Elektronische Produkte sollen funktionsreich sein, gleichzeitig aber klein und tragbar. Das stellt Leiterplattenentwickler vor neue Herausforderungen. Um dies zu erreichen, nutzen Entwickler Mehrschichtleiterplatten, die mehr Platz für mehr Signale und elektronische Schaltungen bieten und so eine höhere Funktionalität ermöglichen. Erfolgreiche PCB-Design Der sorgfältige Aufbau der Leiterplatte hängt von der sorgfältigen Planung ab. Diese kritische Komponente beeinflusst direkt die Leistung, Zuverlässigkeit, Kosten und Herstellbarkeit der Leiterplatte. In diesem Artikel finden Sie Hinweise zum PCB-Aufbaudesign, einschließlich Regeln, Vorschlägen und Beispielen, die Ihnen helfen, Ihren Aufbau zu optimieren.
Was ist PCB-Stackup?
Der PCB-Stackup bezeichnet die Anordnung der Kupfer- und Isolierschichten einer Leiterplatte. Ein typischer PCB-Stackup besteht aus abwechselnden Kupfer- und Isolierschichten, wie beispielsweise Prepreg- und Kernschichten. Die Kupferschichten enthalten die Schaltkreise und dienen als Leiterbahnen für die elektronischen Signale auf der Platine.
Der PCB-Stackup ist ein wesentlicher Aspekt des Designs der Platine und bestimmt die elektrischen Eigenschaften der Platine, einschließlich Signalintegrität, Stromverteilung und Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Es beeinflusst auch die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Platine. Die Anzahl der in einem PCB-Stackup verwendeten Schichten kann flexibel sein und wird durch die Komplexität der Schaltung und die spezifischen Designvoraussetzungen bestimmt.
Ein zweilagiger PCB-Aufbau ist die einfachste und gebräuchlichste Variante. Für hochdichte Designs können jedoch vier oder mehr Lagen erforderlich sein, um die erforderlichen Komponenten und das Routing unterzubringen. Designer müssen den PCB-Aufbau während des Designprozesses sorgfältig prüfen, um sicherzustellen, dass die Platine die notwendigen elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllt und gleichzeitig kostengünstig herzustellen ist. Ein korrekter Aufbau trägt dazu bei, Signalverluste zu minimieren, elektromagnetische Störungen zu reduzieren und ein stabiles Stromverteilungsnetz bereitzustellen. Dies führt zu einer zuverlässigeren und leistungsstärkeren Leiterplatte.
Regeln und Tipps zum PCB-Stackup-Design
Um einen guten Stapelaufbau zu erzielen, müssen Hunderte von Regeln und Kriterien befolgt werden. Zu den wichtigsten zählen jedoch:
- Masseplatinen sind die bevorzugte Option, da sie eine Signalführung in Mikrostreifen- oder Streifenleitungskonfigurationen ermöglichen, was zu einer geringeren Masseimpedanz und niedrigeren Masserauschpegeln führt.
- Um die Strahlung von Hochgeschwindigkeitssignalen zu verhindern, ist es wichtig, diese auf Zwischenschichten zwischen verschiedenen Ebenen zu leiten und dabei Masseflächen als Abschirmung zu verwenden.
- Signalebenen sollten möglichst nah beieinander platziert werden, auch wenn sie sich auf benachbarten Ebenen befinden, und immer neben einer Ebene.
- Mehrere Masseflächen sind von Vorteil, da sie die Masseimpedanz der Platine senken und die Strahlung reduzieren.
- Eine starke Verbindung zwischen den Strom- und Masseflächen ist von entscheidender Bedeutung.
- Um Verformungen zu vermeiden, ist aus mechanischer Sicht ein Querschnitt empfehlenswert.
- Wenn die Signalpegel neben den Ebenenpegeln (Masse oder Stromversorgung) liegen, kann der Rückstrom durch die benachbarte Ebene fließen, was zur Verringerung der Induktivität des Rückwegs beiträgt.
- Eine praktikable Möglichkeit zur Verbesserung der Rausch- und EMI-Leistung besteht darin, die Dicke der Isolierung zwischen einer Signalschicht und der benachbarten Ebene zu reduzieren.
- Bei der Auswahl von Materialien auf Grundlage ihrer elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften ist es von entscheidender Bedeutung, die Dicke jeder Signalschicht unter Berücksichtigung der Standarddicken und der Eigenschaften verschiedener Arten von Leiterplattenmaterialien zu berücksichtigen.
