Достаточно ли Вы уделяете времени, чтобы спланировать слои печатной платы? Если Вы поступаете как большинство разработчиков, то вероятно выясняете, сколько понадобится слоев для дизайна, и оставляете все остальное на совести производителя печатных плат. Однако имейте в виду, что если неправильно создать стек слоев, то это может привести к таким неприятностям, как перегрев, перекрестные помехи, несоответствие импеданса. Давайте рассмотрим, как получить корректный стек слоев PCB.

Давно ушли времена, когда печатные платы делались однослойными, без переходных отверстий, рассчитанными на тактовые частоты около 100 кГц, и где использовались компоненты со штыревыми выводами. Сегодня у печатных плат может быть до 50 слоев, с компонентами на обеих сторонах платы, и даже с компонентами, находящимися между слоями. Тактовые частоты и скорости передачи данных возросли до 28+ гигабит/сек. Ключевым вопросом стало правильное проектирование технологии изготовления печатных плат, когда нужно заранее четко спланировать стек слоев, прежде чем начнется разработка платы.

На первый взгляд стек слоев может выглядеть довольно простым. В конце концов что это, как не описание конструкции печатной платы на различных уровнях? Хотя стек может быть выражен простым поперечным сечением Вашей платы, он сильно влияет на то, как будет работать система. Возможно Вы не знаете, на что может повлиять стек слоев:

• Стек может минимизировать радиоизлучение, и защитить Вашу схему от внешних источников электромагнитного шума.
• Может помочь снизить перекрестные связи между сигналами, и устранить проблемы согласования импеданса, что очень важно для высокоскоростных систем.
• Поможет выдержать баланс между целостностью сигналов (Signal Integrity, SI) и ценой производства, с применением эффективных технологических методов.

Что самое важное - правильно спланированный стек слоев это один из самых важных инструментов для улучшения электромагнитной совместимости между разными частями системы (Electromagnetic Compatibility, EMC). Таким образом перед тем, как начать вычислять импедансы линий связи на печатной плате или приводить в соответствие длину трасс с целью улучшить показатели EMC и снизить помехи (EMI), начните с планирования стека слоев. Без хорошего плана относительно того, какие материалы собираетесь использовать, и в каком порядке они будут размещены, Вы можете столкнуться с такими симптомами, как плохие электрические параметры платы, увеличение помех, и даже не прогнозируемые временные задержки.

Какой стек слоев Вам нужен? Ответ на этот вопрос полностью зависит от требований к дизайну. Сегодня изготавливаемые печатные платы делятся на две основные категории: двухслойные платы (проводящий рисунок на верхней и нижней стороне платы, с использованием металлизированных переходных отверстий) и многослойные платы (проводящие ток дорожки и полигоны могут находиться во внутренних слоях платы).

Двухслойные платы (со слоями металлизации Top и Bottom) идеально подходят для не очень сложных электронных устройств (кстати, сегодня используются даже однослойные платы без переходных отверстий, которые максимально дешевы в производстве). Двухслойные платы все еще очень популярны, и они хорошо работают в диапазоне частот до 25 МГц.

При добавлении слоев появляется больше пространства для трассировки проводников. С переходом на более высокие частоты Вы начнете окунаться в мир многослойных печатных плат (multilayer PCB). Эти типы плат получают преимущество от нескольких несущих слоев (multiple cores), состоящих из симметрично чередующихся слоев металла (copper layers) и изолятора (insulating prepreg). Ниже на картинке показан типовой стек из 8 слоев (без указания толщины каждого слоя).

Почему Вы можете захотеть наконец использовать многослойную плату? Вот несколько веских причин:

• Хорошо известно, что 4-слойная плата генерирует на 15 dB меньше помех, чем двухслойная.
• Многослойная плата дает большое преимущество в организации качественных шин земли, питания, и дает большую свободу для трассировки сигнальных проводников.
• Платы с несколькими слоями заливки позволяют создавать трассы микрополосковые линии связи с заданным волновым сопротивлением (microstrip, stripline). Это может помочь управлять импедансом и излучаемыми электромагнитными сигналами лучше, чем это можно реализовать на двухслойной или однослойной плате.

