδο ισχύος και το επίπεδο γείωσης όσο το δυνατόν πιο κοντά. Αυτό δίνει μεγαλύτερη χωρητικότητα σύζευξης.
Παρακάτω παρατίθενται παραδείγματα στοίβαξης από πλακέτες δύο στρωμάτων έως πλακέτες οκτώ στρωμάτων.
2. Σχήματα στοίβαξης ανά αριθμό στρώσεων PCB
2.1 Στοίβαξη πλακετών ενός και δύο επιπέδων
Για πλακέτες δύο στρώσεων, ο αριθμός των στρώσεων είναι χαμηλός. Τα προβλήματα συσσώρευσης δεν υφίστανται με τον ίδιο τρόπο που υφίστανται για τις πλακέτες πολλών στρωμάτων. Ο έλεγχος της ακτινοβολίας ΗΜΙ πρέπει να προέρχεται από τη δρομολόγηση και τη διάταξη.
Μονοστρωματικό και οι πλακέτες διπλής στρώσης έχουν αυξανόμενα προβλήματα ΗΜΣ. Η κύρια αιτία είναι ότι οι περιοχές βρόχων σήματος μπορεί να γίνουν μεγάλες. Οι μεγάλες περιοχές βρόχων όχι μόνο δημιουργούν έντονη ακτινοβολία, αλλά καθιστούν επίσης το κύκλωμα ευαίσθητο στον εξωτερικό θόρυβο. Για τη βελτίωση της ΗΜΣ, το απλούστερο βήμα είναι η μείωση της περιοχής βρόχου των βασικών σημάτων.
Βασικά σήματα: Από την άποψη της ΗΜΣ, τα σήματα-κλειδιά είναι εκείνα που προκαλούν ισχυρή ακτινοβολία και εκείνα που είναι ευαίσθητα στον εξωτερικό θόρυβο. Τα σήματα που προκαλούν ισχυρή ακτινοβολία είναι συνήθως περιοδικά σήματα. Σε αυτά περιλαμβάνονται τα ρολόγια και τα σήματα διεύθυνσης χαμηλής τάξης. Τα σήματα που είναι ευαίσθητα στο θόρυβο είναι συνήθως αναλογικά σήματα χαμηλού επιπέδου.
Οι πλακέτες μονής και διπλής στρώσης χρησιμοποιούνται συνήθως σε αναλογικές κατασκευές χαμηλών συχνοτήτων κάτω των 10 kHz. Χρησιμοποιήστε αυτούς τους βασικούς κανόνες:
- Οδηγήστε την ισχύ στο ίδιο επίπεδο με ακτινικό τρόπο όταν μπορείτε. Προσπαθήστε να διατηρήσετε μικρό το συνολικό μήκος των ιχνών.
- Κρατήστε τα ίχνη τροφοδοσίας και γείωσης κοντά το ένα στο άλλο. Τοποθετήστε ένα ίχνος γείωσης δίπλα σε ένα βασικό σήμα. Τοποθετήστε αυτό το ίχνος γείωσης όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σήμα. Αυτό δημιουργεί μια μικρή περιοχή βρόχου. Η μικρή περιοχή βρόχου μειώνει την ακτινοβολία κοινού τρόπου και μειώνει την ευαισθησία του σήματος στον εξωτερικό θόρυβο. Όταν τοποθετείτε ένα ίχνος γείωσης δίπλα στο σήμα, ο μικρός βρόχος θα προσελκύσει το ρεύμα επιστροφής του σήματος. Το ρεύμα του σήματος περνάει τότε μέσα από αυτόν τον μικρό βρόχο και όχι από άλλες διαδρομές γείωσης.
- Για πλακέτα διπλής όψης, τοποθετήστε ένα φαρδύ ίχνος γείωσης στην άλλη πλευρά της πλακέτας ακριβώς κάτω από το ίχνος σήματος. Κάντε αυτό το ίχνος γείωσης όσο το δυνατόν πιο φαρδύ. Αυτό δημιουργεί μια περιοχή βρόχου που ισούται με το πάχος της πλακέτας επί το μήκος του σήματος.
2.2 Στοίβαξη πλακετών τεσσάρων στρωμάτων
Οι συνήθεις συσσωρεύσεις τεσσάρων στρωμάτων περιλαμβάνουν:
- SIG - GND (ή PWR) - PWR (ή GND) - SIG
- GND - SIG (ή PWR) - SIG (ή PWR) - GND
Και για τις δύο αυτές συστοιχίες, υπάρχει ένα πιθανό πρόβλημα με το τυπικό πάχος της πλακέτας των 1,6 mm (62 mil). Η απόσταση μεταξύ των στρώσεων γίνεται μεγάλη. Οι μεγάλες αποστάσεις καθιστούν δύσκολο τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης, της σύζευξης στρώσεων και της θωράκισης. Ειδικότερα, εάν η απόσταση μεταξύ των επιπέδων ισχύος και γείωσης είναι μεγάλη, η χωρητικότητα της πλακέτας πέφτει. Η χαμηλή χωρητικότητα της πλακέτας δεν είναι καλή για το φιλτράρισμα του θορύβου.
