PCB การวางซ้อนเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพของ EMC ของผลิตภัณฑ์ การแบ่งชั้นที่ดีจะมีประสิทธิภาพมากในการลดรังสีจากลูป PCB (การปล่อยโหมดดิฟเฟอเรนเชียล) รวมถึงจากสายเคเบิลที่เชื่อมต่อกับบอร์ด (การปล่อยโหมดทั่วไป)

ในทางกลับกัน น้ำตกที่ไม่ดีสามารถเพิ่มการแผ่รังสีของกลไกทั้งสองได้อย่างมาก ปัจจัยสี่ประการที่มีความสำคัญสำหรับการพิจารณาการจัดวางเพลต:

1. จำนวนชั้น;

2. จำนวนและประเภทของชั้นที่ใช้ (กำลังและ/หรือกราวด์)

3. ลำดับหรือลำดับชั้น

4. ระยะห่างระหว่างชั้น

โดยปกติแล้วจะพิจารณาเฉพาะจำนวนชั้นเท่านั้น ในหลายกรณี อีกสามปัจจัยมีความสำคัญเท่าเทียมกัน และบางครั้งผู้ออกแบบ PCB ก็ไม่รู้จักปัจจัยที่สี่ด้วยซ้ำ เมื่อกำหนดจำนวนเลเยอร์ ให้พิจารณาสิ่งต่อไปนี้:

1. ปริมาณสัญญาณและต้นทุนการเดินสาย

2. ความถี่;

3. สินค้าต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการเปิดตัวของ Class A หรือ Class B หรือไม่?

4. PCB อยู่ในกล่องหุ้มหรือไม่มีฉนวนหุ้ม

5. ความเชี่ยวชาญด้านวิศวกรรม EMC ของทีมงานออกแบบ

โดยปกติแล้วจะพิจารณาเฉพาะเทอมแรกเท่านั้น แท้จริงแล้ว รายการทั้งหมดมีความสำคัญและควรได้รับการพิจารณาอย่างเท่าเทียมกัน ข้อสุดท้ายนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษและไม่ควรมองข้ามหากต้องออกแบบให้ดีที่สุดโดยใช้เวลาและต้นทุนน้อยที่สุด

แผ่นเพลตหลายชั้นที่ใช้กราวด์และ/หรือระนาบกำลังช่วยลดการปล่อยรังสีได้อย่างมากเมื่อเทียบกับเพลตแบบสองชั้น กฎทั่วไปที่ใช้คือเพลตสี่ชั้นให้การแผ่รังสีน้อยกว่าเพลตสองชั้น 15dB ปัจจัยอื่น ๆ ทั้งหมดเท่ากัน บอร์ดที่มีพื้นผิวเรียบนั้นดีกว่าบอร์ดที่ไม่มีพื้นผิวเรียบมากด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:

1. อนุญาตให้ส่งสัญญาณเป็นเส้นไมโครสตริป (หรือสายริบบิ้น) โครงสร้างเหล่านี้มีการควบคุมสายส่งอิมพีแดนซ์ที่มีการแผ่รังสีน้อยกว่าการเดินสายแบบสุ่มที่ใช้กับแผงสองชั้น

2. ระนาบกราวด์จะลดอิมพีแดนซ์ของกราวด์ลงอย่างมาก (และเสียงรบกวนจากกราวด์ด้วย)

แม้ว่าเพลตสองแผ่นจะถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในเปลือกหุ้มที่ไม่มีฉนวนที่มีความเร็ว 20-25 เมกะเฮิรตซ์ แต่กรณีเหล่านี้เป็นข้อยกเว้นมากกว่ากฎ ด้านบนประมาณ 10-15mhz ควรพิจารณาพาเนลหลายชั้น

มีห้าเป้าหมายที่คุณควรพยายามทำให้สำเร็จเมื่อใช้กระดานหลายชั้น พวกเขาจะ:

1. เลเยอร์สัญญาณควรอยู่ติดกับระนาบเสมอ

2. เลเยอร์สัญญาณควรเชื่อมต่ออย่างแน่นหนา (ใกล้) กับระนาบที่อยู่ติดกัน

3 ระนาบกำลังและระนาบพื้นควรรวมกันอย่างใกล้ชิด

4 สัญญาณความเร็วสูงควรจะฝังอยู่ในเส้นระหว่างสองระนาบ เครื่องบินสามารถมีบทบาทป้องกัน และสามารถระงับการแผ่รังสีของสายพิมพ์ความเร็วสูง