Когда Вы выберете дизайн с многослойной платой, то получите выгоду от использования нескольких заливок земли и шин питания, которые могут помочь снизить их сопротивление и значительно повысить пульсации питания и помехи в системе.

Совет: хорошее правило - если частотный диапазон сигналов превышает 10 .. 15 МГц, то многослойные платы позволят намного качественнее выполнить работу по созданию надежной системы.

[Планирование стека слоев PCB]

При разработке стека слоев большинство разработчиков руководствуются в основном только собственными представлением о том, сколько им понадобится места под разводку проводников. Однако есть больше факторов, которые полезно учитывать:

1. Сколько слоев требует дизайн.
2. Какой интервал должен быть между слоями.
3. Какова должна быть структура слоев, как они должны быть организованы.
4. Сколько требуется сплошных заливок для земли и питания (power/ground planes).

Когда принимается решение о количестве требуемых слоев, спускаются глубже к рассмотрению дополнительных наборов ограничений:

• Количество сигналов, требующих трассировки.
• Рабочая частота сигналов.
• Тип требований ограничения по излучению (FCC emission requirements), которым должна удовлетворять плата: Class A или Class B.
• Внешний тип внешней оболочки, в которую помещается плата - наличие или отсутствие металлического экрана.

Можно также рассмотреть не только эти входные данные, но также и другие, например плотность выводов между компонентами, от чего зависит сложность разводки. Например, если Вы применяете корпуса BGA с шариковыми выводами, расположенными в матрице, то это однозначный фактор в пользу многослойной платы. Можно использовать ориентировочную таблицу, помогающую принять решение о количестве слоев на основе плотности размещения выводов компонентов (pin density, или pitch):

Также можно использовать следующую эмпирическую формулу для определения количества слоев, которое может потребоваться:

       0.37 · Pavg · N
M = ------------------
             (L·H)^0.5

Здесь M это общее количество слоев для разводки, определяемое на основе количества цепей N, среднего интервала между выводами Pavg, и длины платы L и высоты платы H.

[Порядок следования слоев]

Как только вы определили, сколько слоев нужно, то время задуматься о том, какова будет их логическая структура. Нужно учитывать как положение сигнальных слоев (signal layers), так и положение слоев заливок земли и шин питания (power/ground layers). При этом руководствуются следующими основными принципами:

• Сигнальный слой нужно стараться поместить ближе к сплошному слою земли (ground plane). Это даст самый эффективный путь распространения тока/сигнала от источника до получателя.
• Другой слой, который должен быть соседний с сигнальным, это внутренний слой питания (internal power layer). Это даст дополнительное экранирование и снизит излучение помех.
• Для высокоскоростного дизайна выделяется специальный слой для разводки сигналов, изменяющихся с высокой частотой. Этот слой лучше всего разместить между сплошными заливками земли для минимизации излучений.
• Всегда размещайте слой земли между двумя соседними сигнальными слоями. Это уменьшает шанс перекрестных помех (емкостных и индуктивных наводок между сигналами).
• По возможности максимально используйте преимущества нескольких сплошных слоев земли. Это снизит полное сопротивление шины земли и снизит радиоизлучение.

Одна вещь, которую следует иметь в виду - процесс принятия решения о количестве всегда заставляет разработчиков идти на компромисс между близким размещением слоев сигналов и заливки близким размещением слоев земли и питания. При обычных методах производства PCB недостаточно иметь внутреннюю емкость между соседними слоями питания и земли, чтобы обеспечить достаточную развязку при работе с сигналами ниже 500 МГц.

Из-за этого ограничения Вы скорее всего захотите как можно ближе разместить друг к другу цепи сигнала и цепь возврата сигнала (землю GND). Сближение между сигнальным слоем и слоем земли, по которому возвращаются токи, дает больше преимуществ в качественной передаче сигналов и уменьшают помехи.