Για την πρώτη στοίβαξη (SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)
Οι άνθρωποι το χρησιμοποιούν συχνά όταν υπάρχουν πολλές μάρκες στο ταμπλό. Αυτή η στοίβαξη παρέχει καλή ακεραιότητα σήματος. Η απόδοση της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής δεν είναι τόσο καλή. Πρέπει να ελέγχετε την ΗΜΙ με προσεκτική δρομολόγηση και άλλες λεπτομέρειες.
Βασικά σημεία:
- Τοποθετήστε το επίπεδο γείωσης δίπλα στο στρώμα σήματος που έχει την πιο πυκνή δρομολόγηση. Αυτό συμβάλλει στην απορρόφηση και τη μείωση της ακτινοβολίας.
- Αυξήστε επίσης την περιοχή του σκάφους. Ακολουθήστε τον κανόνα 20H.
Για τη δεύτερη στοίβαξη (GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)
Οι άνθρωποι το χρησιμοποιούν όταν η πυκνότητα των τσιπ είναι χαμηλή και όταν η περιοχή των τσιπ έχει χώρο για χύτευση χαλκού ισχύος. Σε αυτή τη σχεδίαση, τα εξωτερικά στρώματα είναι επίπεδα γείωσης και τα δύο εσωτερικά στρώματα είναι σήματος ή ισχύος. Οδηγήστε την ισχύ στο στρώμα σήματος με πλατιά ίχνη. Τα φαρδιά ίχνη καθιστούν χαμηλή την αντίσταση της διαδρομής ισχύος και χαμηλή την αντίσταση του σήματος μικροταινίας. Τα εξωτερικά στρώματα γείωσης μπορούν να θωρακίσουν τα εσωτερικά σήματα από την ακτινοβολία. Από άποψη ελέγχου ΗΜΙ, αυτή είναι η καλύτερη δομή PCB τεσσάρων στρωμάτων που υπάρχει τώρα.
Βασικά σημεία:
- Διατηρήστε μεγαλύτερες τις αποστάσεις μεταξύ των δύο εσωτερικών στρωμάτων μικτού σήματος και ισχύος.
- Κάντε τις κατευθύνσεις δρομολόγησης ορθογώνιες μεταξύ αυτών των στρωμάτων για να αποφύγετε τη διασταύρωση.
- Ελέγξτε την περιοχή του πίνακα και ακολουθήστε τον κανόνα 20H.
- Εάν πρέπει να ελέγξετε την αντίσταση δρομολόγησης, τοποθετήστε προσεκτικά ίχνη κάτω από τις χάλκινες νησίδες τροφοδοσίας και γείωσης.
- Επίσης, προσπαθήστε να διασυνδέσετε όσο το δυνατόν περισσότερο τις χάλκινες χείμαρροι στα στρώματα ισχύος ή γείωσης. Αυτό δίνει καλή συνδεσιμότητα DC και χαμηλών συχνοτήτων.
2.3 Στοίβαξη πλακετών έξι επιπέδων
Για σχέδια με υψηλή πυκνότητα τσιπ και υψηλή ταχύτητα ρολογιού, εξετάστε το ενδεχόμενο πλακέτες έξι στρώσεων. Δύο συνιστώμενες συστοιχίες έξι στρωμάτων είναι οι ακόλουθες:
Επιλογή 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
Με αυτό το σχήμα, έχετε καλή ακεραιότητα σήματος. Κάθε στρώμα σήματος βρίσκεται δίπλα σε ένα επίπεδο γείωσης. Τα επίπεδα ισχύος και γείωσης είναι ζευγαρωμένα. Μπορείτε να ελέγξετε καλά την αντίσταση κάθε στρώματος δρομολόγησης. Και τα δύο επίπεδα γείωσης μπορούν να απορροφήσουν καλά τη μαγνητική ροή. Με πλήρη επίπεδα ισχύος και γείωσης, κάθε στρώμα σήματος έχει μια καλή διαδρομή επιστροφής.
Επιλογή 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND
Αυτή η επιλογή ταιριάζει σε πίνακες όπου η πυκνότητα των συσκευών δεν είναι πολύ υψηλή. Διατηρεί τα πλεονεκτήματα της πρώτης επιλογής. Επίσης, οι άνω και κάτω επιφάνειες γείωσης είναι πιο συνεχείς. Λειτουργούν ως καλές θωρακίσεις.
Σημείωση: Τοποθετήστε το επίπεδο ισχύος κοντά στην πλευρά που δεν είναι η κύρια πλευρά του εξαρτήματος. Το κάτω επίπεδο θα είναι τότε πιο πλήρες και η απόδοση ΗΜΙ θα είναι καλύτερη από την πρώτη επιλογή.
