Eine der grundlegendsten Überlegungen beim PCB-Design ist die Bestimmung, wie viele Routing-Lagen, Masseflächen und Stromversorgungsebenen benötigt werden, um die funktionalen Anforderungen der Schaltung zu erfüllen. Der PCB-Stack-Design ist in der Regel ein Kompromiss unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren. Nachfolgend finden Sie die wichtigsten Prinzipien für den PCB-Stack-Design.
Stapelplanung
Äußere Lagen mit GND und PWR: Diese Schichten dienen hauptsächlich zum Verlegen und Kurzschließen von Leiterbahnen. Bei HDI-Anwendungen (High-Density Interconnect) ist die zweite Schicht häufig eine Signalschicht, die zum Verlegen von Leiterbahnen zwischen Fine-Pitch-BGA-Komponenten verwendet wird. Bei dieser HDI-Anwendung nutzen Hersteller typischerweise Laserbohren für kontrolliert tiefe Bohrungen, um auf die zweite Schicht zuzugreifen.
Ausgleichsschichten: Alle Lagenaufbauten müssen einen ausgewogenen Lagenaufbau von der Mittellinie der Leiterplatte aus aufweisen, um Verformungen zu minimieren oder zu vermeiden. Art und Dicke des Prepregs (vorimprägniertes Material) müssen vor Beginn des CAD-Layouts festgelegt werden.
Überlegungen zur Herstellung: Um eine kontrollierte Impedanz sicherzustellen, ist es notwendig, vor dem CAD-Layout eine Stapelanalyse mit dem Hersteller durchzuführen, um das Kupfergewicht, das Prepreg-Material und die Kerndicke zu bestimmen.
Materialstärke:
- Für Stapelaufbauten mit 1.6–4 Lagen wird 2 mm dickes FR16-Material verwendet.
- 1.8 mm FR4 wird für Stapelaufbauten mit 10–20 Lagen verwendet.
- 2.3 mm FR4 wird für Stapelaufbauten mit 10–32 Lagen verwendet.
Gängige PCB-Dicken:
- A. 0.8 mm (0.031 Zoll)
- B. 1.0 mm (0.040 Zoll)
- C. 1.6 mm (0.062 Zoll)
- D. 1.8 mm (0.070 Zoll)
- E. 2.3 mm (0.090 Zoll)
- F. 3.2 mm (0.125 Zoll)
Stapel-Designprinzipien
Schichtsegmentierung
Bei mehrlagigen Leiterplatten bestehen die Lagen typischerweise aus Signallagen (S), Leistungslagen (P) und Masselagen (GND). Leistungs- und Masselagen liegen üblicherweise direkt aneinander und bilden einen niederohmigen Rückweg für den Stromfluss durch benachbarte Signalleitungen. Signallagen befinden sich meist zwischen diesen Leistungs- oder Massebezugsebenen. Die oberen und unteren Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte dienen typischerweise der Platzierung von Bauteilen und einem geringen Teil des Routings.
Bestimmen einer einzelnen Leistungsreferenzebene
Entkopplungskondensatoren sollten nur auf der oberen und unteren Lage der Leiterplatte platziert werden. Die Leitungsführung, Pads und Vias, die mit diesen Kondensatoren verbunden sind, können deren Leistung erheblich beeinflussen. Daher ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Leiterbahnen zu den Entkopplungskondensatoren so kurz und breit wie möglich sind und die mit diesen Leiterbahnen verbundenen Vias so kurz wie möglich sind.
Bestimmen mehrerer Leistungsreferenzebenen
Mehrere Leistungsreferenzebenen sind in separate Bereiche unterteilt, die jeweils unterschiedliche Spannungspegel bereitstellen. Liegen die Signalebenen an diese Leistungsebenen an, können die Signale auf diesen Ebenen auf schlechte Rückwege treffen, was die Signalintegrität beeinträchtigen kann. Daher sollte die digitale Hochgeschwindigkeitssignalführung von mehreren Leistungsreferenzebenen ferngehalten werden.
Bestimmen mehrerer Massebezugsebenen (Masseebenen)
Mehrere Massebezugsebenen bieten einen niederohmigen Rückweg für Ströme und tragen so zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen (Gleichtakt-EMI) bei. Masse- und Stromversorgungsebenen sollten eng miteinander verbunden sein, und auch Signalebenen sollten eng mit den benachbarten Bezugsebenen verbunden sein.
Entwerfen von Routing-Kombinationen
Die Kombination von Schichten, die eine Signalleitung durchquert, wird als „Routing-Kombination“ bezeichnet. Das optimale Design einer Routing-Kombination verhindert Rückströme zwischen verschiedenen Referenzebenen. Idealerweise sollte der Rückstrom von einem Punkt auf einer Referenzebene zu einem anderen Punkt auf derselben Ebene fließen.