5. ระนาบกราวด์หลายระนาบมีข้อดีหลายประการ เพราะจะลดอิมพีแดนซ์ของกราวด์ (ระนาบอ้างอิง) ของบอร์ด และลดรังสีในโหมดทั่วไป

โดยทั่วไป เรากำลังเผชิญกับทางเลือกระหว่างข้อต่อระยะใกล้สัญญาณ/ระนาบ (วัตถุประสงค์ 2) และข้อต่อระยะใกล้กำลัง/ระนาบพื้น (วัตถุประสงค์ 3) ด้วยเทคนิคการสร้าง PCB แบบทั่วไป ความจุของเพลทแบบเรียบระหว่างแหล่งจ่ายไฟที่อยู่ติดกันกับระนาบกราวด์นั้นไม่เพียงพอที่จะทำให้ดีคัปปลิ้งต่ำกว่า 500 MHz เพียงพอ

ดังนั้นการดีคัปปลิ้งจะต้องได้รับการแก้ไขด้วยวิธีอื่น และโดยทั่วไปแล้วเราควรเลือกคัปปลิ้งที่แน่นหนาระหว่างสัญญาณกับระนาบการส่งคืนปัจจุบัน ข้อดีของการมีเพศสัมพันธ์อย่างแน่นหนาระหว่างชั้นสัญญาณและระนาบกลับปัจจุบันจะมีค่ามากกว่าข้อเสียที่เกิดจากการสูญเสียความจุเล็กน้อยระหว่างระนาบ

แปดชั้นคือจำนวนชั้นขั้นต่ำที่สามารถใช้เพื่อให้บรรลุเป้าหมายทั้งห้าเหล่านี้ บางส่วนของเป้าหมายเหล่านี้จะต้องถูกประนีประนอมบนกระดานสี่และหกชั้น ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ คุณต้องพิจารณาว่าเป้าหมายใดที่สำคัญที่สุดต่อการออกแบบ

ย่อหน้าข้างต้นไม่ควรตีความเพื่อหมายความว่าคุณไม่สามารถออกแบบ EMC ที่ดีบนบอร์ดสี่หรือหกระดับได้ อย่างที่คุณทำได้ มันแสดงให้เห็นว่าไม่บรรลุวัตถุประสงค์ทั้งหมดพร้อมกันและจำเป็นต้องมีการประนีประนอมบางอย่าง

เนื่องจากเป้าหมาย EMC ที่ต้องการทั้งหมดสามารถทำได้ด้วยแปดเลเยอร์ จึงไม่มีเหตุผลที่จะใช้มากกว่าแปดเลเยอร์ ยกเว้นเพื่อรองรับเลเยอร์การกำหนดเส้นทางสัญญาณเพิ่มเติม

จากมุมมองทางกล เป้าหมายในอุดมคติอีกประการหนึ่งคือการทำให้หน้าตัดของบอร์ด PCB สมมาตร (หรือสมดุล) เพื่อป้องกันการแปรปรวน

ตัวอย่างเช่น บนกระดานแปดชั้น ถ้าชั้นที่สองเป็นระนาบ ชั้นที่เจ็ดก็ควรเป็นระนาบด้วย

ดังนั้น การกำหนดค่าทั้งหมดที่นำเสนอในที่นี้จึงใช้โครงสร้างที่สมมาตรหรือสมดุล หากอนุญาตให้ใช้โครงสร้างที่ไม่สมดุลหรือไม่สมดุล ก็สามารถสร้างการกำหนดค่าแบบเรียงซ้อนอื่นๆ ได้

กระดานสี่ชั้น

โครงสร้างเพลทสี่ชั้นที่พบมากที่สุดแสดงในรูปที่ 1 (ระนาบกำลังและระนาบพื้นใช้แทนกันได้) ประกอบด้วยสี่ชั้นที่เว้นระยะเท่ากันด้วยระนาบกำลังภายในและระนาบพื้น ชั้นเดินสายภายนอกทั้งสองนี้มักจะมีทิศทางการเดินสายตั้งฉาก

แม้ว่าโครงสร้างนี้จะดีกว่าแผงคู่มาก แต่ก็มีคุณสมบัติบางอย่างที่ไม่พึงปรารถนา

สำหรับรายการเป้าหมายในส่วนที่ 1 กองนี้จะตอบสนองเป้าหมาย (1) เท่านั้น ถ้าชั้นมีระยะห่างเท่ากัน จะมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างชั้นสัญญาณและระนาบกลับปัจจุบัน นอกจากนี้ยังมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างระนาบกำลังและระนาบพื้น

