۱. مروری بر تعیین تعداد لایه‌های PCB

تعداد کل لایه‌های PCB در ابتدا ثابت نیست. مهندسان بر اساس نیازهای برد، تعداد لایه‌ها را تعیین می‌کنند. کل لایه‌ها از مجموع تعداد لایه‌های سیگنال به‌علاوه تعداد پلن‌های تغذیه و زمین به‌دست می‌آید. مهندسان به چیدمان برد، نوع قطعات و نیازهای الکتریکی آن توجه می‌کنند. سپس برنامه‌ریزی می‌کنند که چه تعداد لایه سیگنال و چه تعداد لایه تغذیه/زمین لازم است. هدف این برنامه آسان‌سازی مسیریابی، کنترل کیفیت سیگنال و رعایت محدودیت‌های هزینه است.

II. برنامه‌ریزی لایه‌های توان و زمین

الف. چگونه تعداد لایه‌های قدرت را انتخاب کنیم

تعداد لایه‌های تغذیه عمدتاً بر اساس این موارد تعیین می‌شود: تعداد خطوط تغذیه مختلف مورد نیاز برد، نحوه توزیع این خطوط در سراسر برد، میزان جریانی که هر خط باید حمل کند، اهداف عملکردی برد و محدودیت‌های هزینه برای یک برد واحد. شما تعداد لایه‌های تغذیه را طوری انتخاب می‌کنید که هر خط تغذیه اصلی یک لایه مناسب یا یک ناحیه لایه کاملاً مشخص داشته باشد. همچنین باید اطمینان حاصل کنید که صفحات قدرت به گونه‌ای روی هم سوار نشوند که باعث ایجاد تداخل (cross-talk) یا ایجاد صفحات تقسیم‌شده (split planes) شوند که به عملکرد آسیب می‌رسانند.

دو قاعده برای چیدمان صفحهٔ قدرت مهم هستند:

شبکه‌های برق نباید در یک سطح به‌گونه‌ای قرار گیرند که باعث تداخل شوند. به‌طور خلاصه، از شبکه‌های برق که به‌صورت درهم‌تنیده روی یک سطح فیزیکی قرار دارند، اجتناب کنید.

اجتناب کنید از عبور دادن سیگنال‌های مهم از شکاف‌ها در صفحات مجاور. اگر سیگنالی مجبور باشد از یک شکاف عبور کند، صفحه مرجع آن سیگنال ممکن است شکسته شود. این امر مسیرهای جریان بازگشت را قطع می‌کند و به یکپارچگی سیگنال آسیب می‌رساند. بنابراین، چیدمان صفحه‌ها را طوری تنظیم کنید که سیگنال‌های مهم از شکاف‌ها عبور نکنند.

ب. چگونه تعداد لایه‌های زمین را انتخاب کنیم

هنگام تنظیم لایه‌های زمین، به این نکات توجه کنید:

لایه درست زیر سمت مؤلفه اصلی باید عمدتاً یک صفحه زمین پیوسته داشته باشد. این به بازگشت جریان کمک می‌کند و نویز قطعات روی سطح بالایی را کاهش می‌دهد.

سیگنال‌های با سرعت بالا، شبکه‌های فرکانس بالا و شبکه‌های کلاک باید به یک پله‌ی زمین محکم ارجاع داده شوند. جریان بازگشت آن‌ها روی آن صفحه جریان می‌یابد. اگر آن صفحه قطع شود، سیگنال‌ها دچار نویز و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) می‌شوند.

پلاین‌های اصلی تغذیه و زمین باید نزدیک و به‌خوبی به هم متصل باشند. اتصال تنگ، امپدانس پل را کاهش داده و به یکپارچگی توان کمک می‌کند. امپدانس پایین به کاهش ریپل کمک کرده و توان پایداری را به مدارهای مجتمع (ICها) فراهم می‌آورد.

در عمل، یک طراحی با شبکه‌های سریع متعدد به پله‌های زمین بیشتری نیاز دارد یا دست‌کم به یک جفت پله‌های تغذیه و زمین در نزدیکی یکدیگر. این امر جداسازی بهتری فراهم می‌کند و کنترل امپدانس را آسان‌تر می‌سازد.

