SamsPcbGuide, часть 2: Выбор структуры печатной платы
Это вторая статья из цикла, в ней рассматривается процесс выбора структуры печатной платы (англ. PCB stackup), даются базовые рекомендации по формированию структуры, а также приводятся типовые решения сборок для многослойных печатных плат с указанием их преимуществ и недостатков.
В проектировании печатной платы можно выделить несколько основных процессов — размещение компонентов на печатной плате, выбор структуры печатной платы, трассировка сигнальных линий, проектирование подсистемы питания. Все они взаимосвязаны и взаимозависимы, поэтому постоянно присутствуют (в активном или фоновом режиме) в течение всего процесса разработки. Кроме того, проектирование достаточно сложной печатной платы — это чаще всего итеративный процесс, когда, например, выбранная изначально структура печатной платы может быть скорректирована на поздней стадии проектирования. Структура печатной платы определяется количеством и толщинами проводящих медных слоёв, а также материалами, толщинами и компоновкой диэлектрических слоёв — базовых (англ. core) и препрегов (англ. pre-preg). Другие важные параметры — это финишное покрытие внешних слоёв, наличие и материалы защитной маски (англ. solder mask). Разработчик должен не только разбираться в свойствах материалов печатных плат, но и чётко представлять себе типовые процессы заводов-изготовителей плат и привносимые ими технологические погрешности. Например, полезно посмотреть видеоматериал на YouTube-канале Eurocircuits NV или аналогичные, где подробно представлены технологические процессы. Такая компетенция устраняет разрыв между ожидаемой в соответствии с 3D-моделями САПР и реальной, поступившей с завода печатной платой, а также позволяет оптимизировать стоимость её изготовления.
«Неэлектрические» рекомендации
Прежде чем говорить о влиянии электрических параметров проекта на выбор структуры, остановимся на важной рекомендации, связанной с механическими свойствами печатной платы.
Р.1.
Структура печатной платы должна быть симметричной по её толщине, а распределение меди по слоям — сбалансированным.
Структура печатной платы должна быть симметричной, в противном случае при её изготовлении вероятность коробления или, иными словами, её изгиба, скручивания. Именно поэтому завод-изготовитель может отказать в изготовлении такой платы, выдав рекомендации по её доработке. При этом требование симметричности приводит не только к чётному количеству проводящих слоёв, но и к равномерному распределению меди в слоях (англ. copper balancing). Особенно это важно для плат с низким отношением толщины к площади (в частности для тонких плат толщиной 0,5 мм и менее) и для проектов под автоматический монтаж компонентов.
Ещё один неэлектрический фактор, о котором разработчик не должен забывать при выборе структуры печатной платы — экономический. Чем больше количество слоёв используется, тем дороже печатная плата. Особенно в случае нестандартных для завода-изготовителя сборок стоимость на малых партиях может отличаться в разы! Поэтому в процессе разработки рекомендуется использовать калькуляторы стоимости печатных плат, предоставляемые заводами-изготовителями. Например, у отечественного ООО «Резонит» такой сервис на сайте есть.
Р.2.
Рекомендуется использование калькуляторов стоимости печатных платы при выборе структуры.
«Электрические» рекомендации
Наиболее трудоемкий процесс при проектировании печатной платы — трассировка, однако основой для него являются размещение компонентов и выбор структуры платы. Конструкторские решения на этих этапах являются определяющими, стратегическими, задающими вектор всему процессу проектирования. Задача размещения компонентов уникальная для каждого проекта, и для неё не только не существует формализованный алгоритма, но и набор рекомендаций очень ограничен. По-другому обстоит ситуация с выбором структуры печатной платы, где количество параметров гораздо меньше: тут существуют и типовые решения, и рекомендации по оптимизации структуры под конкретный проект. Прежде чем перейти к ним, рассмотрим базовые положения, исходя из которых должна проектироваться структура печатной платы.
Р.3.
В структуре современной цифровой печатной платы (с частотой тактового сигнала более 5 МГц и/или длительностью фронтов менее 5 нс) должен быть хотя бы один сплошной слой общего провода.
Общий провод (это более точный термин, однако для простоты будет употребляться и термин «земля» в этом значении) является путём протекания возвратных токов, поэтому его низкий импеданс является критически важным параметром для высокочастотных печатных плат. Сплошной слой значительно снижает индуктивность (см. первую статью) общего провода, при этом обеспечивает ряд дополнительных преимуществ. Исключения из этой рекомендации (как и всех прочих), конечно, возможны, но они требуют от разработчика большого опыта и глубокого понимания принимаемых решений. Примером исключения может служить низкочастотный высокоточный аналоговый проект, где сплошной слой земли может создавать недопустимую паразитную ёмкость. Существуют различные схемы разводки цепи общего провода для таких случаев (к примеру, с соединением в одной точке), но здесь они не разбираются.
Р.4.
Сигнальные слои должны быть расположены максимально близко к сплошному слою земли или питания.
Выполнение этого требования облегчает задачи контроля перекрёстных помех на печатной плате и импеданса печатных дорожек (подробнее в следующих статьях), а также снижает индуктивность слоя земли и ЭМИ. Предпочтительным опорным слоем (англ. reference plane) является слой земли, так как в этом случае путь возвратного тока имеет меньше переходов и, следовательно, меньшую индуктивность.
Р.5.
