Stack-up-Strategien für effektives HDI-PCB-Design

Ob Sie nun glauben, dass das Mooresche Gesetz tot oder lebendig ist – der starke wirtschaftliche Anreiz, immer mehr Rechenleistung in immer kleinere Formfaktoren zu packen, wird so schnell nicht nachlassen. Mit dem Einstieg des HDI-Stackups – einer Technologie am Puls des mehrschichtigen PCB-Designs, die PCB-Designern noch viele Jahre lang helfen soll, kleinere komplexe Boards zu fertigen. Der Stackup in einem Leiterplatten-Design (PCB) ist ein kritisches Element, das die Leistung, Fertigbarkeit und Zuverlässigkeit der Platine beeinflusst. Bei High-Density-Interconnect-(HDI-)PCBs werden Stackup-Strategien aufgrund ihrer kompakten Designs und komplexen Schichtstrukturen noch wichtiger.

Die Fertigung von HDI-PCBs begann in den späten 1980er Jahren. Die erste HDI-Produktion startete 1984 mit dem sequenziellen Aufbau von PCBs. Seitdem suchen Designer und Hersteller stets nach Möglichkeiten, mehr Komponenten auf kleinerem Raum auf der Platine unterzubringen. HDI-Boards werden gemäß IPC-2315 und IPC-2226 entworfen und gefertigt. Dieser Blogbeitrag untersucht, was ein PCB-Stackup ist, warum er unerlässlich ist, Methoden zur Auswahl eines Stackups, häufig verwendete Stackup-Konfigurationen und Überlegungen zur Impedanzkontrolle in HDI-PCBs. Um mehr über PCB-Designs zu erfahren, lesen Sie unseren aktuellen Artikel über Vias in PCBs.

Was ist ein PCB-Stackup?

Ein PCB-Stackup bezeichnet die Anordnung von Kupfer- und Isolierschichten in einer PCB. Er bestimmt, wie Signalleitungen und Stromversorgungsebenen über die Schichten verteilt werden, und beeinflusst die elektrische Leistung sowie das Wärmemanagement. Bei HDI-Designs umfassen Stackups häufig mehrere Schichten mit präzisen Konfigurationen, um eine hohe Interconnect-Dichte zu erreichen.

Warum brauchen wir ein PCB-Stackup?

HDI-PCB-Design ist wie ein mehrdimensionales Puzzle. Hier sind einige gängige Designüberlegungen, die Sie in Ihr HDI-PCB-Design einbeziehen müssen:

Impedanzkontrolle: Sie sollten enge Toleranzen (innerhalb von ±10 %) bei Dielektrikum-Schichtdicken, Leiterbahnbreiten und Abständen einhalten, um sicherzustellen, dass die Impedanz die Signalintegrität nicht beeinträchtigt.

EMI/EMC: All diese Strahlungsüberlegungen wie die Vermeidung versehentlicher Antennen und Störgeräusche gelten, insbesondere da HDI für Hochgeschwindigkeits-Signaldesigns verwendet wird.

Thermik: HDI führt oft zu verbesserter thermischer Leistung, dennoch sollten Sie die thermische Stabilität von Microvias und Leiterbahnbreiten in Hochgeschwindigkeits-Signaldesigns berücksichtigen.

Die Notwendigkeit, physische, elektromagnetische und thermische Überlegungen in ein HDI-PCB-Design einzubeziehen, erhöht die Komplexität des Designprozesses erheblich. Glücklicherweise haben sich EDA-Softwaretools (Electronic Design Automation) weiterentwickelt, um die Lösung mehrdimensionaler PCB-Probleme zu erleichtern.

Regeln für ein ordnungsgemäßes PCB-Stackup-Design:

Wie bei jedem anderen Design oder Produktherstellungsprozess müssen Designer einige Regeln befolgen, um Produkte höchster Qualität herzustellen. Wie Sie bereits wissen, durchlaufen elektronische Geräte mehrere Prozesse mit verschiedenen Komponenten, bevor das Endprodukt entsteht. Daher müssen Designer sicherstellen, dass sie bewährte Best Practices für das PCB-Stackup-Design identifizieren und befolgen. Für das PCB-Stackup-Design sollten einige Regeln befolgt werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen.

• Die Verwendung von Masseflächen ist unerlässlich, da sie es ermöglichen, Signale in Striplines zu führen, und das Masserauschen durch Verringerung der Masseimpedanz erheblich reduzieren.
• Hochgeschwindigkeitssignale müssen auf einer Zwischenschicht zwischen den Ebenen geführt werden, wobei die Massefläche als Abschirmung dient, um Strahlung bei hohen Geschwindigkeiten zu unterdrücken.
• Signalschichten sollten für optimale Leistung nahe an der Massefläche platziert werden.
• Masseflächen und Stromanschlüsse müssen für eine effiziente Funktionalität sorgfältig ausgelegt werden.
• Die PCB-Konfiguration muss symmetrisch sein, um eine ausgewogene Leistung zu gewährleisten.
• Die Signalimpedanzanforderungen müssen erfüllt werden, um eine ordnungsgemäße Signalintegrität aufrechtzuerhalten.
• Die Dicke jeder Signalschicht sollte während des Designprozesses berücksichtigt werden.
• Die thermischen, elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften der Materialien müssen bewertet werden, um sicherzustellen, dass sie die Designanforderungen erfüllen.

