I. Yleiskatsaus PCB-kerrosten lukumäärän määrittämiseen

Piirilevykerrosten kokonaismäärää ei ole vahvistettu alussa. Insinöörit päättävät kerrosten määrän levyn tarpeiden perusteella. Kokonaiskerrosten määrä saadaan signaalikerrosten määrästä sekä virta- ja maatasojen määrästä. Insinöörit tarkastelevat piirilevyn asettelua, komponenttityyppejä ja sähköisiä tarpeita. Sen jälkeen he suunnittelevat, kuinka monta signaalikerrosta tarvitaan ja kuinka monta virta- ja maakerrosta. Suunnitelman tavoitteena on tehdä reitityksestä helppoa, valvoa signaalin laatua ja noudattaa kustannusrajoja.

II. Teho- ja maakerrosten suunnittelu

A. Kuinka valita tehokerrosten määrä

Virtatasojen määrä määräytyy pääasiassa seuraavien seikkojen perusteella: kuinka monta eri virtakiskoa levy tarvitsee, miten nämä kiskot on jaettu levylle, kuinka paljon virtaa kunkin kiskon on kuljetettava, mitkä ovat levyn suorituskykytavoitteet ja yhden levyn kustannusrajat. Virransyöttötasojen määrä valitaan siten, että jokaisella tärkeimmällä virtakiskolla on oma tasonsa tai hyvin määritelty tasojen alue. Sinun on myös varmistettava, että virtatasot eivät ole päällekkäisiä siten, että ne aiheuttavat ristikkäisviestintää tai jakavat tasoja, jotka haittaavat suorituskykyä.

Tehotasojen asettelussa on kaksi tärkeää sääntöä:

Tehoverkkoja ei saa sekoittaa samalle tasolle siten, että ne aiheuttavat häiriöitä. Lyhyesti sanottuna, vältä tehoverkkoja, jotka on lomitettu yhteen fyysiseen tasoon.

Vältä tärkeiden signaalien kulkua viereisten tasojen jakojen yli. Jos signaalin on ylitettävä jako, signaalin vertailutaso voi rikkoutua. Tämä rikkoo paluuvirtapolut ja vahingoittaa signaalin eheyttä. Järjestä siis tasopinot niin, että tärkeät signaalit eivät ylitä jakoja.

B. Miten valita maakerrosten määrä

Kun asetat maakerroksia, kiinnitä huomiota näihin seikkoihin:

Aivan pääkomponentin alapuolella olevassa kerroksessa pitäisi olla enimmäkseen yhtenäinen maataso. Tämä auttaa palauttamaan virtaa ja vähentää kohinaa yläpuolella olevien osien osalta.

Suurnopeussignaalien, suurtaajuusverkkojen ja kelloverkkojen on viitattava kiinteään maatasoon. Niiden paluuvirta kulkee tällä tasolla. Jos taso rikkoutuu, signaalit saavat kohinaa ja sähkömagneettisia häiriöitä.

Suurten tehotasojen ja maatasojen on oltava lähekkäin ja hyvin kytkettyjä. Tiivis kytkentä alentaa tason impedanssia ja auttaa tehon eheyttä. Alhainen impedanssi auttaa pitämään aaltoilun alhaalla ja antaa IC:lle vakaan virran.

Käytännössä suunnittelu, jossa on paljon nopeita verkkoja, tarvitsee useampia maatasoja tai ainakin pari teho- ja maatasoja lähellä toisiaan. Näin saadaan parempi irrotus ja impedanssin hallinta on helpompaa.

III. Signaalikerrosten määrän suunnittelu

A. Reitityskanavat ja niiden merkitys

Reitityskanavat määräävät usein, kuinka monta signaalikerrosta tarvitaan. Aloita etsimällä levystä syviä BGA-kortteja tai suuria liittimiä. BGA:n syvyys ja BGA-nastojen jako ovat avainasemassa sen suhteen, kuinka monta pakokerrosta tarvitset. Esimerkiksi 1,0 mm:n BGA-piikkiväli sallii usein kaksi jälkeä kahden läpiviennin välissä. BGA, jossa on 0,8 mm:n jako, sallii usein vain yhden jäljen kahden läpiviennin välissä. Tämä ero muuttaa sitä, kuinka monta reitityskerrosta on oltava.

Jos BGA-piirilevyllä on kaksi jälkeä kahden läpiviennin välissä, BGA-piirilevy voi jakaa kaksi reitityskerrosta. Jos BGA sallii vain yhden jäljen kahden läpiviennin välissä, pako voi tarvita jopa neljä reitityskerrosta kaikkien verkkojen reitittämiseen. Näin ollen BGA:n pitch ja fanout-geometria ovat keskeisessä asemassa kerrosten suunnittelussa.