[Шаблоны стеков слоев]

Хотя организация стека может быть уникальна только для Вашей разработки, никогда не мешает воспользоваться готовыми шаблонами, которые предлагает завод-изготовитель PCB. Ниже будут показаны примеры слоев стеков, которые помогут Вам создать четырех-, шести- и восмислойные платы.

4-слойная PCB. В этом стеке высокоскоростные сигналы размещены у нас на верхнем слое (Top) с эффективным возвратом через слой земли ниже (слой 2, Ground Plane). Высокоскоростные сигналы на нижнем слое (Bottom) возвращаются относительно заливок меди на слое 3, поэтому требуется установка блокирующих конденсаторов между заливкой земли слоя 2 и полигонами питания на слое 3.

В организованном подобным образом стеке рекомендуется высокоскоростные сигналы размещать преимущественно на слое Top. При таком размещении у них будет прямой, самый короткий путь возврата через шину земли. Однако если Ваш дизайн требует размещения большего количества высокочастотных сигналов на слое Bottom, то Вы легко можете поменять местами слои 2 и 3.

6-слойная PCB. В этом стеке высокоскоростные сигналы разводятся на слое Top и они также получают короткий путь возврата по слою земли 2. На слое Top требуется установка блокировочных конденсаторов, чтобы обеспечить развязку по шинам питания и земли.

Эта плата, в отличие от 4-слойной, может также легко размещать высокоскоростные сигналы как на верхнем слое Top, так и на нижнем Bottom, потому что рядом со слоем Bottom также расположен слой земли 5. Слои 3 и 4 предназначены для разводки низкочастотных сигналов.

8-слойная плата. В этом стеке высокоскоростные сигналы также находятся на верхнем слое, и возвращаются по слою земли 2. Также для высокоскоростных сигналов предназначен слой 3, использующий те же цепи возврата на слое 2. В этом стеке также очень важны развязывающие конденсаторы между слоем 2 и шинами на слое питания.

Вы также можете использовать слой 6, когда требуется выполнить разводку высокоскоростных сигналов со строгим учетом волнового сопротивления линий связи. Этот слой будет создавать меньше проблем с EMI, потому что он окружен двумя экранирующими заливками земли.

[Документирование стеков слоев]

После того, как Вы определились с количеством слоев и их размещением, следует позаботиться о передаче этой информации производителю плат. Это важный шаг, потому что многие дефекты и проблемы возникают в процессе производства PCB из-за неправильного порядка следования слоев.

Кроме простой генерации Gerber-файлов для каждого слоя, также для полной ясности следует подготовить следующее:

1. Файл readme.txt. Несмотря на то, что программное обеспечение проектирования PCB выведет для каждого слоя отдельные файлы, необходимо описание, как эти слои будут объединяться в стек. Чтобы предоставить эту информацию, создайте файл README, где детально опишите название и порядок следования слоев с интервалами между слоями. Пример такого файла показан ниже:

2. Нумерация слоев на меди. В системе разработки рекомендуется создать на каждом слое металлизации его номер. Это послужит ясным визуальным индикатором для производителя, как должны быть расположены слои. Когда на плату смотрят с основной стороны, эта последовательность цифр должна быть расположена так, чтобы все цифры были видны одновременно.

3. Добавление полосок меди. Хотя нумерация слоев полезна, она не дает полной информации о том, как слои организованы физически друг относительно друга. Чтобы решить эту задачу, можно добавить полоски меди, которые называются "stacking stripe" на край каждого слоя платы.

Чтобы сделать это, перейдите на главную сторону платы и добавьте прямоугольник 200 x 50 mil на краю первого слоя. Повторите это на каждом последующем слое, сдвигая рисунок на 200..250 mil.

После того, как эта работа будет сделана, получится набор маркеров, которые будут показывать, как слои находятся друг относительно друга. Это даст быстрый метод инспекции для автоматического контроля качества, и поможет производителю правильно собрать стек слоев.

[Ссылки]

1. Getting Your Layer Stack Right the First Time: A Guide for Every Engineer site:autodesk.com.
2. Терминология печатных плат.
3. Eagle: словарик терминов.