Mensen verwachten dat elektronische producten rijk aan functies zijn, maar vereisen ook dat ze klein en draagbaar zijn. Dit brengt nieuwe uitdagingen met zich mee voor ontwerpers van printplaten. Om dit te bereiken, wenden ontwerpers zich tot meerlagige PCB's, die meer ruimte bieden voor meer signalen en elektronische schakelingen om een grotere functionaliteit mogelijk te maken. Echter, succesvolle PCB-ontwerp hangt af van zorgvuldige overweging van de PCB-opstelling. Deze cruciale component heeft een directe invloed op de prestaties, betrouwbaarheid, kosten en maakbaarheid van de printplaat. In dit artikel vindt u richtlijnen voor het ontwerpen van een PCB-opstelling, inclusief regels, suggesties en voorbeelden om u te helpen uw opstellingsontwerp beter te voltooien.
Wat is PCB-stackup?
PCB-stapeling verwijst naar de samenstelling van koper- en isolatielagen die een printplaat vormen. Een typische PCB-stapeling bestaat uit afwisselende lagen koper en isolatiemateriaal, zoals prepreg- en kernlagen. De koperlagen bevatten de schakelingen en dienen als geleidende paden voor de elektronische signalen op de printplaat.
De PCB-stapeling is een essentieel aspect van het ontwerp van de printplaat en bepaalt de elektrische eigenschappen van de printplaat, waaronder signaalintegriteit, stroomverdeling en elektromagnetische compatibiliteit (EMC)Het heeft ook invloed op de mechanische en thermische eigenschappen van de printplaat. Het aantal lagen dat in een PCB-opstelling wordt gebruikt, kan flexibel zijn en wordt bepaald door de complexiteit van het circuit en de specifieke ontwerpvereisten.
Een tweelaagse PCB-stapeling is de eenvoudigste en meest voorkomende, maar ontwerpen met hoge dichtheid vereisen mogelijk vier of meer lagen om de benodigde componenten en routing te huisvesten. Ontwerpers moeten de PCB-stapeling tijdens het ontwerpproces zorgvuldig overwegen om ervoor te zorgen dat de printplaat voldoet aan de vereiste elektrische en mechanische eisen en tegelijkertijd kosteneffectief te produceren is. Een goed stapelontwerp kan helpen signaalverlies te minimaliseren, elektromagnetische interferentie te verminderen en een stabiel stroomdistributienetwerk te creëren, wat resulteert in een betrouwbaardere en hoogwaardigere printplaat.
Regels en tips voor het ontwerpen van PCB-stapels
Om een goede stackup te beheren, moet je je aan honderden regels en criteria houden, maar enkele van de belangrijkste zijn:
- Grondvlakborden zijn de beste optie omdat ze signaalroutering in microstrip- of striplineconfiguraties mogelijk maken, wat resulteert in een lagere grondimpedantie en grondruisniveaus.
- Om straling van snelle signalen te voorkomen, is het belangrijk om de signalen via tussenlagen tussen verschillende niveaus te geleiden en grondvlakken als afscherming te gebruiken.
- Signaallagen moeten zo dicht mogelijk bij elkaar worden geplaatst, ook als ze op aangrenzende vlakken liggen, en altijd naast een vlak.
- Meerdere aardvlakken zijn voordelig omdat ze de aardimpedantie van het bord verlagen en de straling verminderen.
- Het is van cruciaal belang dat er een sterke koppeling is tussen het stroomvlak en het aardvlak.
- Vanuit mechanisch oogpunt is een dwarsdoorsnede aan te raden om vervormingen te voorkomen.
- Als de signaalniveaus naast de vlakniveaus liggen, hetzij aarde of stroom, kan de retourstroom door het aangrenzende vlak vloeien, wat helpt om de inductie van het retourpad te verminderen.
- Een mogelijke manier om de ruis- en EMI-prestaties te verbeteren, is door de dikte van de isolatie tussen een signaallaag en het aangrenzende vlak te verkleinen.
- Bij het kiezen van materialen op basis van hun elektrische, mechanische en thermische eigenschappen is het van groot belang om rekening te houden met de dikte van elke signaallaag. Hierbij moet u rekening houden met standaarddiktes en de kenmerken van verschillende soorten printplaatmaterialen.
- Voor het ontwerpen van de stapeling moet hoogwaardige software worden gebruikt, waarbij de juiste materialen uit de bibliotheek worden geselecteerd en impedantieberekeningen worden uitgevoerd op basis van de afmetingen.
