לפני העיצוב PCB רב שכבתי על הלוח, המעצב צריך לקבוע תחילה את מבנה המעגלים המשמשים לפי קנה המידה של המעגל, גודל המעגלים ותאימות אלקטרומגנטית (EMC), כלומר להחליט אם להשתמש ב-4 שכבות, 6 שכבות או יותר שכבות של לוחות מעגלים . לאחר קביעת מספר השכבות, קבע היכן למקם את השכבות החשמליות הפנימיות וכיצד להפיץ אותות שונים על שכבות אלו. זוהי הבחירה של מבנה ערימת PCB רב שכבתי.

מבנה למינציה הוא גורם חשוב המשפיע על ביצועי EMC של לוחות PCB, והוא גם אמצעי חשוב לדיכוי הפרעות אלקטרומגנטיות. מאמר זה מציג את התוכן הרלוונטי של מבנה ערימת לוח ה-PCB הרב-שכבתי.

לאחר קביעת מספר שכבות ההספק, ההארקה והאות, הסידור היחסי שלהן הוא נושא שכל מהנדס PCB אינו יכול להימנע ממנו;

העיקרון הכללי של סידור שכבות:

1. כדי לקבוע את המבנה למינציה של לוח PCB רב שכבתי, יש לקחת בחשבון גורמים נוספים. מנקודת המבט של החיווט, ככל שיותר שכבות, החיווט טוב יותר, אך גם העלות והקושי של ייצור לוחות יגדלו. עבור יצרנים, האם המבנה הלמינציה הוא סימטרי או לא הוא המוקד שצריך לשים לב אליו כאשר מיוצרים לוחות PCB, ולכן בחירת מספר השכבות צריכה להתחשב בצרכים של כל ההיבטים כדי להשיג את האיזון הטוב ביותר. עבור מעצבים מנוסים, לאחר השלמת הפריסה המוקדמת של הרכיבים, הם יתמקדו בניתוח צוואר הבקבוק של חיווט PCB. שלב עם כלי EDA אחרים כדי לנתח את צפיפות החיווט של המעגל; לאחר מכן סנתז את מספר וסוגי קווי האות עם דרישות חיווט מיוחדות, כגון קווים דיפרנציאליים, קווי אות רגישים וכו’, כדי לקבוע את מספר שכבות האות; אז לפי סוג אספקת החשמל, בידוד ומניעת הפרעות הדרישות לקביעת מספר השכבות החשמליות הפנימיות. באופן זה, מספר השכבות של כל לוח המעגלים נקבע בעצם.

2. The bottom of the component surface (the second layer) is the ground plane, which provides the device shielding layer and the reference plane for the top wiring; the sensitive signal layer should be adjacent to an internal electrical layer (internal power/ground layer), using the large internal electrical layer Copper film to provide shielding for the signal layer. The high-speed signal transmission layer in the circuit should be a signal intermediate layer and sandwiched between two inner electrical layers. In this way, the copper film of the two inner electric layers can provide electromagnetic shielding for high-speed signal transmission, and at the same time, it can effectively limit the radiation of the high-speed signal between the two inner electric layers without causing external interference.

3. כל שכבות האותות קרובות ככל האפשר למישור ההארקה;

4. Try to avoid two signal layers directly adjacent to each other; it is easy to introduce crosstalk between adjacent signal layers, resulting in circuit function failure. Adding a ground plane between the two signal layers can effectively avoid crosstalk.

5. מקור הכוח הראשי קרוב ככל האפשר אליו בהתאם;

6. קח בחשבון את הסימטריה של המבנה הלמינציה.

7. עבור פריסת השכבות של לוח האם, קשה ללוחות האם הקיימים לשלוט בחיווט מקביל למרחקים ארוכים. עבור תדר ההפעלה ברמת הלוח מעל 50MHZ (עיין במצב מתחת ל-50MHZ, נא להירגע כראוי), מומלץ לסדר את העיקרון:

משטח הרכיב ומשטח הריתוך הם מישור הארקה שלם (מגן);ללא שכבות חיווט מקבילות סמוכות;כל שכבות האותות קרובות ככל האפשר למישור ההארקה;

אות המפתח צמוד לקרקע ואינו חוצה את המחיצה.

