PCB yığın tasarım kılavuzu | Malzeme seçiminden yığın tasarımına

PCB yığını nedir?

Normal şartlar altında, sıradan tek veya çift taraflı panolar tasarlarken, PCB'nin laminasyon problemini dikkate almaya gerek yoktur. Genellikle, bakır kalınlığına ve tasarım gereksinimlerini karşılayan bir plaka kalınlığına sahip bakır kaplı bir tahta doğrudan işleme için doğrudan seçilir. Bununla birlikte, 4'ten fazla katmana sahip bir PCB tasarlarken, istifleme tasarımı PCB'nin performansını ve fiyatını doğrudan etkiler.

16 katmanlı kartın istiflenmiş tasarımı

Çok katmanlı PCB, laminasyon tasarımına göre birleştirilen ve birlikte preslenen bakır kaplı çekirdek levha (Core), prepreg (PP) ve bakır folyodan yapılmıştır.

PCB tasarımına başlamadan önce, Layout mühendisleri devre kartının boyutuna, devrenin ölçeğine ve elektromanyetik uyumluluk (EMC) gereksinimlerine göre PCB katmanlarının sayısını belirleyecek, ardından bileşenlerin düzenini belirleyecek ve son olarak sinyal katmanının, güç katmanının ve toprak katmanının bölünmesini onaylayacaktır.

PCB yığın tasarım ilkeleri

PCB diziliminin katman sayısı, sinyal tipi, kart kalınlığı, malzeme seçimi, bakır kalınlığı, empedans kontrolü, EMI/EMC ekranlama, termal yönetim, maliyet ve test edilebilirlik gibi birçok açıdan değerlendirilmesi gerekir.

Yüksek hızlı sinyal kablolaması için sinyal bütünlüğü gereksinimlerini karşılar

Önemli sinyal hatları için, çapraz karışma kuplajını en aza indirmek için GND/Sinyal/GND, bitişik sinyal katmanlarının şerit hatları ve çapraz dikey kablolamadan oluşan bir yığın kombinasyonu oluşturmak gerekir. Sinyal bütünlüğü açısından bakıldığında, kritik yüksek hızlı sinyaller şerit hattı (Stripline) kablolamayı kullanır ve kritik olmayan yüksek hızlı sinyaller mikroşerit hattı (Microstrip) kablolamayı kullanmayı seçebilir.

Gerekli değilse, Geniş Kenar Bağlantılı Şerit Hattı kullanılması önerilmez. PCB işleme sırasında pozlama ve aşındırma ofsetleri, üst üste binen yanlış hizalamaya neden olarak işleme sürecini zorlaştıracak ve empedans tutarlılığını sağlamayı zorlaştıracaktır.

Mikroşerit ve Şerit Hattı Yönlendirme Türleri

PCB levhaları, PP ve bakır folyo seçimi

FR-4 çoğu PCB'nin ihtiyaçlarını karşılayabilir. Ucuzdur ve iyi bir elektrik performansına sahiptir. Yüksek hızlı PCB'ler, Panasonic'in Megtron4/6 gibi yüksek hızlı kartları kullanacaktır. RF PCB'ler hidrokarbon, Teflon veya seramik substratlar kullanacaktır. Örneğin, otomotiv ışık panelleri gibi yüksek ısı dağılımı gereksinimleri olan tasarım senaryolarında alüminyum bazlı veya bakır bazlı plakalar kullanılırken, Mini LED gibi ekran senaryolarında cam bazlı plakalar kullanılacaktır.

Yönetim kurulunun temel performans göstergeleri aşağıdaki gibidir:

Yüksek hızlı PCB kartı seçimi

Yüksek hızlı PCB, en düşük kayıp tanjantına ve küçük dielektrik sabitine sahip dielektrik malzemelerin seçilmesini gerektirir. Yüksek hızlı PCB tasarımı, fiberglas, dielektrik matris ve bakır dahil olmak üzere malzeme ayrıntılarına özel dikkat gerektirir. Daha yüksek veri hızlarındaki sinyaller daha yüksek frekans birimlerine, daha kısa dalga boylarına ve daha fazla yansıma yaratan empedans süreksizliklerine sahiptir. Cam elyaf etkisi ve bakır folyonun yüzey pürüzlülüğü dikkate alınmalıdır.

Farklı tipteki panoların sinyal zayıflatması

Yukarıdaki grafikte, Tipik FR4 28Gbps'de (Nyquist 14GHz'de) inç başına yaklaşık 2dB ortalama kayba sahiptir ve Megtron6 aynı frekansta sadece 0,85dB'ye sahiptir.

