Правильная структура слоев с первого раза: руководство для каждого инженера
Достаточно ли времени вы тратите на проектирование структуры слоев? Если вы поступаете так же, как большинство конструкторов, то, скорее всего вы просто решаете, сколько слоев вам понадобится, а все остальное перекладываете на плечи изготовителя. Согласитесь, неверно спроектированная структура слоев может привести к неприятным проблемам, таким как избыточное тепловыделение, перекрестные помехи и несогласованность полного сопротивления. Чтобы не столкнуться ни с одной из этих проблем, каждая из которых может нанести огромный ущерб вашему проекту, лучше сразу позаботится о структуре, применив все свои знания непосредственно на этапе проектирования. Готовы к новому взгляду на проектирование структуры слоев? Давайте посмотрим, как можно каждый раз безошибочно и с первого раза составлять структуру слоев.
Структура слоев вчера и сегодня
Прошли те дни, когда печатные платы были односторонними и не имели переходных отверстий. В то время тактовые частоты не превышали 100 кГц, и в основном использовались радиодетали, устанавливаемые в отверстия. В наши дни можно встретить печатные платы с 50 слоями, имеющие электронные компоненты, установленные на обеих сторонах, а некоторые компоненты на них даже размещены между слоями. Сейчас килогерцовые сигналы передаются на скорости 28 Гб/с и более. Смысл в том, что по мере развития технологии производства печатных плат, увеличилась важность предварительного планирования структуры слоев в начале разработки конструкции платы.
Прощайте однослойные платы. В наши дни структуры слоев куда сложнее
На первый взгляд структура слоев может выглядеть обманчиво простой. В конце концов, разве она не описывает всего лишь базовую конструкцию печатной платы, состоящей из набора слоев? Не смотря на то, что структура слоев может быть просто визуальным отображением поперечного сечения печатной платы, ее роль крайне важна для вашей конструкции. Знаете ли вы, что она может:
Помочь вам минимизировать излучение и защитить вашу электронную схему от воздействия внешних источников шума;
Помочь вам уменьшить перекрестные помехи и проблемы с полным сопротивлением при разработке конструкций высокоскоростных печатных плат;
Помочь вам найти равновесие между решением проблем целостности сигналов и потребностью в недорогих и эффективных методах производства.
И что самое важное – знаете ли вы, что правильно спроектированная структура слоев – это один из самых ценных инструментов для улучшения электромагнитной совместимости вашей конструкции? Поэтому, прежде чем браться за расчет полных сопротивлений или за выравнивание длин токопроводящих дорожек для минимизации электромагнитных помех на вашей плате, вам следует начать с правильного планирования структуры слоев.
Не имея плана использования материалов, представления о порядке их расположения, вы впоследствии можете столкнуться с такими проблемами, как плохие электрические характеристики, увеличенное электромагнитное излучение и даже со сбоями синхронизации. Все эти проблемы, а также многие другие могут быть решены, если вы сделаете усилие и сразу правильно спланируете структуру слоев.
Какая структура слоев нужна вам?
Ответ на этот вопрос главным образом зависит от заданных требований к вашей конструкции. В наши дни печатные платы, изготавливаемые на производстве, можно разбить на две основные категории: однослойные печатные платы и многослойные печатные платы. Остановимся на них поподробнее.
Однослойная печатная плата идеальна для большинства простых устройств. Она имеет один или два слоя, выполненных из меди (верхний и нижний слои), на которых размещаются радиодетали и токопроводящие дорожки. Поскольку такие платы не являются темой данного блога, хорошо просто знать, что они все еще существуют и применимы до диапазона частот не более 25 МГц.
Большее количество слоев дает вам не только возможность размещения большего числа токопроводящих дорожек. По мере роста требований к рабочей частоте, вы начинаете жить в мире многослойных печатных плат. Этот тип плат имеет преимущество, заключающееся во множестве ядер, которые имеют симметрично-сбалансированную структуру чередующихся слоев меди, разделенных слоями изоляционного материала. Взгляните на рисунок ниже, где изображена структура слоев печатной платы с восемью слоями.
Структура печатной платы с восемью слоями.
Здесь много места для высокочастотных сигналов
Но зачем вам вообще использовать многослойную печатную плату? Вот несколько веских причин:
Хорошо известно, что уровень излучения четырехслойной печатной платы на 15 дБ меньше, чем у двухслойной печатной платы с теми же самыми характеристиками;
Огромное преимущества проектирования многослойной печатной платы заключается в том, что она может содержать отдельные слои для заземления, сигнала, питания и т. д.;
Многослойные печатные платы позволяют также формировать из токопроводящих дорожек микрополосковые линии и полосковые волноводы.