III. برنامه‌ریزی تعداد لایه‌های سیگنال

الف. کانال‌های مسیریابی و اهمیت آن‌ها

مسیرهای عبور سیگنال اغلب تعیین می‌کنند که به چند لایه سیگنال نیاز دارید. ابتدا به دنبال BGAهای عمیق یا کانکتورهای بزرگ روی برد بگردید. عمق BGA و فاصله‌ی پین‌های آن کلید تعیین تعداد لایه‌های فرار است. برای مثال، یک BGA با فاصله‌ی 1.0 میلی‌متر معمولاً اجازه می‌دهد دو مسیر بین دو ویای متوالی قرار گیرد. یک BGA با فاصله‌ی 0.8 میلی‌متر اغلب تنها یک مسیر بین دو ویای متوالی امکان‌پذیر می‌سازد. این تفاوت تعداد لایه‌های مسیریابی مورد نیاز را تغییر می‌دهد.

اگر یک BGA اجازه دهد دو مسیر بین دو ویای وجود داشته باشد، مسیر خروجی BGA می‌تواند در دو لایه مسیریابی مشترک شود. اگر یک BGA تنها یک مسیر بین دو ویای مجاز کند، ممکن است برای مسیریابی همه شبکه‌ها تا چهار لایه مسیریابی نیاز باشد. بنابراین، فاصله‌ی نقاط اتصال (pitch) و هندسهٔ فن‌آوت BGA در برنامه‌ریزی لایه‌ها نقش محوری دارند.

کانکتورها متفاوت هستند. برای کانکتورها، عامل اصلی عمق و فاصله بین پین‌ها است. معمولاً بین دو ویای کانکتور یک جفت دیفرانسیل مسیریابی می‌کنید. این قاعدهٔ سرانگشتی به شما کمک می‌کند تا تخمین بزنید برای نواحی کانکتور به چند کانال نیاز دارید.

B. نیازهای شبکه‌های پرسرعت و کانال‌های مسیریابی

سپس، در نظر بگیرید سریع‌السیر سیگنال‌ها. مسیریابی با سرعت بالا نیازمند شرایط بیشتری است. باید به استاب‌ها، فاصلهٔ ردگیری و سطوح مرجع فکر کنید. شبکه‌های با سرعت بالا به کنترل امپدانس و جریان بازگشت حساس هستند. بنابراین بررسی کنید که کانال‌های مسیریابی آن شبکه‌ها به اندازهٔ کافی عریض و باز باشند.

در هنگام برنامه‌ریزی، مشخص کنید کدام شبکه‌ها پرسرعت هستند. در مسیریابی به آن‌ها اولویت دهید. کانال‌هایی را رزرو کنید که فاصله‌ی مناسب و امپدانس کنترل‌شده را فراهم کنند. همچنین جفت‌های تفاضلی را مدنظر داشته باشید. خطوط تفاضلی نیازمند طول‌های یکسان و کوپلینگ تنگاتنگ با مرجع خود هستند. برای جفت‌های پرسرعت، فاصلهٔ یکنواخت از صفحهٔ مرجع را حفظ کرده و آن‌ها را از شبکه‌های نویزدار دور نگه دارید.

C. نواحی باریک یا تنگ‌دست

در نهایت، برای نواحی تنگ‌گذر روی برد برنامه‌ریزی کنید. پس از قرارگیری اولیه و برنامه‌ریزی کلی مسیریابی، نواحی باریکی را که در آن‌ها شبکه‌های زیادی باید از یک شکاف کوچک عبور کنند، شناسایی کنید. این‌ها نقاط تنگ‌گذر هستند. برای هر نقطه تنگ‌گذر، تعداد ردهای لازم، جفت‌های دیفرانسیل و شبکه‌های حساس را بشمارید. سپس تعداد لایه‌های مورد نیاز را تعیین کنید تا همه خطوط لازم بتوانند از این ناحیه عبور کنند.

این را گام به گام انجام دهید:

منطقهٔ گلوگاه را علامت‌گذاری کنید.

تمام شبکه‌هایی را که باید از آن عبور کنند، فهرست کنید.

جفت‌های تفاضلی و سیگنال‌های بحرانی را در فهرست بگنجانید.

تعداد ترک‌هایی را که در هر لایه مسیریابی در آن شکاف جای می‌گیرند، محاسبه کنید.

آن را بر تعداد لایه‌های مسیریابی که می‌توانید برای آن ناحیه استفاده کنید، ضرب کنید.

این تعداد کل مسیرهایی را که می‌توانند عبور کنند نشان می‌دهد. اگر این عدد کمتر از تعداد شبکه‌های مورد نیاز باشد، لایه‌های مسیریابی را اضافه کنید یا چیدمان را تغییر دهید تا تراکم کاهش یابد.