Оптимальный переход высокочастотной сигнальной линии между слоями обеспечивает структура, в которой между этим слоями находится сплошной слой земли или питания.
Трудно представить себе достаточно сложную печатную плату, где отсутствуют переходы сигнальных линий между проводящими слоями. В последующих статьях цикла будет показано, что оптимальный переход высокочастотной сигнальной линии между слоями обеспечивает структура, в которой между этим слоями находится сплошной слой земли или питания. При таком переходе оба участка линии опираются на один и тот же слой, поэтому возвратный ток проходит по оптимальному пути в этом слое, что снижает индуктивность этой линии. Здесь также слой земли является предпочтительным. Обычно печатные дорожки в сигнальных слоях такой пары разводятся ортогонально, в частности, в вертикальном и горизонтальном направлениях. Это снижает взаимную связь сигнальных линий.
Р.6.
Сплошной слой питания рекомендуется располагать вблизи сплошного слоя земли.
Использование отдельного сплошного слоя питания для некоторых проектов вообще может быть избыточным или невозможным по причине ограниченного количества слоёв, тогда цепь питания может быть разведена в сигнальных слоях. Но если в структуре печатной платы сплошные слои питания есть, то их рекомендуется располагать вблизи сплошных слоёв земли. Такая структура в печатной плате снижает индуктивность подсистемы питания, тем самым повышая её эффективность на высоких частотах. В то же время повышается встроенная распределённая ёмкость печатной платы (англ. embedded/distributed/interplane capacitance), хотя и величина этой ёмкости для стандартных диэлектриков мала:
Для диэлектрика FR4 (εr ≈ 4) толщиной d = 250 мкм погонная ёмкость составит порядка 15 пФ/см2.
Р.7.
Слои питания разных доменов не рекомендуется располагать на соседних близких слоях. Или, в более общем виде, емкостная связь между разными доменами питания должна быть минимизирована.
Возникающая емкостная связь служит каналом утечки высокочастотных шумов из одного домена в другой. Таким образом, например, шумы цифрового домена питания могут на внутренних слоях проникать в питание аналоговой части (рис. 1), приводя к неработоспособности чувствительной схемы и недоумению разработчика.
Алгоритм и примеры
В связи с тем, что количество слоёв печатной платы ограничено, разработчик вынужден будет принять компромиссное решение между приведёнными рекомендациями. Однако Р.3 и Р.4 имеют наивысшие приоритеты и должны рассматриваться в первую очередь. Учитывая вышесказанное, алгоритм выбора структуры печатной платы может выглядеть следующим образом (при этом достаточно иметь эскизное размещение компонентов печатной платы):
- Оценить необходимое количество сигнальных слоёв.
- Определить, как будут разведены все цепи питания: сплошной слой питания отсутствует (разводка в сигнальных слоях), один сплошной слой для всех или части доменов питания, несколько сплошных слоёв.
- Сформировать симметричную структуру печатной платы, используя базовые сочетания слоёв (рис. 2): сигнальный слой + земля/питание (Р.4), сигнальный слой + земля/питание + сигнальный слой (Р.5), земля + питание (Р.6).
Заметим, что система с несколькими доменами питания является распространённым случаем — даже при одном уровне напряжения может потребоваться разделение питания аналоговой и цифровой части. Если разработчик принимает разводить несколько доменов питания в одном слое, этот слой не рекомендуется использовать в качестве опорного слоя в связи с наличием в нём разрывов. При этом для минимизации емкостной связи (Р.7) рекомендуется использование увеличенных зазоров (порядка нескольких миллиметров) между проводниками разных доменов.
В таблице 1 представлены примеры удачных структур печатных плат с различным числом слоёв (больше примеров в [1]), которые иллюстрируют указанные выше положения. Эти примеры можно использовать в качестве заготовок для своих проектов, однако приведённый выше алгоритм является наиболее универсальным способом, обеспечивающим оптимальность структуры печатной платы для заданного проекта.
Таблица 1. Примеры структур печатных плат.
Толщина проводящих медных слоёв
Следующий важный параметр печатной платы — толщина проводящих медных слоёв, которую определяют, прежде всего, требуемые минимальный зазор и минимальная ширина проводника, а также максимальный ток, протекающий по проводнику. Чем тоньше проводящий слой, тем меньший топологический рисунок может быть получен и тем меньший предельный ток выдержит печатная дорожка (при прочих равных условиях — ширина проводника, частота тока, теплоотвод и др.). Требование к минимальным зазору и ширине проводника возникает из плотности трассировки печатной платы. Другим ограничением обычно является топология рекомендуемого посадочного места одной или нескольких из применяемых микросхем. Практика показывает, что когда необходимо снизить требования к минимальному зазору, геометрию рекомендуемого посадочного места можно в некоторых пределах варьировать без ущерба для пайки. На большинстве заводах-изготовителях печатных плат существуют стандартные топологические нормы и повышенные (так называемый »5 класс точности»). Переход на 5 класс точности обычно приводит к удорожанию печатной платы в 1,5–2 раза, отсюда может возникать необходимость столько же раз подумать над возможностью корректировки топологии для снижения требований к нормам.
Литература
[1] Ott H.W. Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley, 2009.
Статья была впервые опубликована в журнале «Компоненты и технологии» 2017, №12. Публикация на «Geektimes» согласована с редакцией журнала.
