Слой заземления (ground plane, GND) — это сплошной или частично разведённый проводящий слой в структуре многослойной печатной платы, электрический потенциал которого принят за общую точку отсчёта («землю») для схемы. Его главные функции: обеспечение возвратного пути для сигнальных токов (return path), снижение импеданса шины питания, электромагнитное экранирование (shielding) и отвод тепла от компонентов. Эффективное использование слоёв заземления важно для проектирования высокоскоростных и помехоустойчивых устройств. Связанные понятия: сигнальная плоскость (signal plane) и плоскость напряжения (power plane).
Конструкция и расположение
В многослойной плате слой заземления формируется из сплошной медной фольги (copper foil), обычно толщиной 18 или 35 мкм. Его размещают на внутренних слоях, чередуя со слоями питания и сигнальными слоями. Толщина диэлектрика (Dielectric thickness) между соседними проводящими слоями — ключевой параметр, определяющий паразитную ёмкость и импеданс связи. В высокочастотных платах для уменьшения потерь используют специальные материалы с низкими диэлектрическими потерями, такие как Rogers RO4003C, определённые в стандарте IPC-4103.
Функции и влияние на проектирование
Сплошная плоскость заземления создаёт контролируемый возвратный путь с низкой индуктивностью для высокочастотных сигналов, что минимизирует перекрёстные наводки (crosstalk) и электромагнитные излучения (EMI). Вместе с плоскостью питания (power plane) она образует распределённую ёмкость, выступая в роли встроенного источника питания (decoupling capacitor) для быстрых переключений микросхем. Для теплоотвода плоскости заземления часто соединяются с термическими площадками (thermal pads) мощных компонентов через переходные отверстия (thermal vias).
Особенности при контрактном производстве
При изготовлении плат со слоями заземления технологи обращают внимание на целостность и непрерывность медного поля. Это требует точного контроля процессов травления (etching) и ламинирования (lamination), чтобы избежать разрывов или чрезмерного подтравливания, которые могут повысить импеданс плоскости. Визуальный и автоматизированный оптический контроль (AOI) проверяет отсутствие дефектов, регламентированных стандартами IPC-A-600 (Acceptability of Printed Boards). Наличие сплошных медных слоёв влияет на тепловой баланс при пайке оплавлением (reflow soldering) и требует корректировки термопрофиля. При сборке высоконадёжной электроники по требованиям ГОСТ Р 55693-2013 целостность заземляющих слоёв подтверждается методами контроля межслойной проводимости.
Источники: Стандарты проектирования: IPC-2221A, IPC-2222; Материалы: IPC-4101, IPC-4103; Контроль качества: IPC-A-600, ГОСТ Р 55693-2013; Термины: ГОСТ Р 53386-2009 (МЭК 60050-541).