Wie man den Schichtaufbau in HDI-Leiterplatten optimiert

Mit der Einführung des HDI-Stackups, einer wegweisenden Technik im Mehrschicht-PCB-Design, sollten PCB-Designer in den kommenden Jahren zunehmend komplexere, kleinere Platinen erstellen können. Die genaue Festlegung des Projektbedarfs ist der erste Schritt beim Entwurf eines PCB-Stackups. Die Bestimmung der erforderlichen Anzahl von Lagen ist der erste Schritt; dies hängt von der Komplexität der Schaltung, der Signaldichte, den Anforderungen an die Stromverteilung und davon ab, ob das Design HF- oder Hochgeschwindigkeitssignale erfordert.

In den späten 1980er Jahren begann die HDI-PCB-Fertigung. Der sukzessive Aufbau von PCBs im Jahr 1984 markierte den Beginn der ersten HDI-Herstellung. Seitdem suchen Hersteller und Designer ständig nach Methoden, um mehr Komponenten in weniger Raum unterzubringen. Gemäß IPC-2315 und IPC-2226 werden HDI-Platinen entworfen und hergestellt. Dieser Artikel behandelt die folgenden Themen: Was ein PCB-Stackup ist, warum es wichtig ist, wie man eines auswählt, typische Stackup-Konfigurationen und Impedanzkontrollprobleme bei HDI-PCBs.

1.    Was ist ein PCB-Stackup?

Die Anordnung von Kupfer- und Isolierschichten auf einer PCB wird als Stackup bezeichnet. Es bestimmt die Verteilung von Stromebenen und Signalleitungen zwischen den Lagen. Dies hat einen direkten Einfluss auf die Temperaturkontrolle und die elektrische Leistung. Mehrere Lagen mit exakten Konfigurationen werden häufig in Stackups für HDI-Designs verwendet, um eine hohe Verbindungsdichte zu erreichen. Dennoch bleiben einige Fragen offen. Zum Beispiel: Wie wählt man die Lagen aus? Gibt es eine Formel? Sollte ich vier oder sechs Lagen verwenden? Am Ende dieses Artikels werden alle diese Fragen beantwortet sein. Obwohl es keine feste Formel gibt, müssen grundlegende Designprinzipien eingehalten werden; andernfalls könnten Probleme auftreten wie:

⦁ Widerstandsfehlanpassung

⦁ Probleme mit thermischer Verzögerung EMI/EMC

2.    Designrichtlinien für ein ordnungsgemäßes PCB-Stackup:

Um Produkte von bester Qualität herzustellen, müssen Designer bestimmte Richtlinien einhalten, genau wie bei jedem anderen Design- oder Produktherstellungsprozess. Wie Sie bereits wissen, müssen elektronische Geräte vor der Herstellung des Endprodukts eine Reihe von Prozessen mit verschiedenen Komponenten durchlaufen.

⦁ Da sie die Signalweiterleitung in Streifenleitungen ermöglichen und das Masserauschen durch Verringerung der Masseimpedanz erheblich minimieren, sind Masseflächen entscheidend.

⦁ Die Massefläche dient als Abschirmung zur Reduzierung der Strahlung bei hohen Geschwindigkeiten, und Hochgeschwindigkeitssignale müssen auf einer Zwischenlage zwischen den Lagen geführt werden.

⦁ Für beste Ergebnisse sollten Signallagen in der Nähe der Massefläche positioniert werden.

⦁ Für einen effektiven Betrieb müssen Masseflächen und Stromanschlüsse sorgfältig geplant werden.

⦁ Um eine ausgewogene Leistung zu gewährleisten, muss die PCB-Konfiguration symmetrisch sein.

⦁ Die Einhaltung von Signalimpedanzkriterien ist erforderlich, um eine angemessene Signalintegrität aufrechtzuerhalten.

⦁ Beim Design sollte die Dicke jeder Signallage berücksichtigt werden.

⦁ Um sicherzustellen, dass die Materialien die Designspezifikationen erfüllen, müssen ihre mechanischen, chemischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften bewertet werden.

3.    Designrichtlinien für effektives Signalrouting:

Das Routing von HDI-Platinen wird mit steigender Komponentendichte zunehmend komplexer. Damit das HDI-PCB-Design hochdichtes Routing unterstützen kann, müssen Leiterbahnbreite, Via-Größe und Abstand auf ein Minimum beschränkt werden. Das HDI-PCB-Design erfordert, dass alle verbleibenden Komponenten nach dem Routing aller wichtigen Signalkomponenten, Entkopplungskondensatoren und ICs geroutet werden.

Um das durch Hochgeschwindigkeitssignale verursachte Rauschen und Übersprechen zu reduzieren, wird empfohlen, Mehrschichtplatinen mit Masse- und Stromlagen als Innenlagen zu entwerfen. Die Anordnung dieser Masse- und Stromlagen ist so, dass die Masselage direkt unter der Signallage liegt, die als Referenzlage und Rückführungskanal für die Differenzsignale auf der obersten Lage dient. Zur Verringerung der Impedanz wird die Stromlage nach der Masselage positioniert.