Die Zusammenarbeit mit Ihrem PCB-Hersteller während dieses Prozesses gewährleistet Machbarkeit und Einhaltung von Industriestandards.

Wie man HDI-Boards routet:

Mit steigender Komponentendichte wird auch das Routing der HDI-Boards sehr komplex. Leiterbahnbreite, Via-Größe und Abstände müssen minimiert werden, um ein hochdichtes Routing im HDI-PCB-Design zu ermöglichen. Alle kritischen Signalkomponenten, Entkopplungskondensatoren und ICs werden zuerst geroutet, und dann müssen die verbleibenden Komponenten vollständig im HDI-PCB-Design geroutet werden.

Die beste Vorgehensweise ist, mehrschichtige Boards zu erstellen und Masse- und Stromversorgungsschichten als Innenschichten vorzusehen, um das Rauschen und Übersprechen zu minimieren, die durch Hochgeschwindigkeitssignale verursacht werden. Diese Masse- und Stromversorgungsschichten werden so platziert, dass die Masseschicht direkt unter der Signalschicht liegt, die als Rückleiter und Referenzschicht für die Differenzsignale auf der obersten Schicht dient. Die Stromversorgungsschicht wird nach der Masseschicht platziert, um die Impedanz zu reduzieren.

Kupfer muss im Split-Plane-Konzept eingebracht werden, um jedem Signal eine separate Massefläche bereitzustellen. Dies vermeidet das von verschiedenen Signalen und Komponenten erzeugte Rauschen, um ohne Interferenzen von benachbarten Signalen im HDI-PCB-Design besser zu funktionieren. Einige der gebräuchlichsten Richtlinien für mehrschichtiges PCB-Design sind unten aufgeführt.

Häufig verwendete PCB-Stackups:

2-Schicht-PCB-Stackup: Einfachste Konfiguration mit einer Signalschicht und einer Masse-/Stromversorgungsebene. Diese können in einfachen Anwendungen wie einfachen IoT-Geräten und Unterhaltungselektronik verwendet werden.

4-Schicht-PCB-Stackup: Verfügt über zwei Signalschichten und zwei Ebenen (Stromversorgung und Masse). Ideal für niederfrequente und mäßig komplexe Designs, die eine bessere EMI-Kontrolle erfordern.

6-Schicht-PCB-Stackup: Fügt zusätzliche Signal- und Ebenenschichten für verbesserte Leistung hinzu. Häufig in Mittelklasse-Anwendungen wie Kommunikationsgeräten und Industrieausrüstung.

8-Schicht-PCB-Stackup: Enthält mehrere Signal- und Ebenenschichten für hochdichte Verbindungen. Geeignet für fortgeschrittene Designs mit Hochgeschwindigkeitssignalen und engeren Platzbeschränkungen.

10-Schicht-PCB-Stackup: Bietet umfangreiche Signal-, Masse- und Stromversorgungsebenenverteilung. Wird oft in HDI-PCBs für Anwendungen wie Server, Luft- und Raumfahrtsysteme und Automobiltechnologien verwendet.

Jede Konfiguration ist auf spezifische Designanforderungen zugeschnitten, wobei HDI-PCBs höhere Schichtzahlen bevorzugen, um Microvias und andere fortschrittliche Funktionen unterzubringen.

Schicht-Stackup:

Wie bei jeder anderen fortschrittlichen PCB kommt der Erfolg im HDI-Design aus dem Entwurf des richtigen Stackups. Während dies sicherlich für Signal- und Stromintegrität gilt, ist es auch für die Fertigung wichtig; das HDI-PCB-Stackup, das Sie verwenden, muss einer Reihe von Standardverarbeitungsschritten entsprechen, die zum Aufbau der Platine erforderlich sind. Gemäß den IPC-2226 HDI-PCB-Standards gibt es mehrere Arten von standardisierten HDI-PCB-Stackups, die helfen, parasitäre Elemente zu minimieren und die Gesamtsignalintegrität zu verbessern.

Durch die Wahl des Schicht-Stackups entsprechend den Anforderungen eines Designs kann das Rauschen auf ein Minimum reduziert werden. Wenn beispielsweise ein Signalpfad über einer Massefläche positioniert ist, breitet sich das Signal schneller aus. Und durch die Einbeziehung einer Stromversorgungsebene in den Stackup kann die Anzahl der Leiterbahnen reduziert werden, sodass Vias verwendet werden können, um VCC oder 5V bereitzustellen.