הערה: בעת הגדרת שכבות ה-PCB הספציפיות, יש לשלוט בעקרונות לעיל בגמישות. בהתבסס על הבנת העקרונות לעיל, בהתאם לדרישות בפועל של הלוח הבודד, כגון: האם נדרשת שכבת חיווט מפתח, ספק כוח, חלוקת מישור הארקה וכו’, קבע את סידור השכבות, ותעשה’ לא פשוט להעתיק אותו בבוטות, או להחזיק בו.

8. שכבות חשמליות פנימיות מוארקות מרובות יכולות להפחית ביעילות את עכבת ההארקה. לדוגמה, שכבת האות A ושכבת האות B משתמשות במישורי הארקה נפרדים, אשר יכולים למעשה להפחית הפרעות במצב נפוץ.

The commonly used layered structure:4-layer board

להלן נעשה שימוש בדוגמה של לוח בן 4 שכבות כדי להמחיש כיצד לייעל את הסידור והשילוב של מבנים למינציה שונים.

For commonly used 4-layer boards, there are the following stacking methods (from top to bottom).

(1) Siganl_1 (למעלה), GND (Inner_1), POWER (Inner_2), Siganl_2 (למטה).

(2) Siganl_1 (למעלה), POWER (Inner_1), GND (Inner_2), Siganl_2 (למטה).

(3) POWER (Top), Siganl_1 (Inner_1), GND (Inner_2), Siganl_2 (Bottom).

ברור שאופציה 3 חסרה צימוד יעיל בין שכבת הכוח לשכבת הקרקע ואין לאמץ אותה.

Then how should options 1 and 2 be selected?

Under normal circumstances, designers will choose option 1 as the structure of the 4-layer board. The reason for the choice is not that Option 2 cannot be adopted, but that the general PCB board only places components on the top layer, so it is more appropriate to adopt Option 1.

אך כאשר יש צורך למקם רכיבים הן בשכבה העליונה והן בשכבה התחתונה, והעובי הדיאלקטרי בין שכבת הכוח הפנימית לשכבת הקרקע גדול והצימוד גרוע, יש צורך לשקול באיזו שכבה יש פחות קווי אות. עבור אפשרות 1, יש פחות קווי אות בשכבה התחתונה, וניתן להשתמש בסרט נחושת בשטח גדול כדי להתחבר לשכבת POWER; להיפך, אם הרכיבים מסודרים בעיקר על השכבה התחתונה, יש להשתמש באפשרות 2 לייצור הלוח.

אם מאמצים מבנה למינציה, שכבת הכוח ושכבת הקרקע כבר מחוברות. בהתחשב בדרישות הסימטריה, תכנית 1 מאומצת בדרך כלל.

לוח 6 שכבות

לאחר השלמת הניתוח של מבנה הלמינציה של לוח 4 השכבות, להלן נעשה שימוש בדוגמה של שילוב הלוח 6 שכבות כדי להמחיש את הסידור והשילוב של לוח 6 השכבות והשיטה המועדפת.

(1) Siganl_1 (Top), GND (Inner_1), Siganl_2 (Inner_2), Siganl_3 (Inner_3), כוח (Inner_4), Siganl_4 (תחתון).

פתרון 1 משתמש ב-4 שכבות אות ו-2 שכבות חשמל/קרקע פנימיות, עם יותר שכבות אות, מה שמסייע לעבודת החיווט בין הרכיבים, אך גם הליקויים של פתרון זה ברורים יותר, הבאים לידי ביטוי בשני ההיבטים הבאים:

① The power plane and the ground plane are far apart, and they are not sufficiently coupled.

② שכבת האות Siganl_2 (Inner_2) ו-Siganl_3 (Inner_3) צמודות ישירות, כך שבידוד האות אינו טוב וקל להתרחש דיבור צולב.

(2) Siganl_1 (Top), Siganl_2 (Inner_1), POWER (Inner_2), GND (Inner_3), Siganl_3 (Inner_4), Siganl_4 (Bottom).

