Успешный проект разводки печатной платы зависит от проектирования стекапа (структуры слоёв)
Правильное составление стекапа важно, потому что оно формирует успешный результат проектирования печатной платы.
На сегодняшний день современные микросхемы работают в наносекундном диапазоне; самые скоростные из них это передатчики, которые имеют пороги срабатывания менее чем 100 пикосекунд. С ростом скорости работы микросхем возникает необходимость контроля импеданса проводников печатной платы. Это необходимо для обеспечения требований по целостности сигнала.
Так же для обеспечения требований электромагнитной совместимости следует соблюдать непрерывность референсных слоёв.
При разработке стекапа важно прорабатывать разные варианты его компоновки. Здесь учитывают возможности производства. сложность изготовления данной структуры слоёв и избежание дополнительных затрат при производстве печатной платы.
Проектирование и оптимизация структуры слоёв (stackup) печатной платы
Рис 1. Пример стекапа
Существуют четыре ключевые составляющие успешного стекапа для печатных плат:
- Целостность сигнала (Signal Integrity);
- Перекрестные помехи (Crosstalk);
- Электромагнитное влияние (Electromagnetic Interference);
- Производственные затраты.
Целостность сигнала
Под целостностью сигнала понимают его качество. В цифровых системах сигнал с идеальной целостностью сигнала представляет собой трапецию.
В реальности всегда существует некое искажение сигнала на плате. Всегда существует вопрос, на сколько плата вносит искажение в сигнал и как это влияет на функциональность и надёжность изделия. Искажение формы сигнала может быть настолько серьезным, что это повлияет на временные интервалы и приведёт к нерабочему состоянию изделия в целом.
Рис 2. Глазковая диаграмма
Ringback, overshoot, undershoot и non-monotonic edges это некоторые из параметров которые позволяют определять качество, то есть целостность сигнала в проектировании.
Два самых важных параметра которые влияют на целостность сигнала на печатной плате это однородность импеданса (его неизменность) и потери (резистивные и в диэлектрические).
Импеданс разрывов
Различные технологии передачи данных требуют различных значений импеданса проводников печатной платы. Например, рекомендуемое значения импеданса для DDR и DDR2 составляет 60 Ом и 50 Ом соответственно. Значение импеданса проводника определяет его ширина, толщина и расстояние до опорного слоя.
Для задания определённого значения импеданса необходимо рассчитать необходимые параметры проводника в стекап печатной платы. Обычно, вся необходимая информация по стекап и импедансам проводников предоставляется производителем печатных плат исходя из наличия доступных у него материалов и технологических возможностей.
Перекрестные помехи (Crosstalk)
Взаимовлияние энергий сигналов (индуктивное и ёмкостное) одного проводника на другой называют перекрестными помехами. Хорошо спроектированная структура слоёв (стекап) может значительно уменьшить влияние перекрестных помех на печатной плате.
Рис 3. Перекрестные помехи
В цифровых системах перекрестные помехи индуктивного характера преобладают над помехами емкостного. Индуктивное взаимовлияние возникает в результате магнитных полей обратного тока сигналов.
Существует три главных метода уменьшения перекрестных помех на печатной плате. Самый простой, но в свою очередь затратный это увеличение расстояния между заданными проводниками. Обычно принято использовать расстояние между проводниками равное 3Х где Х – толщина диэлектрика (расстояние проводника до опорного слоя). Например, если толщина диэлектрика равно 5 мил то необходимое расстояние между проводниками должно быть минимум 15 мил. Это практический совет, который позволяет уменьшить перекрестные помехи на большинстве современных печатных плат. В свою очередь такой метод может потребовать увеличение площади печатной платы или добавление дополнительных внутренних слоёв.
Другие два метода уменьшения перекрестных помех это разводка проводников перпендикулярно в соседних слоях и уменьшение толщины диэлектрика. Это более легко выполнимо и не так сильно влияет на стоимость изделия в целом.
Электромагнитное влияние (EMI)
Излучение энергии от одного электронного компонента на другой способно нарушить корректное функционирование изделия.
Соответствие стандартам электромагнитного влияния EMI таких как FCC, CISPR или VCCI устанавливает уровни целостности сигнала и уровни перекрестных помех данной печатной платы. Контроль этих параметров уменьшает электромагнитное влияние (EMI) на печатной плате.
Рис 4. Электромагнитные помехи (EMI)
При проектировании печатной платы лучший эффект EMI дает проектирование пути следования сигнала, а именно проектирование самого проводника (трассы). Здесь всегда следует учитывать и путь следования обратного тока сигнала.
Существует несколько источников электромагнитных помех на печатной плате. Самый влиятельный это площадь зоны проводника с обратным током идущих около высокоскоростных источников излучения (скоростные проводники).
Уменьшение электромагнитного влияния (EMI) – это уменьшение площади зоны проводника и обратного тока под ним. Чем меньше эта зона – тем меньше EMI. По пути следования обратного тока не должно быть разрывов. Чем длиннее путь обратного тока, тем выше уровень электромагнитных помех.
Производственные затраты
Цена производства печатной платы может влиять на успех продаж продукта на рынке.
Производственные затраты всегда влияют на стоимость продукта в целом. Поэтому важно убедиться, что цены на производство вашего продукта выгодны для вас и это позволит вашему продукту оставаться конкурентоспособным на рынке.
Очень важно тесное сотрудничество между проектировщиками изделия и поставщиками материалов, производством и т.д. Это позволит конструкторам выбрать необходимые материалы и технологии, которые существуют на рынке по выгодной цене и в тоже время соответствуют требованиям проектируемого изделия.
По возможности лучшим выбором материалов является те которые доступны у вашего поставщика. Это позволяет не «распылятся» а всё купить в одном месте. Это касается и производителя плат – лучше использовать те материалы (толщины диэлектриков) которые имеются у него в наличии.
Краткие выводы
Успешное проектирование печатной платы во многом зависит от проектирования стекап (структуры слоёв). Хороший стекап позволяет конструкторам оптимизировать целостность сигнала, перекрестные помехи и электромагнитное влияние.
Для целостности сигнала проектировщикам важно минимизировать неоднородность топологий проводников. Перекрестные помехи на печатной плате можно уменьшить если сигналы будут идти как можно ближе к опорному слою.
Уменьшение толщины диэлектрика
Уменьшение электромагнитного влияния (излучения) достигается также уменьшением толщин диэлектриков а также экранированием проводником с частичным или полным их переносом на внутренние слои. Внимательный выбор материалов для стекап также уменьшает стоимость производства печатной платы.