Um jedem Signal seine eigene Massefläche zu geben, muss Kupfer im Split-Plane-Konzept eingebracht werden. Dadurch funktioniert das HDI-PCB-Design besser, ohne Störungen durch benachbarte Signale und das von verschiedenen Signalen und Komponenten erzeugte Rauschen. Nachfolgend sind einige der am häufigsten verwendeten Mehrschicht-PCB-Designregeln aufgeführt.

4.    Wie man die Lagenanzahl wählt:

Während komplexe Platinen mit FPGAs, SoCs oder HF-Anwendungen häufig 6 bis 8 oder mehr Lagen erfordern, benötigen einfache Designs möglicherweise nur 2 bis 4 Lagen. Zusätzliche Masseflächen und sorgfältig durchdachte Lagenkonfigurationen sind in der Regel für Hochgeschwindigkeitsschaltungen und EMI-empfindliche Designs erforderlich.

Jede Lage im Stackup sollte einen bestimmten Zweck erfüllen. Während Masseflächen niederimpedante Rückführungspfade bieten, die für die Signalintegrität unerlässlich sind, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitskommunikation, werden Signallagen für das Routing von Leiterbahnen verwendet. In dichten Designs können mehrere Stromlagen erforderlich sein, da Stromlagen zur Spannungsversorgung auf der gesamten Platine dienen. Um Rauschen und elektromagnetische Störungen zu reduzieren, sollten Signallagen idealerweise in der Nähe von Masseflächen liegen. Analoge und digitale Bereiche müssen in Mixed-Signal-Architekturen sorgfältig getrennt werden.

5.    Lagen-Stackup-Designs:

Rauschen kann minimiert werden, indem das Lagen-Stackup gemäß den Spezifikationen eines Designs ausgewählt wird. Zum Beispiel breitet sich ein Signal schneller aus, wenn sein Pfad über einer Massefläche verläuft. Darüber hinaus werden durch Hinzufügen einer Stromlage zum Stackup weniger Leiterbahnen benötigt, was die Verwendung von Vias zur Versorgung mit VCC oder 5V ermöglicht.

6.    4-Lagen-PCB-Stackup:

4-Lagen-Stackup 1 (Standard für allgemeine Zwecke):

Lage 1: Signal (Oben)

Lage 2: Masse (GND) Ebene

Lage 3: Strom (VCC) Ebene

Lage 4: Signal (Unten)

4-Lagen-Stackup 2 (Fokus auf Signalintegrität):

Lage 1: Signal

Lage 2: Masse

Lage 3: Masse/Strom (bei Bedarf geteilt)

Lage 4: Signal

7.    6-Lagen-PCB-Stackup:

6-Lagen-Stackup 1 (Hochgeschwindigkeitssignale):

Lage 1: Signal

Lage 2: Masse

Lage 3: Signal

Lage 4: Signal

Lage 5: Strom

Lage 6: Signal

6-Lagen-Stackup 2 (Fokus auf Stromintegrität):

Lage 1: Signal

Lage 2: Masse

Lage 3: Strom

Lage 4: Masse

Lage 5: Signal

Lage 6: Signal

8.    8-Lagen-PCB-Stackup:

8-Lagen-Stackup 1 (EMI-Kontrolle, Hochgeschwindigkeitsdesigns):

Lage 1: Signal

Lage 2: Masse

Lage 3: Signal

Lage 4: Strom

Lage 5: Masse

Lage 6: Signal

Lage 7: Masse

Lage 8: Signal

8-Lagen-Stackup 2 (Dichte Stromverteilung):

Lage 1: Signal

Lage 2: Masse

Lage 3: Signal

Lage 4: Strom

Lage 5: Strom

Lage 6: Signal

Lage 7: Masse

Lage 8: Signal

Fazit:

Die Anwendung der PCB und der Schaltung bestimmen, welches Stackup am besten geeignet ist, von 2-Lagen bis zur 10-Lagen-HDI-Platine. Hochgeschwindigkeits-Stackups sind teurer, da viele Dinge wie EMI und Signalintegrität berücksichtigt werden müssen. Die PCB kann für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ungeeignet werden, wenn die Stackup-Qualität nicht unter Berücksichtigung dieser Aspekte ausgelegt wird.  Die Zusammenarbeit mit einem renommierten Hersteller wie JLCPCB ist unerlässlich. Als einer der führenden PCB-Hersteller bietet JLCPCB modernste Produktionslinien, die sicherstellen, dass selbst die komplexesten Hochgeschwindigkeitsdesigns zuverlässig und kosteneffizient gefertigt werden. Dies garantiert nicht nur eine reibungslose Produktion, sondern ermöglicht es Ingenieuren auch, bahnbrechende und kompakte Technologien schneller auf den Markt zu bringen.