Fiberglas kumaşın getirdiği fiberglas etkisi

Farklı cam elyaflar farklı örgü kalınlıklarına sahiptir ve pencerelerin kalınlığı ve iç içe geçme de farklıdır. Sinyaller pencerelere ve cam elyafa dağıtılırsa, özellikler (empedans, gecikme, kayıp) de farklı olacaktır (açılma). Pencerelerin ve fiberglasın farklı Dk/Df özelliklerinden kaynaklanır), bu fiberglas etkisidir.

Çekirdek levha üretim süreci

Fiberglas kumaş türleri

Fiberglas etkisini hafifletme yöntemleri:

Reçine penceresini en aza indiren fiberglas tipi malzemeler seçin;

Zig-Zag gibi 10° yönlendirme yöntemlerini kullanın;

Levha fabrikasının levhaları yaparken belirli bir açıyla dönmesine izin verin;

Düz fiberglas bez veya düz dokuma bez kullanın.

Bakır folyo pürüzlülüğü

Bakır folyonun pürüzlülüğü (bakır dişler), hatların genişliğini ve hat aralığını düzensiz hale getirerek kontrol edilemeyen empedansa neden olur. Aynı zamanda, deri etkisi nedeniyle, akım iletkenin yüzeyinde yoğunlaşır ve bakır folyonun yüzey pürüzlülüğü sinyal iletiminin uzunluğunu etkiler.

Farklı kalitelerde bakır folyoların yüzey pürüzlülüğü

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, bakır folyo pürüzlülüğünün etkisi 5GHz'in altında çok belirgin değildir. Bakır folyo pürüzlülüğünün 5GHz üzerindeki etkisi gittikçe artmaya başlar. 10Ghz'den daha büyük yüksek hızlı sinyaller tasarlarken özel dikkat gerektirir.

Bakır folyo pürüzlülüğünün neden olduğu yüksek hızlı sinyallerin zayıflaması

PCB'nin her katmanının bakır kalınlığı

PCB bakır folyonun kalınlığı ons (oz) cinsinden ölçülür. Yaygın bakır kalınlıkları, çoğunlukla tüketici ve iletişim ürünlerinde kullanılan 0,5 oz (iç katman), 1 oz (yüzey katmanı) ve 2 oz olmak üzere üç boyutta gelir. 3 oz'un üzeri, genellikle yüksek voltajlı, yüksek akımlı güç elektroniği ürünlerinde kullanılan kalın bakırdır.

Güç kartının istiflenmiş tasarımı

Bakır folyonun kalınlığı, güç/toprak düzlemi bakırının kalınlığının akım taşıma gereksinimlerini karşılaması için istifleme tasarımı sırasında dengelenmelidir. Sinyal katmanı bakırının kalınlığı ile ilgili olarak, hat genişliği/hat aralığı küçüktür ve hassas aşındırma gereksinimlerini karşılamak için bakırın mümkün olduğunca ince olması gerekir. Yüksek hızlı sinyal hatlarının deri etkisi nedeniyle, akım yalnızca bakır folyonun yüzeyine yakın akar. Daha kalın bakır folyo daha iyi performans getirmeyecektir. Bu nedenle, iç sinyal katmanının bakır kalınlığı

genellikle 0,5 ons olan Hoz'dur.

Yığılmış Empedans Kontrolü

PCB üzerindeki birçok arayüz sinyal hattının empedans gereksinimleri vardır, ortak tek uçlu 50Ω, diferansiyel 100Ω, vb. Empedans kontrolü, genellikle dörtten fazla katman gerektiren bir referans düzlemi gerektirir.

Empedans uyumsuzluğu, sinyal bozulması, yansıma ve radyasyon gibi sinyal bütünlüğü sorunlarına neden olarak PCB performansını etkileyebilir. Bakır kalınlığı, dielektrik sabiti, hat genişliği ve izlerin hat aralığı empedansı etkileyecektir. Empedansı çeşitli EDA araçlarına göre hesaplayabilir ve ardından yönlendirme parametrelerini tasarlanan yığın yapısına göre ayarlayabiliriz. Şu anda, geleneksel kart üreticileri empedansı 10%'de kontrol edebilmektedir.

Yığın empedansını hesaplamak için Polar kullanın

lamine gözenek yapısı

PCB'deki delik türleri

Geçiş delikleri (PTH) tüm katmanları bağlamak için PCB boyunca uzanır. Kör yollar, PCB'den geçmeden bir dış katmanı bir veya daha fazla iç katmana bağlayabilir. Gömülü Via sadece PCB'nin iç katmanını bağlar.

