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):

    1. Оценить необходимое количество сигнальных слоёв.
    2. 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.
    3. 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.
    2
    4
    4
    4
    6
    6

    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.
    Ads
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More

    Comments 25

      +1
      Спасибо, очень хорошая статья. Кратко и точно сформулированы основные принципы, которые вроде и знаешь, но не всегда помнишь. Теперь перед каждой разводкой ПП буду читать как Тору.
      Всегда думал, что на 1,5мм плате полигон земли и цепи питания на противоположных слоях это очень здорово, а оказалось, для такой толщины практически не заметно эффекта.
      Благо, меня выручает умение грамотно разводить земли мощных и чувствительный частей схемы. Давно, где то читал app notes от AD, там понятно было объяснено, как разводить земли.
        0
        Спасибо за отзыв! Полигон земли — в большинстве цифровых схем это здорово при любой толщине, в последующих публикациях будут много аргументов за. По поводу питания я ещё планирую написать. Основной момент не во встроенной емкости, а в том, что при большой толщине диэлектрика становится важным расположение блокировочных конденсаторов. А какую топологию Вы используете при разводке силовой и аналоговой частей? Соединение в общей точке?
          0
          Да, соединением в общей точке с минимальным импедансом. Как правило это конденсатор большой емкости, шунтированный двумя номиналами керамики ( 0,1мкф и второй в зависимости от частоты того, что создает мощные помехи). Второй даже можно подбирать на этапе отладки, начиная с 10-20 пФ (актуально для схем с GSM модулями) и увеличивая в 10 раз.
          А еще очень актуально не допускать контуров, сравнимых с четвертью волны излучения. Очень эффективные антенны получаются. А учитывая, что это размеры сейчас от 2 до 10 см. — то очень легко сделать себе эффективную антенку не в нужном месте.
          Особенно хорошо это у меня было заметно, когда к устройству, которое изначально проектировалось без средств беспроводной связи, приходилось добавлять различные GSM модемы и беспроводные модули.
            0
            Про конденсатор не очень понял, в каком месте он устанавливается. А по постоянному току нет соединения? Паразитную индуктивность такого соединения на высоких частотах учитываете?
              0
              Возможно не ясно выразился. Если от одного источника постоянного тока запитывается и силовой модуль (или сильно шумящий) и нежные аналоговые цепи, то от выходного сглаживающего конденсатора источника, питание звездой расходятся на разные блоки. Даже земляной полигон разделяю так, чтобы соединялся на этой емкости.
                0
                Да, понятно, выглядит хорошим решением. Позже будет теория по влиянию вырезов в опорном слое на сигнальные линии, рекомендую обратить внимание.
        +2

        Извиняюсь за занудство, но всё-таки, в подобных обзорных статьях очень часто все слишком упрощается, в частности, не указывается что есть как минимум три вида специализированной разводки — высокомощная силовая, высокоскоростная цифровая и высокочастотная аналоговая, каждая со своими особенностями и чудесами, какой стек допустим и предпочтителен, а какой нет, как должны стоять компоненты, как правильно заливать землей и пр. А в статье получаются какие-то общие слова за все хорошее против всего плохого, с общими словами. Новичок из нее мало чего сможет подчерпнуть, может лучше писать на каком-то конкретном примере, с пояснением почему некоторые вещи сделаны так а не иначе?

          0
          Я считаю, что должны быть и такие, и такие статьи. Есть учебник теории, есть задачник. Я пишу прежде всего базовые принципы, о цифровых проектах, тактовые частоты в несколько сотен МГц. Если внимательно читать, то в тексте это можно найти. Я занимаюсь ими и пишу о том, что знаю, что изучал, что копал, применял на практике. За любые нюансы сложных силовых и точных аналоговых проектов буду благодарен. Кроме того, из одной статьи ничего не понять, это цикл статей. Обучение вообще итеративный процесс. То, о чём пишу проверено и опирается не только на мой опыт, но и на монографии отцов ЭМС.

          Вообще цель цикла — дать материал. от которого можно оттолкнуться в собственных поисках и исследованиях процесса. Базовые вещи, физика процесса. Отсюда и «общие вещи», которые для меня не «какие-то», а «важные».

          Чтобы Вы добавили в статью и с чем не согласны конкретно? Я за обсуждение материала.
          0
          Нельзя не упомянуть в этой теме замечательную книгу Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии. У неё так же есть продолжение в виде второй части.
          Эта книга ДОЛЖНА быть настольной у всех кто занимается разработкой электроники и тем более разводкой печатных плат.
            0
            Да, хорошая, но уже не все актуальные темы затронуты, с 1993 много времени прошло уже. И лучше читать в оригинале, конечно. Поэтому в частности, и решил писать — на русском почти ничего и нет.
              0
              Странно, сейчас посмотрел в магазинах — 2015 год издания. Наверно всё же редактируется книга, обновляется. Надо будет ещё свой экземпляр посмотреть, покупал его в районе 2015.
                0
                Просто оригинал на английском вышел в 1993. Очень сомневаюсь, что материал с тех пор как-то менялся. Но на русском это одна из лучших книг, да, что можно найти.
              0
              Её лучше прочесть перед тем, как разводить свою первую плату под Атмегу, или она понадобится попозже, с ARM?
                0
                Перед любой платой. В цифре даже на 1кГц могут возникнуть проблемы.
                Если начнёшь пользоваться АЦП в меге, без соблюдения правил разводки даже 7 бит из 10 не сможешь получить.
                Когда-то давно не мог понять почему мой собранный блок питания имеет такие чудовищные пульсации на выходе, схема с ОУ должно быть всё четко… но поди ж ты, путь от стабилитрона до операционника лежал через две длинные и тонкие дорожки, при токе всего в 10мА пульсации возле операционника составили уже 0.15В. Теперь-то я таких ляпов уже не допускаю.
                Да и полезно знать — гетинакс впитывает влагу, из-за чего между дорожками может внезапно возникнуть проводимость в пару мегаом… вроде не много, но напроч убивает все аналоговые сигнальные цепи. Хорошо что гетинакс остался в прошлом, слава текстолиту FR4 и лаку Urethan.
              0
              Спасибо за статьи и книгу! Если не видели, берите в копилку дизайн у курса Murata: Noise Suppression Basic Course
                0
                Взаимное спасибо, посмотрю обязательно!
                • UFO just landed and posted this here
                    +1
                    Без рекламы никуда, это понятно :). Баланс альтруизма и монетизации — тонкая грань, проходил :). Я много писал на Хабре, а потом только к книге подошёл, ну и сделал бесплатную версию. А по основам распространения сигнала, если проявить внимательность, то можно увидеть, что статей у меня больше двух. Вашу статью прочитал, там прокомментировал.
                    • UFO just landed and posted this here
                        +1

                        Про статью в журнал, кстати, у меня опыт противоположный. Мне из 7 статей в "Компоненты и технологии" заплатили только за одну, хотя глав. ред. сразу честно предупреждал, что платят редко :D.

                        • UFO just landed and posted this here
                            +1

                            У меня есть и платная, расширенное издание. А для начинающих бесплатной хватит вполне. Я же говорил, баланс альтруизма и монетизации :). Книгу посмотрю Вашу, как время появится.

                            • UFO just landed and posted this here
            • UFO just landed and posted this here

              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.