IV. مثال‌ها و قواعد سرانگشتی ساده

الف. نمونه‌های خروج BGA

اگر بتوانید دو مسیر را بین دو ویای روی یک BGA مسیریابی کنید، اغلب می‌توانید از دو لایه مسیریابی برای خروجی BGA استفاده کنید. این یک مورد رایج برای بسته‌های BGA با فاصله‌ی 1.0 میلی‌متر است.

اگر تنها بتوانید یک ردگیری را بین دو گذرگاه مسیرو کنید، ممکن است برای مسیرو کردن همه پین‌های BGA به چهار لایه مسیرو نیاز داشته باشید. این اغلب در BGAهایی با فاصله‌ی پین‌های تنگ‌تر مانند ۰٫۸ میلی‌متر رخ می‌دهد.

B. مثال مسیریابی کانکتور

برای بسیاری از کانکتورها، فرض کنید می‌توانید یک جفت دیفرانسیل را از هر دو ویای عبور دهید. از این برای تعیین اندازه کانال‌های مسیریابی نزدیک کانکتور استفاده کنید. اگر کانکتور دارای خطوط زیاد باشد، به لایه‌های مسیریابی بیشتری یا یک طرح کانکتور متفاوت نیاز دارید.

C. مثال سیگنال پرسرعت

برای یک جفت دیفرانسیل MIPI یا USB باید جفت را نزدیک به صفحه مرجع نگه دارید و فاصله بین سیم‌ها و عرض مسیر را برای امپدانس هدف صحیح حفظ کنید. اگر کانال مسیریابی باریک باشد، ممکن است برای تمیز نگه داشتن چیدمان و رسیدن به اهداف امپدانس به لایه‌های بیشتری نیاز داشته باشید.

V. بیشتر درباره برنامه‌ریزی برای یکپارچگی سیگنال و قابلیت ساخت

الف. مسیر بازگشت را کوتاه و محلی نگه دارید.

همیشه لایه‌های سیگنال را طوری برنامه‌ریزی کنید که جریان بازگشت بتواند روی یک پله‌ی زمین مجاور جریان یابد. وقتی یک لایه‌ی سیگنال در کنار پله‌ی زمین قرار گیرد، مسیر بازگشت کوتاه است و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) کم می‌شود. اگر یک لایه‌ی سیگنال را بین دو پله‌ی ترکیبی یا نزدیک یک پله‌ی تقسیم‌شده قرار دهید، مسیر بازگشت محلی نخواهد بود. این امر باعث افزایش EMI شده و می‌تواند به یکپارچگی سیگنال آسیب برساند.

B. به شکاف‌ها و درزها توجه کنید

اگر مجبور به تقسیم یک پلن هستید، سیگنال‌های حساس را طوری مسیریابی کنید که از محل تقسیم عبور نکنند. اگر یک شبکه با سرعت بالا باید از محل تقسیم پلن عبور کند، از طریق اتصال (stitching) یک مسیر بازگشت واضح فراهم کنید تا مسیر بازگشت یکپارچه باقی بماند. برای کاهش مساحت حلقه، از اتصال از طریق ویای (via stitching) و ویای‌های زمین در نزدیکی لبه‌های تقسیم استفاده کنید.

C. جفت‌های تغذیه و زمین را در چیدمان نزدیک نگه دارید.

وقتی یک پله‌ی تغذیه را در کنار یک پله‌ی زمین قرار می‌دهید، این جفت یک خازن تشکیل می‌دهند. این کار به جدا کردن تغذیه کمک کرده و امپدانس پله‌ها را کاهش می‌دهد. این برای یکپارچگی تغذیه بسیار مفید است. اگر چندین ریل تغذیه دارید، سعی کنید آن‌ها را در دسته‌های جفتی گروه‌بندی کنید یا تنها زمانی از پله‌های تقسیم‌شده استفاده کنید که مسیریابی را کنترل می‌کنید تا از مسیرهای بازگشت طولانی جلوگیری شود.

D. از همان ابتدا قواعد قابلیت ساخت را در نظر بگیرید.

محدودیت‌های DFM را از ابتدا تعیین کنید. عرض حداقل رد، فاصلهٔ حداقل بین ردها، حلقه‌ی حلقوی حداقل و اندازه‌ی حداقل مته را مشخص کنید. قواعد طراحی خود را با آنچه کارخانه می‌تواند به‌طور قابل‌اعتماد تولید کند، هماهنگ کنید. اگر قصد دارید ردهای بسیار نازک یا ویای‌های بسیار کوچک داشته باشید، بررسی کنید که فروشنده آیا می‌تواند آن‌ها را پشتیبانی کند و هزینه‌ها چگونه تغییر خواهند کرد.