Σύνοψη για πλακέτες έξι στρώσεων:
Διατηρήστε την απόσταση μεταξύ των επιπέδων ισχύος και γείωσης όσο το δυνατόν μικρότερη. Έτσι επιτυγχάνεται καλή σύζευξη ισχύος-γείωσης. Σε μια πλακέτα πάχους 62 mil, η απόσταση στρώσεων είναι μικρότερη από τις επιλογές τεσσάρων στρώσεων. Παρόλα αυτά, δεν είναι εύκολο να κάνετε την κύρια απόσταση ισχύος και γείωσης πολύ μικρή. Σε σύγκριση με τη δεύτερη επιλογή, η πρώτη επιλογή κοστίζει λιγότερο. Έτσι, συχνά επιλέγουμε την πρώτη μορφή για πρακτική στοίβαξη. Ακολουθήστε τον κανόνα 20H και τον κανόνα του στρώματος καθρέφτη στο σχεδιασμό.
2.4 Στοίβαξη πλακετών οκτώ επιπέδων
Οι πλακέτες οκτώ στρώσεων έχουν πολλές πιθανές στοιβάξεις. Ορισμένες είναι χειρότερες για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία λόγω της κακής απορρόφησης και της μεγάλης αντίστασης ισχύος. Εδώ περιγράφονται τρεις μορφές:
Τύπος Α (όχι καλό)
Αυτή η μορφή έχει χαμηλότερη ηλεκτρομαγνητική απορρόφηση και μεγαλύτερη αντίσταση ισχύος. Η σειρά των στρωμάτων της είναι:
- Σήμα 1: πλευρά εξαρτήματος, στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας
- Σήμα 2: εσωτερικό στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας, καλό στρώμα δρομολόγησης (κατεύθυνση Χ)
- Γήπεδο
- Σήμα 3: στρώμα δρομολόγησης γραμμής, καλό στρώμα δρομολόγησης (κατεύθυνση Y)
- Σήμα 4: στρώμα δρομολόγησης γραμμής
- Ισχύς
- Signal 5: inner microstrip routing layer
- Signal 6: microstrip routing layer
This form is not a good choice because it does not provide consistent references for all signal layers. Power impedance is high and EMI control is weak.
Type B (variant with added reference layers)
This is a variant of a third type. By adding reference layers it gets better EMI performance. The characteristic impedance of each signal layer can be well controlled. One possible order is:
- Signal 1: component side, microstrip routing layer, good routing layer
- Ground: good wave absorption
- Signal 2: stripline routing layer, good routing layer
- Power: this power plane and the ground below it form good electromagnetic absorption
- Ground: ground plane
- Signal 3: stripline routing layer, good routing layer
- Power: this power plane has larger power impedance
- Signal 4: microstrip routing layer, good routing layer
Type C (best practice)
This is the best stackup form. It uses multiple ground reference planes. This gives very good electromagnetic absorption. A common order is:
- Signal 1: component side, microstrip routing layer, good routing layer
- Ground: good wave absorption
- Signal 2: stripline routing layer, good routing layer
- Power: this power plane and the ground below it form excellent electromagnetic absorption
- Ground: ground plane
- Signal 3: stripline routing layer, good routing layer
- Ground: second ground plane, good wave absorption
- Signal 4: microstrip routing layer, good routing layer
3. How to Choose Layer Count and Stackup
Choose the number of layers and the stackup form based on many factors. These include: the number of signal nets on the board, component density, pin density, signal frequencies, and board size. Consider all of these together.
Σημειώσεις σχεδιασμού:
- If there are many signal nets, design with more layers.
- If component density is high, choose more layers.
- If pin density is high, choose more layers.
- If signal frequency is high, choose more layers.
- To get good EMI performance, try to make sure every signal layer has its own reference layer. A reference layer can be ground or power. This helps control impedance and gives tight return paths. Tight return paths lower loop area. Lower loop area reduces radiation and sensitivity to interference.
4. Simple Rules to Follow in All Designs
- Give each routing layer a nearby reference plane. This helps control impedance and return current.
- Pair power and ground planes when you can. Keep the spacing small. This increases plane capacitance. High plane capacitance lowers noise.
- Put the ground plane next to the signal layer that has dense routing. This helps absorb and stop radiation.
- Use orthogonal routing on adjacent signal layers to lower crosstalk.
- Use wide traces for power routing on mixed layers to keep power path impedance low.
- Interconnect copper pours on power and ground planes to get strong DC and low-frequency connections.
- Follow the 20H rule when you set board area and keep mirror layer design rules in mind.
- In high speed or high density designs, prefer six-layer or eight-layer boards so each signal layer can have a close reference.
- For low frequency analog designs, one- or two-layer boards can work if you keep loop areas small and place ground near signals.
- When you can, make inner power and ground planes close. This improves decoupling and reduces EMI.
5. Closing Note
Stackup choice is a system trade. Look at nets, layout, component placement, pin count, and frequency all at once. For better EMI and signal control, give each signal layer a clear nearby reference. Use paired planes and narrow plane spacing when possible. Use multiple ground planes for best electromagnetic absorption in many-layer boards. When you design, balance cost and performance. Follow the simple rules above and choose the stackup that fits your board needs.