สำหรับกระดานสี่ชั้น เราไม่สามารถแก้ไขข้อบกพร่องทั้งสองอย่างพร้อมกันได้ ดังนั้นเราต้องตัดสินใจว่าข้อใดสำคัญที่สุดสำหรับเรา

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ความจุของ interlayer ระหว่างแหล่งจ่ายไฟที่อยู่ติดกันและระนาบกราวด์นั้นไม่เพียงพอที่จะจัดให้มีการแยกส่วนอย่างเพียงพอโดยใช้เทคนิคการผลิต PCB ทั่วไป

ต้องจัดการการดีคัปปลิ้งด้วยวิธีอื่น และเราควรเลือกคัปปลิ้งที่แน่นหนาระหว่างสัญญาณกับระนาบที่ส่งคืนปัจจุบัน ข้อดีของการมีเพศสัมพันธ์อย่างแน่นหนาระหว่างเลเยอร์สัญญาณและระนาบการส่งคืนปัจจุบันจะมีค่ามากกว่าข้อเสียของการสูญเสียความจุระหว่างชั้นเล็กน้อย

ดังนั้น วิธีที่ง่ายที่สุดในการปรับปรุงประสิทธิภาพของ EMC ของเพลตสี่ชั้นคือ นำเลเยอร์สัญญาณมาใกล้ระนาบมากที่สุด 10mil) และใช้แกนไดอิเล็กตริกขนาดใหญ่ระหว่างแหล่งพลังงานและระนาบกราวด์ (> 40mil) ดังแสดงในรูปที่ 2

มีข้อดีสามข้อและข้อเสียเล็กน้อย พื้นที่ลูปสัญญาณมีขนาดเล็กลง ดังนั้นจึงสร้างการแผ่รังสีของโหมดดิฟเฟอเรนเชียลน้อยลง สำหรับกรณีของช่วงเวลา 5mil ระหว่างชั้นสายไฟและชั้นระนาบ การลดรังสีแบบวนซ้ำ 10dB หรือมากกว่าสามารถทำได้โดยสัมพันธ์กับโครงสร้างแบบเรียงซ้อนที่มีระยะห่างเท่ากัน

ประการที่สอง การต่อสายสัญญาณอย่างแน่นหนากับพื้นช่วยลดอิมพีแดนซ์ระนาบ (ตัวเหนี่ยวนำ) ซึ่งจะช่วยลดการแผ่รังสีโหมดทั่วไปของสายเคเบิลที่เชื่อมต่อกับบอร์ด

ประการที่สาม การต่อสายอย่างแน่นหนากับระนาบจะช่วยลดการครอสทอล์คระหว่างการเดินสาย สำหรับระยะห่างของสายเคเบิลคงที่ ครอสทอล์คจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความสูงของสายเคเบิล นี่เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด ถูกที่สุด และถูกมองข้ามมากที่สุดวิธีหนึ่งในการลดรังสีจาก PCB สี่ชั้น

ด้วยโครงสร้างแบบเรียงซ้อนนี้ เราบรรลุวัตถุประสงค์ทั้งสอง (1) และ (2)

โครงสร้างลามิเนตสี่ชั้นมีความเป็นไปได้อื่น ๆ อีกบ้าง? เราสามารถใช้โครงสร้างที่ไม่ธรรมดาได้ นั่นคือ การเปลี่ยนเลเยอร์สัญญาณและเลเยอร์เครื่องบินในรูปที่ 2 เพื่อสร้างน้ำตกที่แสดงในรูปที่ 3A

ข้อได้เปรียบหลักของการเคลือบนี้คือระนาบด้านนอกให้การป้องกันสำหรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณบนชั้นใน ข้อเสียคือระนาบพื้นอาจถูกตัดอย่างหนักโดยแผ่นส่วนประกอบที่มีความหนาแน่นสูงบน PCB สิ่งนี้สามารถบรรเทาได้ในระดับหนึ่งโดยการกลับเครื่องบิน วางระนาบกำลังที่ด้านข้างขององค์ประกอบ และวางระนาบพื้นไว้ที่อีกด้านหนึ่งของกระดาน