Aanbevolen materiaal en dikte
De drie primaire componenten van een PCB-opstelling zijn koper, isolatie en aardingsvlak. De materiaalkeuze en dikte van elk van deze componenten spelen een cruciale rol bij het bepalen van de prestatiekenmerken.
- Koperen lagen
Er zijn verschillende soorten koper verkrijgbaar, elk met zijn eigen unieke smelttemperatuur, elektrische geleidbaarheid en thermische uitzettingscoëfficiënt. De koperkeuze is meestal gebaseerd op de ontwerpvereisten. Het is belangrijk om te weten dat dikkere koperlagen de algehele robuustheid van het ontwerp verbeteren, maar ook de kosten van de printplaat verhogen.
- Isolatie Lagen
FR-4 Epoxy, glasepoxy en paryleen-gecoate materialen zijn de meest gebruikte isolatiematerialen in printplaten (PCB's). De keuze van de juiste isolatiematerialen is afhankelijk van de toepassingsomgeving. Om de EMI-afscherming te verbeteren en de duurzaamheid van de printplaat te verbeteren, is het raadzaam om een zo dik mogelijke isolatielaag te gebruiken. Een te dikke isolatielaag kan echter de kwaliteit van de sporen en via's beïnvloeden.
- Grondvlaklagen
Koper en nikkel zijn de meest gebruikte materialen voor het aardvlak. De keuze van het materiaal voor het aardvlak is gebaseerd op de ontwerpvereisten en het type soldeermasker. De aanbevolen dikte voor het aardvlak ligt tussen 0.1 mm en 0.25 mm. Hoewel een dikker aardvlak betere prestaties levert, leidt het ook tot een groter printplaatje.
Voorbeelden van PCB-stapelontwerpen
4-laags PCB-stackup
Een standaard 4-laags PCB-opstelling bestaat doorgaans uit een dikke kernlaag in het midden van de printplaat, omgeven door twee dunnere prepreglagen. De oppervlaktelagen worden voornamelijk gebruikt voor signalen en de montage van componenten. De binnenste lagen zijn vaak bestemd voor voedings- en aardingsnetten. Through-hole via's worden vaak gebruikt om verbindingen tussen de lagen te maken. Op de buitenste lagen wordt een soldeermasker met blootliggende pads aangebracht om de montage van SMD- en through-hole componenten mogelijk te maken.
6-laags PCB-stackup
Het ontwerp van een 6-laags PCB-opstelling is vergelijkbaar met dat van een 4-laags ontwerp, maar heeft twee extra signaallagen tussen de vlakken. Dit resulteert in twee begraven lagen die ideaal zijn voor hogesnelheidssignalen en twee oppervlaktelagen die geschikt zijn voor het routeren van lagesnelheidssignalen. Door de signaallagen dicht bij de aangrenzende vlakken te plaatsen en een dikkere kern te gebruiken om de gewenste printplaatdikte te bereiken (bijv. 62 MIL), kunnen de EMI-prestaties aanzienlijk worden verbeterd.
8-laags PCB-stackup
Voor een 8-laags PCB-opstelling moet het ontwerp ten minste drie voedings-/aardvlakken bevatten om de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) te verhogen en EMI-gerelateerde problemen te minimaliseren. PCB-ingenieurs en -ontwerpers houden doorgaans rekening met de vereisten van het circuit bij het ontwerpen van de opstelling.
Conclusie
Het ontwerp van de PCB-stapeling is een cruciaal aspect voor zowel elektronica-ingenieurs als ontwerpers. Om hoogwaardige elektronica te produceren, moet rekening worden gehouden met verschillende factoren. Zonder een goed ontworpen PCB-stapeling kunnen de kwaliteit en prestaties van het eindproduct ernstig worden aangetast. Daarom is het belangrijk dat ontwerpers zorgvuldig te werk gaan. selecteer de juiste PCB-materialen en constructie voor optimale resultaten. Als u geen expertise heeft in het ontwerpen van PCB-stapels, overweeg dan om samen te werken met een PCB-ontwerpspecialist. Het PCB-team van MOKO-technologie heeft ruime ervaring in het ontwerpen van complexe stack-ups, waaronder multilayer en HDI stack-ups. Wij kunnen u helpen bij het ontwerpen van een kosteneffectieve en produceerbare stack-up die voldoet aan alle elektrische eisen.