Liittimet ovat erilaisia. Liittimissä tärkein tekijä on syvyys ja nastojen väli. Tyypillisesti kahden liittimen läpivientien väliin reititetään yksi differentiaalipari. Tämä nyrkkisääntö auttaa sinua arvioimaan, kuinka monta kanavaa tarvitset liitinalueille.

B. Suurnopeusverkot ja reitityskanavatarpeet

Harkitse seuraavaksi nopea signaaleja. Suurnopeusreititys vaatii enemmän ehtoja. Sinun on mietittävä niputuksia, jälkien välejä ja vertailutasoja. Suurnopeusverkot ovat herkkiä impedanssin ohjaukselle ja paluuvirralle. Tarkista siis, ovatko näiden verkkojen reitityskanavat riittävän leveitä ja selkeitä.

Suunnittelun yhteydessä on selvitettävä, mitkä verkot ovat suurnopeusverkkoja. Aseta ne etusijalle reitityksessä. Varaa kanavat, jotka mahdollistavat asianmukaisen etäisyyden ja hallitun impedanssin. Muista myös differentiaaliparit. Differentiaalijohdot tarvitsevat sovitetut pituudet ja tiiviin kytkennän referenssiinsä. Pidä suurnopeusparien osalta johdonmukainen etäisyys referenssitasoon ja pidä parit kaukana meluisista verkoista.

C. Kapeat tai pullonkaula-alueet

Suunnittele lopuksi pullonkaula-alueet taululle. Perussijoittelun ja yleisen reitityssuunnittelun jälkeen etsi kapeat alueet, joilla monien verkkojen on kuljettava pienen aukon läpi. Nämä ovat pullonkaulakohtia. Laske kunkin pullonkaulan osalta tarvittavien johtojen, differentiaaliparien ja herkkien verkkojen määrä. Päätä sitten tarvittavien kerrosten määrä, jotta kaikki tarvittavat johdot voivat kulkea tämän alueen läpi.

Tee tämä vaihe vaiheelta:

Merkitse pullonkaula-alue.

Luettelo kaikista verkoista, joiden on kuljettava sen läpi.

Sisällytä differentiaaliparit ja kriittiset signaalit luetteloon.

Laske niiden raitojen määrä, jotka mahtuvat reitityskerrosta kohden kyseiseen aukkoon.

Kerro reitityskerrosten määrä, jota voit käyttää kyseisellä alueella.

Tämä antaa läpi kulkevien raitojen kokonaismäärän. Jos tämä määrä on pienempi kuin tarvittavien verkkojen määrä, lisää reitityskerroksia tai muuta sijoittelua ruuhkien vähentämiseksi.

IV. Esimerkkejä ja yksinkertaisia nyrkkisääntöjä

A. Esimerkkejä BGA-paosta

Jos voit reitittää kaksi jälkeä kahden läpiviennin väliin BGA:lla, voit usein käyttää kahta reitityskerrosta BGA:n paossa. Tämä on yleinen tapaus 1,0 mm:n BGA-paketeissa.

Jos voit reitittää vain yhden jäljen kahden läpiviennin välistä, saatat tarvita neljä reitityskerrosta kaikkien BGA-nastojen reitittämiseen. Näin käy usein BGA-piireissä, joiden jako on tiukempi, kuten 0,8 mm.

B. Esimerkki liittimen reitityksestä

Oletetaan, että monissa liittimissä voit reitittää yhden differentiaaliparin kahta läpivientiä kohti. Käytä tätä mitoittaaksesi reitityskanavat liittimen lähellä. Jos liittimessä on monia kaistoja, tarvitset enemmän reitityskerroksia tai toisen liittimen pohjapinta-alan.

C. Esimerkki suurnopeussignaalista

MIPI- tai USB-differentiaaliparin osalta pari on pidettävä lähellä vertailutasoa ja parin väli ja jäljen leveys on pidettävä oikeana kohdeimpedanssin kannalta. Jos reitityskanava on kapea, saatat tarvita useampia kerroksia, jotta layout pysyy siistinä ja impedanssitavoitteet saavutetaan.

V. Lisää signaalin eheyden ja valmistettavuuden suunnittelusta

A. Pidä paluureitti lyhyenä ja paikallisena

Suunnittele signaalikerrokset aina niin, että paluuvirta voi kulkea läheisellä maatasolla. Kun signaalikerros on maatason vieressä, paluupolku on lyhyt ja sähkömagneettinen häiriö on vähäinen. Jos sijoitat signaalikerroksen kahden sekatason väliin tai lähelle jaettua tasoa, paluupolku ei ole paikallinen. Tämä aiheuttaa enemmän EMI:tä ja voi vahingoittaa signaalin eheyttä.

B. Katso halkaistuja tasoja ja saumoja

Jos kone on jaettava, reititä herkät signaalit niin, että ne eivät ylitä jakolinjaa. Jos suurnopeusverkon on ylitettävä tason jako, tarjoa selkeä paluukanava tai ompelu, jotta paluupolku pysyy yhtenäisenä. Käytä läpivientejä ja maadoitusläpivientejä lähellä jaetun tason reunoja silmukkapinta-alan vähentämiseksi.