Der grundlegende PCB-Stackup für 6-Schicht-PCB mit EMI/EMC-Überlegungen:

Signalschicht

Massefläche

Signalschicht

Stromversorgungsebene

Massefläche

Signalschicht

Der grundlegende PCB-Stackup für 4-Schicht-PCB mit EMI/EMC-Berücksichtigung für Audioanwendungen:

Signalschicht

Massefläche

Massefläche

Signalschicht

Der grundlegende PCB-Stackup für 4-Schicht-PCB, der für Embedded-Lösungen entwickelt wurde:

Signalschicht

Massefläche

Stromversorgungsebene

Signalschicht

Komponentenplatzierung im HDI-PCB-Design:

1. Die Komponentenplatzierung ist im HDI-PCB-Design entscheidend, da sie direkt die Routing-Dichte und Signalintegrität beeinflusst. Eine ordnungsgemäße Planung gewährleistet die kürzesten Routing-Pfade.

2. Gruppieren Sie Komponenten basierend auf dem Schaltplan-Workflow in Abschnitte wie Analog, Digital, Hochgeschwindigkeitssignale, Mischsignale, Hochfrequenz und Stromversorgung. Trennen Sie empfindliche und kritische Komponenten und positionieren Sie sie entsprechend.

3. Platzieren Sie Hauptkomponenten wie Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Ethernet und Speichergeräte in der Mitte der Platine, da sie mit den meisten anderen Komponenten verbunden sind. Positionieren Sie Entkopplungskondensatoren, Quarzoszillatoren und Widerstände nahe an diesen Komponenten für einen effizienten Signalfluss.

4. Stellen Sie sicher, dass alle Komponenten in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, um ein effektives und fehlerfreies Routing und eine fehlerfreie Montage zu ermöglichen.

5. Platzieren Sie alle oberflächenmontierten Komponenten (SMDs) auf derselben Seite der Platine (oben oder unten) und Durchsteckkomponenten auf der Oberseite, um den Montageprozess zu optimieren.

6. Trennen Sie analoge und digitale Schaltungsabschnitte, um Rauschinterferenzen zu minimieren.

7. Positionieren Sie Entkopplungs- und Bypass-Kondensatoren so nah wie möglich an ihren jeweiligen Schaltungsabschnitten, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten.

Impedanzkontrolle im Stackup-Design:

Kontrollierte Impedanz ist in HDI-PCBs für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen von entscheidender Bedeutung. Der Stackup beeinflusst die Impedanz direkt durch die Bestimmung von:

• Leiterbahnbreite und -dicke: Angepasst, um Zielimpedanzwerte zu erreichen.
• Dielektrizitätskonstante (Dk): Gewährleistet konsistente Signalausbreitung.
• Abstand zwischen den Schichten: Wahrt die Isolierung, um Übersprechen zu reduzieren.
• Platzierung von Stromversorgungs- und Masseflächen: Bietet stabile Referenzebenen für Signale.

Eine präzise Impedanzkontrolle verhindert Signalverschlechterung, reduziert Fehler und gewährleistet Zuverlässigkeit in fortschrittlichen Schaltungen.

Fazit:

PCB-Stackup-Design ist sowohl für Designer als auch für Elektronikingenieure unerlässlich. Die Fähigkeit, hochwertige Elektronik zu entwickeln, erfordert mehrere Überlegungen. Ohne ein hochwertiges PCB-Design können die Qualität und Leistung des Produkts erheblich beeinträchtigt werden. Daher müssen Designer sicherstellen, dass die richtige Stackup-Konstruktion und die richtigen PCB-Materialien ausgewählt werden, um ein hochwertiges Produkt zu erhalten. Ein hochwertiger PCB-Stackup trägt wesentlich dazu bei, die höchste PCB-Ausbeute und Produktivität zu erzielen. Von einfachen 2-Schicht-Konfigurationen bis hin zu komplexen 10-Schicht-HDI-Designs hängt die Auswahl des richtigen Stackups von den Anforderungen der Anwendung und der Komplexität der PCB ab.

Stackups, die für Hochgeschwindigkeitsdesigns ausgelegt sind, sind teurer als solche, die für Nicht-Hochgeschwindigkeitsanwendungen verwendet werden. Der Ausgleich der Stackup-Qualität zugunsten der Kosten kann zu schlechter Signalintegrität führen, was die PCB für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ungeeignet macht. Durch die Konzentration auf ordnungsgemäße Materialauswahl, Schichtanordnung und Impedanzkontrolle können Designer leistungsstarke und zuverlässige PCBs für moderne Elektronik erstellen. Die Zusammenarbeit mit einem vertrauenswürdigen Hersteller stellt zudem sicher, dass Ihr Design nahtlos in die Produktion übergeht und den Weg für innovative und kompakte Technologien ebnet.