- Für den Aufbauentwurf sollte hochwertige Software verwendet werden, die die geeigneten Materialien aus der Bibliothek auswählt und Impedanzberechnungen auf Grundlage ihrer Abmessungen durchführt.
Empfohlenes Material und Dicke
Die drei Hauptkomponenten eines PCB-Aufbaus sind Kupfer, Isolierung und Massefläche. Die Materialauswahl und -dicke jedes dieser Elemente spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsmerkmale.
- Kupferschichten
Es gibt verschiedene Kupferarten, jede mit ihrer eigenen Schmelztemperatur, elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeausdehnungsrate. Die Auswahl des Kupfers richtet sich in der Regel nach den Designanforderungen. Dickere Kupferschichten verbessern zwar die Gesamtrobustheit des Designs, erhöhen aber auch die Kosten der Platine.
- Isolierschichten
FR-4 Epoxid-, Glasepoxid- und Parylen-beschichtete Materialien sind die am häufigsten verwendeten Isoliermaterialien in Leiterplatten. Die Wahl des geeigneten Isoliermaterials hängt von der Anwendungsumgebung ab. Um die elektromagnetische Abschirmung zu verbessern und die Haltbarkeit der Leiterplatte zu erhöhen, empfiehlt sich eine möglichst dicke Isolierschicht. Eine zu dicke Isolierschicht kann jedoch die Qualität von Leiterbahnen und Durchkontaktierungen beeinträchtigen.
- Masseebenen
Kupfer und Nickel sind die am häufigsten verwendeten Masseflächenmaterialien. Die Auswahl der Masseflächenmaterialien richtet sich nach den Designanforderungen und der Art der Lötmaske. Die empfohlene Dicke der Massefläche liegt zwischen 0.1 mm und 0.25 mm. Eine dickere Massefläche führt zwar zu einer besseren Leistung, vergrößert aber auch die Platine.
Beispiele für PCB-Stackup-Designs
4-lagiger PCB-Stackup
Ein standardmäßiger 4-lagiger Leiterplattenaufbau besteht typischerweise aus einer dicken Kernlage in der Mitte der Platine, umgeben von zwei dünneren Prepreg-Lagen. Die Oberflächenlagen dienen hauptsächlich der Signal- und Bauteilmontage. Die inneren Lagen sind häufig für Strom- und Massenetze vorgesehen. Durchkontaktierungen dienen üblicherweise zur Verbindung der Lagen. Auf den äußeren Lagen wird eine Lötmaske mit freiliegenden Pads aufgebracht, um die Montage von SMD- und THT-Bauteilen zu ermöglichen.
6-lagiger PCB-Stackup
Der Aufbau eines 6-lagigen PCB-Stacks ist mit dem eines 4-lagigen vergleichbar, verfügt jedoch über zwei zusätzliche Signallagen zwischen den Ebenen. Dadurch ergeben sich zwei vergrabene Lagen, die sich ideal für Hochgeschwindigkeitssignale eignen, und zwei Oberflächenlagen, die sich für die Weiterleitung von Niedriggeschwindigkeitssignalen eignen. Die Platzierung der Signallagen nahe an den angrenzenden Ebenen und die Verwendung eines dickeren Mittelkerns, um die gewünschte Plattendicke (z. B. 62 MIL) zu erreichen, können die EMI-Eigenschaften deutlich verbessern.
8-lagiger PCB-Stackup
Bei einem 8-lagigen PCB-Aufbau sollte das Design mindestens drei Strom-/Masseebenen umfassen, um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern und EMI-bezogene Probleme zu minimieren. PCB-Ingenieure und -Designer berücksichtigen beim Entwurf des Aufbaus in der Regel die Anforderungen der Schaltung.
Fazit
Der Aufbau von Leiterplatten ist ein entscheidender Aspekt für Elektronikingenieure und Designer. Um hochwertige Elektronik herzustellen, müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Ohne einen gut konzipierten Leiterplattenaufbau können Qualität und Leistung des Endprodukts erheblich beeinträchtigt werden. Daher ist es für Designer wichtig, sorgfältig zu Wählen Sie die geeigneten PCB-Materialien aus und Konstruktion für optimale Ergebnisse. Wenn Sie keine Erfahrung im PCB-Stack-Design haben, sollten Sie die Zusammenarbeit mit einem PCB-Design-Spezialisten in Betracht ziehen. Das PCB-Team von MOKO-Technologie verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung komplexer Stack-Ups, einschließlich Multilayer- und HDI-Stack-Ups. Wir unterstützen Sie bei der Entwicklung eines kostengünstigen und fertigungsgerechten Stack-Ups, der alle elektrischen Anforderungen erfüllt.