C. Pidä virta/maadoitusparit lähellä pinossa.

Kun asetat virtatason maatason viereen, pari muodostaa kondensaattorin. Tämä auttaa erottamaan tehon ja vähentämään tason impedanssia. Tämä on erittäin hyödyllistä tehon eheyden kannalta. Jos sinulla on useita virtakiskoja, yritä ryhmitellä ne pareittain pinoihin tai käytä jaettuja tasoja vain silloin, kun hallitset reititystä pitkien paluureittien välttämiseksi.

D. Ota valmistettavuussäännöt huomioon varhaisessa vaiheessa

Aseta DFM-rajat alussa. Määritä minimijäljen leveys, minimijälkiväli, minimirengas ja minimiporakoko. Sovita suunnittelusääntöjäsi siihen, mitä tehdas voi luotettavasti valmistaa. Jos suunnittelet hyvin ohuita jälkiä tai hyvin pieniä läpivientejä, tarkista, pystyykö toimittaja käsittelemään niitä ja miten kustannukset muuttuvat.

VI. Pullonkaulalaskelma yksityiskohtaisemmin

A. Miten kaistat lasketaan aukossa

Mittaa pullonkaula-alueen aukon leveys.

Käytä suunniteltua jäljen leveyttä ja väliä laskeaksesi, kuinka monta single-ended-rataa mahtuu yhteen kerrokseen. Laske differentiaalisten parien osalta, kuinka monta paria mahtuu parivälien perusteella.

Ota huomioon poissaoloalueet ja läpiviennit, jotka tukkivat radat. Vähennä hyötyleveyttä läpivientikenttien tai mekaanisten reikien viemän tilan verran.

B. Päätä kerrosten lukumäärä aukkokapasiteetin perusteella

Jos yksi kerros pystyy kuljettamaan tarvittavat kappaleet, kaikki on hyvin.

Jos ei, lisää toinen reititystaso ja tarkista uudelleen.

Jos kerrosten lisääminen ei ole mahdollista, harkitse osien siirtämistä, liittimen vaihtamista tai BGA-fanout-strategian muuttamista.

VII. Kaikki yhdessä - kerroksittaisen suunnittelun käytännön kulku

Vaihe 1. Luettelo rajoituksista ja tavoitteista

Tee lyhyt luettelo: BGA-korttien lukumäärä ja niiden jako, liittimien lukumäärä, nopeiden verkkojen lukumäärä, virtakiskoluettelo, suorituskykytavoitteet ja kustannustavoite.

Vaihe 2. Luonnostele alustava pinoaminen

Aloita tarvittavat virta- ja maadoitustasot lähellä keskustaa. Laita signaalikerrokset niiden ympärille. Käytä teho/maapareja siellä, missä tarvitset matalaa impedanssia.

Vaihe 3. Tarkista BGA-paon tarpeet

Tarkista jokainen BGA. Jos tarvitset lisää pakokaistoja, lisää signaalikerroksia tai muuta BGA-jalanjälkeä.

Vaihe 4. Tarkista nopeat reitityskanavat

Merkitse kaikki suurnopeusverkot. Varaa niille reitityskanavat. Jos kanavat ovat ahtaat, lisää kerroksia tai muuta sijoittelua.

Vaihe 5. Tarkista pullonkaulat

Laske jokaisen kapean raon kapasiteetti. Jos kapasiteetti ei riitä, lisää kerroksia tai siirrä tavaroita.

Vaihe 6. Viimeistele pinoaminen ja säännöt

Korjaa pinoaminen. Aseta jäljen leveydet, välit ja impedanssitavoitteet. Varmista, että suunnittelussa noudatetaan DFM:ää.

Vaihe 7. Validointi insinöörien ja valmistajan kanssa

Tarkastele kokoonpanoa piirilevyn valmistajan ja signaalin eheysinsinöörien kanssa. Pyydä varhaisia kommentteja ja mukauta.

VIII. Lyhyt yhteenveto

Kerroksen suunnittelu on sekoitus sähköisiä tarpeita ja käytännön reititystä. Suunnittelet virta- ja maadoituskerrokset niin, että virta on vakaa ja paluureitit lyhyitä. Signaalikerrokset suunnitellaan reitityskanavien, BGA-välien, liittimien syvyyden ja pullonkaula-alueiden perusteella. Jos suunnittelet hyvin, reititys on helpompaa ja luotettavampaa. Yksinkertaisesti ajateltuna piirilevysuunnittelu on kuin korkean rakennuksen rakentamista. Kerrossuunnitelma on piirustus. Jos piirustus on oikea, rakentaminen sujuu ongelmitta.