Yüksek yoğunluklu (HDI) PCB'ler, kablolama alanını optimize etmek için genellikle kör vialar ve gömülü vialar kullanır. Kör yollar ve gömülü yollar ayrıca PCB'nin birden çok kez preslenmesine ve işlemin artmasına neden olur. PCB üretimi daha zor ve dolayısıyla daha pahalı hale gelir.

Lamine tasarımda, tüm levhanın delik yapısının tasarım ihtiyaçlarına göre tasarlanması ve tasarımı tatmin ederken delik yapısının mümkün olduğunca basitleştirilmesi gerekir.

PCB istiflemesinin EMC tasarımı

PCB yığın EMC tasarlanırken aşağıdaki ilkelere uyulmalıdır:

Karttaki güç düzlemi ve toprak düzlemi mümkün olduğunca birbirine yakın olmalıdır. Genel olarak, toprak düzlemi güç düzleminin üzerindedir. Bu tasarım, güç kaynağının yumuşatma kapasitansı olarak katmanlar arası kapasitansı etkili bir şekilde kullanabilir. Aynı zamanda, toprak düzlemi güç düzlemi üzerinde dağıtılan radyasyon akımında koruyucu bir rol oynar.

Güç ve toprak katmanları iç katmanda dağıtılır ve toprak düzlemi, devre kartındaki doğal ortak mod RF parazitini iyi bir şekilde bastırabilen ve yüksek frekanslı güç kaynağının dağıtılmış empedansını azaltabilen bir koruyucu katman olarak kabul edilebilir.

Kablo katmanı, akı iptalini sağlamak için güç veya toprak düzlemine mümkün olduğunca yakın düzenlenmelidir.

PCB kartı üzerinde radyasyon

PCB İstiflemesinin Termal Tasarımı

PCB yığın tasarımının, termal hasarı önlemek ve devre güvenilirliğini artırmak için bileşenler tarafından yayılan ısının etkili bir şekilde iletilmesini sağlamak için termal yönetimi dikkate alması gerekir. Tasarım sürecinde, önce bileşenlerin güç tüketimine dayalı termal simülasyon gerçekleştireceğiz, bileşen düzenini optimize edeceğiz ve simülasyon sonuçlarına göre ilgili ısı dağıtma çözümlerini tasarlayacağız.

İstifleme tasarımı aşamasında, hedeflenen ısı dağılımı tasarımı da yapılabilir:

Yüksek termal iletkenliğe sahip plakalara öncelik verilir ve gerektiğinde metal alt tabakalar seçilir;

Yüksek güçlü cihazların altında ısı dağıtma pedleri tasarlayın ve ısı dağıtma delikleri kullanın;

Gömülü bakır bloklar ve gömülü bakır sütunlar ısı iletim verimliliğini artırır;

Isı yayılım alanını artırmak için zemin düzlemini artırın ve boş alanı döşeyin.

Kart seviyesinde termal simülasyon

Plaka kalınlığı kontrolü

Geleneksel bitmiş PCB kalınlıkları 0.5mm, 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm, 1.6mm, 2.0mm, 3.2mm, 6.4mm, vb. Genel olarak, küçük alanlara sahip levhalar nispeten incedir. Sık takıp çıkarma, büyük kurulum gerilimi ve geniş alanlara sahip panoların yapısal güvenilirlik açısından daha kalın olması gerekir.

PCB yığın tasarım adımları

PCB yığın tasarımı genellikle aşağıdaki adımları izler:

1. İstifin toplam kalınlığını, yani plaka kalınlığını belirleyin;

2. PCB katmanlarının sayısını belirleyin ve sinyal katmanını, toprak düzlemi katmanını ve güç katmanını atayın;

3. İç ve dış katmanların bakır kalınlığını belirleyin;

4. Empedans hatlarının dağılımını belirleyiniz;

5. Via yapısını belirleyin;

6. Her katmanın artık bakır oranını belirleyin, simetrik olması en iyisidir;

7. Tasarım gereksinimlerini karşılayan plaka, PP ve bakır folyo malzemelerini seçin.

Örnek olarak 12 katmanlı bir pano ele alındığında, tasarlanan istifli yapı aşağıdaki gibidir:

Açıklama: Bu makalenin içeriği internetteki kamuya açık materyallerden derlenmiştir. Telif hakkı orijinal yazarın platformuna aittir ve sadece bilgi paylaşımı için kullanılmaktadır. Herhangi bir ihlal varsa, silmek için lütfen bizimle iletişime geçin.

Başlık Metninizi Buraya Ekleyin

Versa Electronics, isteğe bağlı olarak komple anahtar teslim veya konsinye envanter teklifleri sağlayabilir.