Выбирая многослойную печатную плату, вы также получаете преимущество в том, что у вас появляется несколько слоев для заземления, которые помогают уменьшить полное сопротивление и помехи на заземляющем слое в каждой конструкции. Все еще не уверены, что вам нужна многослойная печатная плата?
Воспользуйтесь нашим общим эмпирическим правилом: если частотный диапазон превышает 10-15 МГц, то для выполнения задачи необходимы многослойные печатные платы
Планирование структуры слоев
При планировании структуры слоев, большинство конструкторов просто определяют необходимое количество слоев и что-нибудь еще. Тем не менее, необходимо найти куда большее число неизвестных при планировании полноценного набора слоев, в том числе:
Сколько слоев требует ваша конструкция;
Какое расстояние необходимо между слоями;
Как слои должны быть структурированы и организованы;
Какое количество слоев питания/заземления требует ваша конструкция.
Когда вы решаете, сколько слоев необходимо для вашей конструкции, вы все глубже погружаетесь в детали, появляются новые ограничения, которые нужно учитывать, например:
Количество сигнальных линий, которые необходимо проложить;
Частота ваших сигналов
Какому типу требований ECC к электромагнитному излучению должна удовлетворять ваша плата – по классу А или по классу В.
Найдя не одну, а все эти переменные, вы можете переходить к расчету требуемой конструкцией количества слоев. Также вы можете воспользоваться таблицей ниже для оценки количества слоев вашей платы на основании плотности расположения выводов компонентов:
Вы также можете использовать уравнение ниже для расчета необходимого количества слоев для токопроводящих дорожек:
Здесь M – общее необходимое количество слоев для токопроводящих дорожек, которое рассчитывается путем умножения количества связей N на средний шаг Pavg и деления на длину и ширину платы lh.
Расположение слоев
После того, как вы определились с тем, сколько слоев требуется для вашей конструкции, вы можете переходить к организации их в логическую структуру. На этом этапе вам необходимо определить порядок расположения как сигнальных слоев, так и слоев питания/заземления. Учитывая эти соображения, мы предлагаем несколько общих принципов конструирования печатных плат, которым нужно следовать при планировании расположения слоев:
Сигнальный слой должен всегда располагаться рядом со слоем заземления. Так обратный сигнал получит эффективный путь прохождения от источника к цели;
Необходимо располагать сигнальный слой рядом с внутренним слоем питания. Так вы сможете экранировать сигнальный слой от любого излучения;
В высокочастотных конструкциях выделенный сигнальный слой должен располагаться между другими слоями. Окружающие слои будут выступать в качестве экрана, уменьшая излучение;
Всегда располагайте слой заземления между двумя соседними сигнальными слоями. Таким образом, вы уменьшите вероятность возникновения перекрестных помех, влияющих на передачу сигнала;
Рассмотрите возможность использование нескольких слоев заземления, если это возможно. Это поможет снизить полное сопротивление заземления вашей платы и уменьшит синфазное излучение.
При планировании расположения слоев следует иметь в виду, что разработчикам часто приходится идти на компромисс при выборе между соседним расположением слоя сигнала и слоя заземления и соседним расположением слоя питания и слоя заземления. При обычных способах производства печатных плат обычно не хватает емкости между внутренними слоями питания и заземления для обеспечения избыточной развязки на частотах ниже 500 МГц.
Из-за этого ограничения, вам, скорее всего, захочется использовать сильную связь между сигнальным слоем и слоем обратного сигнала. Связывание сигнального слоя и слоя обратного сигнала дает множество преимуществ - правильную синхронизацию сигнала и уменьшение излучения, которые вы теряете, если располагается слои питания не вплотную друг к другу.
Шаблоны структур слоев
Хотя ваша структура слоев является уникальной, не будет лишним воспользоваться примерным шаблоном, предлагаемым изготовителем печатных плат. Ниже вы найдете примеры структур слоев, которые помогут вам в проектировании четырех-, шести- и восьмислойных плат.
Четырехслойная структура
Пример четырехслойной структуры
В этой структуре высокочастотные сигналы передаются в верхнем слое Top Layer 1, а назад возвращаются по эффективному пути на слое Layer 2 (слой заземления). Для высокочастотных сигналов на нижнем слое Bottom Layer 4 опорным является слой питания Layer 3, и это требует установки конденсаторов связи между слоем питания и слоем заземления.