ประการที่สอง บางคนไม่ชอบให้มีระนาบกำลังเปิดโล่ง และประการที่สาม เลเยอร์สัญญาณที่ฝังอยู่ทำให้ยากต่อการแก้ไขบอร์ด น้ำตกเป็นไปตามวัตถุประสงค์ (1), (2) และเป็นไปตามวัตถุประสงค์บางส่วน (4)

ปัญหาสองในสามนี้สามารถบรรเทาได้ด้วยน้ำตกดังแสดงในรูปที่ 3B โดยที่ระนาบภายนอกสองระนาบเป็นระนาบกราวด์และแหล่งจ่ายไฟจะถูกส่งต่อบนระนาบสัญญาณเป็นสายไฟแหล่งจ่ายไฟจะต้องกำหนดเส้นทางแบบแรสเตอร์โดยใช้ร่องรอยกว้างในชั้นสัญญาณ

ข้อดีเพิ่มเติมสองประการของน้ำตกนี้คือ:

(1) ระนาบกราวด์สองระนาบให้อิมพีแดนซ์ของกราวด์ที่ต่ำกว่ามาก ซึ่งจะช่วยลดการแผ่รังสีของสายเคเบิลโหมดทั่วไป

(2) ระนาบพื้นทั้งสองสามารถเย็บเข้าด้วยกันที่ขอบจานเพื่อปิดผนึกร่องรอยสัญญาณทั้งหมดในกรงฟาราเดย์

จากมุมมองของ EMC การวางเลเยอร์นี้หากทำได้ดี อาจเป็นเลเยอร์ที่ดีที่สุดของ PCB สี่เลเยอร์ ตอนนี้เราบรรลุเป้าหมาย (1), (2), (4) และ (5) ด้วยกระดานสี่ชั้นเพียงแผ่นเดียว

รูปที่ 4 แสดงความเป็นไปได้ที่สี่ ไม่ใช่ความเป็นไปได้ปกติ แต่เป็นความเป็นไปได้ที่ทำได้ดี ซึ่งคล้ายกับรูปที่ 2 แต่ใช้ระนาบกราวด์แทนระนาบกำลังไฟฟ้า และตัวจ่ายไฟทำหน้าที่เป็นร่องรอยบนชั้นสัญญาณสำหรับการเดินสาย

น้ำตกนี้เอาชนะปัญหาการทำซ้ำดังกล่าวและยังให้อิมพีแดนซ์ของกราวด์ต่ำเนื่องจากระนาบกราวด์ทั้งสอง อย่างไรก็ตาม เครื่องบินเหล่านี้ไม่มีเกราะป้องกันใดๆ การกำหนดค่านี้เป็นไปตามเป้าหมาย (1) (2) และ (5) แต่ไม่เป็นไปตามเป้าหมาย (3) หรือ (4)

ดังที่คุณเห็นว่ามีตัวเลือกสำหรับการทำเลเยอร์สี่เลเยอร์มากกว่าที่คุณคิดในตอนแรก และเป็นไปได้ที่จะบรรลุเป้าหมายสี่ในห้าของเราด้วย PCBS สี่เลเยอร์ จากมุมมองของ EMC การวางเลเยอร์ของรูปที่ 2, 3b และ 4 ทำงานได้ดี

กระดาน 6 ชั้น

แผงหกชั้นส่วนใหญ่ประกอบด้วยชั้นสายสัญญาณสี่ชั้นและชั้นระนาบสองชั้น และโดยทั่วไปแผงหกชั้นนั้นเหนือชั้นกว่าแผงสี่ชั้นจากมุมมองของ EMC

รูปที่ 5 แสดงโครงสร้างแบบเรียงซ้อนซึ่งไม่สามารถใช้กับกระดานหกชั้นได้

ระนาบเหล่านี้ไม่มีเกราะป้องกันสำหรับชั้นสัญญาณ และชั้นสัญญาณสองชั้น (1 และ 6) ไม่ได้อยู่ติดกับระนาบ การจัดเรียงนี้จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อสัญญาณความถี่สูงทั้งหมดถูกส่งไปที่ชั้น 2 และ 5 และมีเพียงสัญญาณความถี่ต่ำมากเท่านั้น หรือดีกว่านั้น ไม่มีสายสัญญาณเลย (เพียงแค่แผ่นประสาน) ถูกส่งไปที่ชั้น 1 และ 6