סכימה 2 בהשוואה לתכנית 1, שכבת הכוח ומישור ההארקה מחוברים באופן מלא, שיש לו יתרונות מסוימים על פני תכנית 1, אך

שכבות האות Siganl_1 (Top) ו- Siganl_2 (Inner_1) ו-Siganl_3 (Inner_4) ו-Siganl_4 (תחתית) צמודות זו לזו. בידוד האותות לא טוב, ובעיית ההצלבה לא נפתרת.

(3) Siganl_1 (Top), GND (Inner_1), Siganl_2 (Inner_2), POWER (Inner_3), GND (Inner_4), Siganl_3 (למטה).

בהשוואה לתכנית 1 וסכימה 2, לתכנית 3 יש שכבת אות אחת פחות ושכבה חשמלית פנימית אחת יותר. למרות שהשכבות הזמינות לחיווט מצטמצמות, תכנית זו פותרת את הפגמים הנפוצים של תכנית 1 ו- Schema 2.

① מישור הכוח ומישור ההארקה מחוברים היטב.

② כל שכבת אות צמודה ישירות לשכבה החשמלית הפנימית, ומבודדת למעשה משכבות אות אחרות, ולא קל להתרחש דיבור צולב.

③ Siganl_2 (Inner_2) צמודה לשתי השכבות החשמליות הפנימיות GND (Inner_1) ו-POWER (Inner_3), אשר ניתן להשתמש בהן להעברת אותות במהירות גבוהה. שתי השכבות החשמליות הפנימיות יכולות להגן ביעילות על ההפרעות מהעולם החיצון לשכבת Siganl_2 (Inner_2) וההפרעה מ-Siganl_2 (Inner_2) לעולם החיצון.

בכל ההיבטים, סכמה 3 היא ללא ספק האופטימלית ביותר. במקביל, סכמה 3 היא גם מבנה למינציה נפוץ עבור לוחות 6 שכבות. באמצעות ניתוח שתי הדוגמאות לעיל, אני מאמין שלקורא יש הבנה מסוימת של מבנה המדורג, אך במקרים מסוימים, סכימה מסוימת אינה יכולה לעמוד בכל הדרישות, מה שמצריך התחשבות בעדיפות של עקרונות עיצוב שונים. למרבה הצער, בשל העובדה שעיצוב שכבת המעגלים קשור קשר הדוק למאפיינים של המעגל בפועל, ביצועי האנטי-הפרעות ומיקוד העיצוב של מעגלים שונים שונים, כך שלמעשה לעקרונות אלו אין עדיפות קבועה לעיון. אבל מה שבטוח הוא שעיקרון תכנון 2 (שכבת הכוח הפנימית ושכבת הקרקע צריכות להיות מחוברות היטב) צריך לעמוד תחילה בתכנון, ואם צריך להעביר אותות במהירות גבוהה במעגל, אז עקרון תכנון 3 (שכבת העברת אות במהירות גבוהה במעגל) היא צריכה להיות שכבת הביניים של האות ודחוסה בין שתי שכבות חשמליות פנימיות) חייבת להיות מרוצה.

לוח 10 שכבות

עיצוב לוח 10 שכבות טיפוסי של PCB

רצף החיווט הכללי הוא TOP–GND—שכבת האות—שכבת הספק—GND—שכבת האות—שכבת הכוח—שכבת האות—GND—bottom

רצף החיווט עצמו אינו בהכרח קבוע, אך ישנם כמה תקנים ועקרונות להגביל אותו: לדוגמה, השכבות הסמוכות של השכבה העליונה והשכבה התחתונה משתמשות ב-GND כדי להבטיח את מאפייני ה-EMC של הלוח היחיד; לדוגמה, רצוי שכל שכבת אות משתמשת בשכבת GND כמישור ייחוס; ספק הכוח המשמש בכל הלוח הבודד מונח על פיסת נחושת שלמה; הרגיש, המהיר, והעדיף ללכת לאורך השכבה הפנימית של הקפיצה וכו’.