В этой структуре рекомендуется размещать токопроводящие дорожки для высокочастотных сигналов на верхнем слое Top Layer. Таким образом, у них будет прямой путь к земле. Но если ваша конструкция требует размещения дорожек для высокочастотных сигналов на нижнем слое Bottom Layer 4, вы можете просто поменять местами слои Layer 2 и Layer 3, чтобы сделать это возможным.
Шестислойная структура
Пример шестислойной структуры
В этой структуре высокочастотные сигналы передаются в верхнем слое Top Layer 1, опорным слоем для них является слой Layer 2. Конденсаторы необходимы для связи этого слоя с опорным слоем питания и слоем заземления.
В отличие от четырехслойной структуры, эта структура разработана для размещения слоев передачи высокочастотных сигналов по нижнему слою с непосредственным опорным слоем заземления Layer 5. Слои Layer 3-4 служат для размещения дорожек для низкочастотных сигналов с опорными слоями Layer 2 и Layer 5.
Восьмислойная структура
Пример восьмислойной структуры
В этой структуре высокочастотные сигналы передаются в верхнем слое Top Layer 1, опорным слоем для них является слой заземления Layer 2. Также можно видеть, что слой Layer 3 имеет тот же слой заземления, и тот же опорный слой. Если в этой структуре токопроводящие дорожки будут располагаться на слое Layer 3, вам определенно понадобятся конденсаторы для связи между слоями питания и заземления.
Также вы можете воспользоваться слоем Layer 6, если вам нужно расположить дорожки для высокочастотных сигналов, для которых критически важным является контроль полного сопротивления. С этим слоем будет меньше проблем с электромагнитным излучением, потому что он экранирован между двумя слоями заземления.
Документирование вашей структуры слоев
После того, как вы определили и разместили слои в структуре, вам следует обеспокоиться подготовкой документации для изготовителя. Это важный шаг, поскольку большое количество брака в процессе производства печатных плат происходит из-за неверного расположения слоев.
Кроме простого создания файлов стандарта Gerber для каждого слоя вашей конструкции, существует несколько стратегий, которые помогут сделать документацию по вашей структуре слоев более понятной изготовителю. Давайте перечислим их.
Добавление файла README («Прочти меня»)
Программное обеспечение для разработки печатных плат помещает каждый слой печатной платы в отдельный файл. Вам необходимо определить, как эти слои будут располагаться в законченной структуре слоев. Чтобы сделать это, просто добавьте файл README («Прочти меня»), в котором укажите производителю печатных плат порядок следования слоев и имена соответствующих им файлов данных, например, так, как показано ниже:
Нанесение номера слоя непосредственно на его поверхность
В программном обеспечении для разработки печатных плат мы также рекомендуем размещать номер слоя непосредственно на поверхности токопроводящего слоя. Это обозначение номера слоя будет легко заметно изготовителю печатной платы. При просмотре профиля чертежей печатных плат в приложении, порядок номеров будет показан для каждого слоя платы, слой можно будет найти гораздо проще. Чтобы воспользоваться этой функцией, необходимо добавить паяльную маску высотой 100 mil вокруг каждого номера слоя.
Добавление индексной полосы на медный слой
Не смотря на то, что снабжение слоев номерами полезно, номера полностью не описывают организацию стопки слоев в физическом исполнении. Чтобы решить эту проблему, вы можете добавить то, что называется индексной полосой («stacking stripe») на край каждого слоя печатной платы.
Чтобы сделать это, найдите первый слой печатной платы и добавьте рамку 200 mil x 50 mil так, чтобы она выступала с края первого слоя. Затем повторите этот процесс для каждого последующего слоя, сдвигая на каждом слое полосу на 200-250 mil.
В конце концов, вы получите набор индексных полос в виде лесенки, которые будут показывать, в правильном ли порядке расположены слои печатной платы. Это поможет проведению быстрого визуального осмотра в целях контроля качества, а также даст возможность изготовителю печатных плат сразу же правильно собрать слои печатных плат в единую плату.
Получите правильную структуру слоев
Нет никаких причин экономить на процессе тщательного планирования структуры слоев с самого начала процесса разработки. В то время как многие конструкторы прекрасно справляются с определением количества слоев и оставляют остальное изготовителю, появляется большой шанс возникновения проблем в будущем. Среди них – излучение, перекрестные помехи и проблема с целостностью сигнала. Вы лучше знаете вашу конструкцию, поэтому разве не разумно самому контролировать процесс проектирования печатной платы и формирования структуры слоев? Тщательно спланировав структуру слоев с первого раза, вы сделаете вашу плату удовлетворяющей требованиям электромагнитной совместимости (EMC).