หากใช้ พื้นที่ที่ไม่ได้ใช้บนชั้น 1 และ 6 ควรปูและยึดด้วย VIAS กับพื้นหลักในสถานที่ต่างๆ ให้ได้มากที่สุด

การกำหนดค่านี้เป็นไปตามเป้าหมายเดิมของเราเพียงเป้าหมายเดียว (เป้าหมาย 3)

ด้วยหกชั้นที่มีอยู่ หลักการของการจัดหาสองชั้นที่ฝังไว้สำหรับสัญญาณความเร็วสูง (ดังแสดงในรูปที่ 3) นั้นง่ายต่อการใช้งาน ดังแสดงในรูปที่ 6 การกำหนดค่านี้ยังให้พื้นผิวสองชั้นสำหรับสัญญาณความเร็วต่ำ

นี่อาจเป็นโครงสร้างหกชั้นที่พบได้บ่อยที่สุด และอาจมีประสิทธิภาพมากในการควบคุมการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหากทำได้ดี การกำหนดค่านี้เป็นไปตามเป้าหมาย 1,2,4 แต่ไม่ใช่เป้าหมาย 3,5 ข้อเสียเปรียบหลักคือการแยกระนาบกำลังและระนาบพื้น

เนื่องจากการแยกนี้ จึงมีความจุระหว่างระนาบกำลังและระนาบพื้นไม่มากนัก ดังนั้นจึงต้องออกแบบการแยกส่วนอย่างระมัดระวังเพื่อรับมือกับสถานการณ์นี้ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการดีคัปปลิ้ง โปรดดูเคล็ดลับเทคนิคการดีคัปปลิ้งของเรา

โครงสร้างลามิเนตหกชั้นที่เกือบจะเหมือนกันและมีมารยาทดีแสดงไว้ในรูปที่ 7

H1 หมายถึงเลเยอร์การกำหนดเส้นทางแนวนอนของสัญญาณ 1, V1 หมายถึงเลเยอร์การกำหนดเส้นทางแนวตั้งของสัญญาณ 1, H2 และ V2 แสดงถึงความหมายเดียวกันสำหรับสัญญาณ 2 และข้อดีของโครงสร้างนี้คือสัญญาณการกำหนดเส้นทางแบบตั้งฉากจะอ้างถึงระนาบเดียวกันเสมอ

เพื่อทำความเข้าใจว่าเหตุใดจึงสำคัญ ให้ดูส่วนเกี่ยวกับระนาบสัญญาณเพื่ออ้างอิงในตอนที่ 6 ข้อเสียคือสัญญาณชั้น 1 และชั้น 6 ไม่ได้รับการป้องกัน

ดังนั้นชั้นสัญญาณควรอยู่ใกล้กับระนาบที่อยู่ติดกันมากและควรใช้ชั้นแกนกลางที่หนาขึ้นเพื่อสร้างความหนาของแผ่นที่ต้องการ ระยะห่างของจานหนา 0.060 นิ้วโดยทั่วไปน่าจะเป็น 0.005 “/ 0.005” / 0.040 “/ 0.005” / 0.005 “/ 0.005” โครงสร้างนี้เป็นไปตามเป้าหมาย 1 และ 2 แต่ไม่เป็นไปตามเป้าหมาย 3, 4 หรือ 5

อีกแผ่นหกชั้นที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมแสดงในรูปที่ 8 มีชั้นสัญญาณฝังสองชั้นและพลังงานที่อยู่ติดกันและระนาบพื้นเพื่อให้เป็นไปตามวัตถุประสงค์ทั้งห้าประการ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดคือมีสายไฟเพียงสองชั้นเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่ค่อยได้ใช้บ่อยนัก

แผ่นหกชั้นสามารถเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้ง่ายกว่าแผ่นสี่ชั้น นอกจากนี้เรายังมีข้อได้เปรียบของเลเยอร์การกำหนดเส้นทางสัญญาณสี่ชั้นแทนที่จะถูกจำกัดเพียงสองเลเยอร์

เช่นเดียวกับแผงวงจรสี่ชั้น PCB หกชั้นบรรลุเป้าหมายสี่ในห้าของเรา เป้าหมายทั้งห้าสามารถบรรลุได้หากเราจำกัดตัวเองไว้ที่เลเยอร์การกำหนดเส้นทางสัญญาณสองชั้น โครงสร้างในรูปที่ 6 รูปที่ 7 และรูปที่ 8 ทำงานได้ดีจากมุมมองของ EMC