VI. محاسبه گلوگاه به تفصیل

الف. چگونه خطوط را در یک شکاف بشماریم

عرض شکاف در ناحیه تنگ‌گردن را اندازه بگیرید.

با استفاده از عرض و فاصله‌گذاری ترسی که برنامه‌ریزی کرده‌اید، محاسبه کنید چند مسیر تک‌طرفه در یک لایه جای می‌گیرند. برای جفت‌های تفاضلی، بر اساس فاصله‌ی بین جفت‌ها، بشمارید چند جفت جای می‌گیرند.

مناطق ممنوعه و ویازهایی را که مسیرها را مسدود می‌کنند در نظر بگیرید. عرض قابل استفاده را به اندازه فضایی که میدان‌های ویاز یا سوراخ‌های مکانیکی اشغال می‌کنند کاهش دهید.

ب. تعداد لایه‌ها را از ظرفیت شکاف تعیین کنید.

اگر یک لایه بتواند مسیرهای لازم را حمل کند، مشکلی ندارید.

در غیر این صورت، یک لایه مسیریابی دیگر اضافه کنید و دوباره بررسی کنید.

اگر افزودن لایه‌ها امکان‌پذیر نیست، جابجایی قطعات، تعویض کانکتور یا تغییر استراتژی فن‌اوت BGA را در نظر بگیرید.

۷. یکپارچه‌سازی همه چیز — جریان عملی برای برنامه‌ریزی لایه‌ها

مرحله ۱. فهرست محدودیت‌ها و اهداف

یک فهرست کوتاه تهیه کنید: تعداد BGAs و فاصله‌ی بین پین‌های آن‌ها، تعداد کانکتورها، تعداد شبکه‌های با سرعت بالا، فهرست خطوط تغذیه، اهداف عملکرد و هدف هزینه.

مرحله ۲. یک برش عرضی اولیه را ترسیم کنید.

با ایجاد پله‌های تغذیه و زمین لازم نزدیک مرکز شروع کنید. لایه‌های سیگنال را دور آن‌ها قرار دهید. در مواردی که به امپدانس پایین نیاز دارید از جفت‌های تغذیه/زمین استفاده کنید.

مرحله ۳. بررسی نیازهای خروجی BGA

هر BGA را بررسی کنید. اگر به مسیرهای خروجی بیشتری نیاز دارید، لایه‌های سیگنال را اضافه کنید یا ردپای BGA را تغییر دهید.

مرحله ۴. بررسی کانال‌های مسیریابی پرسرعت

تمام شبکه‌های پرسرعت را علامت‌گذاری کنید. کانال‌های مسیریابی را برای آن‌ها رزرو کنید. اگر کانال‌ها محدود هستند، لایه‌ها را اضافه کنید یا محل قرارگیری را تغییر دهید.

مرحله ۵. بررسی گلوگاه‌ها

ظرفیت هر شکاف باریک را بشمارید. اگر ظرفیت کافی نبود، لایه‌ها را اضافه کنید یا اشیاء را جابه‌جا کنید.

مرحله ۶. نهایی‌سازی استک‌آپ و قوانین

مشکل تراکم لایه‌ها را برطرف کنید. عرض مسیرها، فاصله‌گذاری و اهداف امپدانس را تنظیم کنید. مطمئن شوید که طراحی مطابق DFM است.

مرحله ۷. اعتبارسنجی با مهندسین و سازنده

مجموعه لایه‌ها را با سازنده PCB و مهندسین یکپارچگی سیگنال بازبینی کنید. نظرات اولیه را درخواست کرده و تنظیمات لازم را اعمال کنید.

VIII. خلاصه کوتاه

طرح‌بندی لایه‌ها ترکیبی از نیازهای الکتریکی و مسیریابی عملی است. شما لایه‌های تغذیه و زمین را طوری برنامه‌ریزی می‌کنید که تغذیه پایدار باشد و مسیرهای بازگشت کوتاه باشند. لایه‌های سیگنال را بر اساس کانال‌های مسیریابی، فاصله‌ی نقاط اتصال BGA، عمق کانکتورها و نقاط تنگ‌گذر برنامه‌ریزی می‌کنید. اگر خوب برنامه‌ریزی کنید، مسیریابی آسان‌تر و قابل‌اعتمادتر خواهد بود. در یک نگاه ساده، طراحی PCB مانند ساخت یک ساختمان بلند است. طرح لایه‌ها نقشه‌ی ساختمان است. اگر نقشه درست باشد، ساخت‌وساز به‌خوبی پیش می‌رود.