Проектирование стека печатных плат для современной электроники

Стек или стекирование печатной платы (PCB Stackup) — это организация расположения различных слоёв в процессе создания печатной платы, что включает также и определение количества слоёв, их порядка и материалов, используемых для каждого слоя. Проектирование стека играет важную роль в конструкции печатной платы, поскольку он напрямую влияет на производительность, целостность сигнала, долговечность, снижение электромагнитных излучений и общую функциональность электронного устройства.

Введение

Стек — это базовый элемент проектирования, связывающий материал печатной платы и процесс ламинирования, основанный на количестве слоёв, материале препрега/ядра, толщине диэлектрических и медных слоёв, типах переходных отверстий, типе сверления, порядке слоёв и требованиях к высокоскоростному контролю импеданса.

Поскольку современные электронные устройства AI/AR (Artificial Intelligence / Augmented Reality) становятся всё более компактными и сложными, правильная конструкция стека печатной платы приобретает большую важность. В этой статье мы исследуем ключевые факторы и стратегии оптимизации стека печатных плат для улучшения таких параметров как целостность сигнала и производительность.

Проектирование стека печатной платы требует тщательного изучения того, является ли она низко- или высокоскоростной, или же основой источника питания. Низкоскоростные устройства или источники постоянного тока общего назначения могут не требовать использования в стеке материалов с контролируемым импедансом и высокоскоростных ламинатов. Скорее всего, в этом случае FR4 — наиболее подходящий недорогой материал, который будет доступен на рынке, что позволит сэкономить время при закупках.

Конструирование стека печатной платы играет ключевую роль в определении общей производительности, целостности сигнала и надёжности электронных устройств. Контролируемый импеданс и учёт высокой скорости ещё на этапе проектирования стека является важнейшей частью высокоскоростной печатной платы.

Этот процесс включает в себя определение области применения, типа схемы, толщины печатной платы, требований к количеству слоёв, выбор материала ламината, определение типов переходных отверстий и сверловки, возможности изготовления, а также конструкции сигнальных и силовых слоёв.

Материалы ламинатов влияют на общую диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь, которые, в свою очередь, напрямую оказывают воздействие на распространение сигнала и его целостность. Высокочастотные проекты могут выиграть в случае использования материалов с низкими потерями. Для повышения механической стабильности и снижения риска деформации требуется симметричное расположение слоёв в структуре стека. Разнесённые сигнальные слои помогут минимизировать взаимопроникновение сигналов и перекрёстные помехи между соседними слоями.

Важно отметить, что проектирование стека печатной платы будет зависеть от конкретных требований к конструкции самого устройства.

Проконсультируйтесь с изготовителем печатных плат, чтобы учесть наличие в доступе предполагаемых к использованию материалов, которые соответствуют нормам и стандартам производства печатных плат. Используйте инструменты моделирования и разработки печатных плат — это лучший способ обеспечить оптимальный стек для проектируемого устройства. Управление импедансом с помощью расчёта технологичности размещения силовых и сигнальных слоёв является важным фактором при создании стека.

СЛОИ В СТЕКЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Стеки печатных плат можно разделить на различные типы в зависимости от количества слоёв и их порядка в стеке. Определение необходимого количества слоёв — это первое, что нужно сделать при построении стека. При этом следует учитывать требования к применению, скорости сигнала, питанию, заземлению.

Однослойный стек

Односторонние печатные платы состоят из одного проводящего слоя и подложки. Структура стека начинается со слоя паяльной маски, далее идёт проводящий слой и толстый слой материала препрега (ядра), чаще всего это FR4 толщиной 1,6 мм. Идеально подходит для простых и недорогих устройств с минимальной сложностью, таких как блоки питания, переключатели и датчики. Это недорогой и легко изготавливаемый вариант с односторонней сборкой. Сборка и установка компонентов осуществляется на основе SMT и монтажа в отверстия (THT), который на однослойной печатной плате может производиться с помощью сквозных отверстий.

Двухсторонние печатные платы состоят из проводящих слоёв с обеих сторон печатной платы (сверху и снизу), разделённых материалом подложки (обычно FR4). Структура стека образуется из верхнего и нижнего слоёв паяльной маски, проводящих слоёв (обычно медь или алюминий) и толстого слоя FR4 (обычно толщиной от 0,5 до 1,6 мм). Идеально подходит для большинства промышленных устройств, таких как источники питания, промышленные контроллеры, переключатели, преобразователи мощности и датчики. Этот тип печатных плат прост в изготовлении и допускает установку компонентов как сверху, так и снизу. Сборку SMT и компонентов THT можно выполнить на двухслойной печатной плате с помощью сквозных отверстий.

Стек многослойной печатной платы образуется верхним и нижним слоями и неограниченным количеством внутренних. Стандартный стек печатных плат доступен на рынке с количеством слоёв от 2 до 24 (в некоторых случаях до 32 слоёв) в зависимости от сложности и требований проекта. Благодаря передовым технологиям, таким как процесс лазерного экспонирования, количество слоёв может достигать 64, но требует более высоких затрат. Стек многослойной печатной платы состоит из двух внешних проводящих слоёв (обычно медных) с обеих сторон печатной платы (сверху и снизу). Внутренние слои также будут медными, разделёнными материалом подложки (слой препрега или ядро в зависимости от требований проекта).

В Таблице 1 показан типичный многослойный (10-слойный) стек с использованием ламината Isola Tachyon 100G, идеально подходящий для производства печатных плат с контролируемым импедансом, достигаемым комбинацией ядер и препрега. Для создания такого типа многослойных печатных плат рекомендуется сбалансированное размещение слоёв. Переходные отверстия на таких платах могут быть обычными сквозными, микропереходами, глухими и скрытыми. Толщина печатной платы для этого типа стека может варьироваться в зависимости от количества слоёв и требований проекта и обычно лежит в пределах от 0,5 мм до 3 мм.

Когда требуется сложная трассировка проводников и целостность сигнала, многослойный стек отвечает этим требованиям лучшим образом.

Многослойный стек имеет несколько проводящих и изолирующих слоёв для создания сложных разветвлённых соединений.

На рисунке 3 показан типичный 4-слойный стек, известный как стек начального уровня, идеальный для любого промышленного устройства, толщина такой печатной платы варьируется от 0,5 мм до 1,6 мм в зависимости от области применения. Переходные отверстия широко используются в этом типе стека.

ТИПЫ СТЕКОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Выбор стека печатной платы зависит от сложности конструкции, требований к производительности и отведению тепла, скорости сигнала и финансовых ограничений. Проектировщики должны тщательно оценить характеристики разрабатываемого устройства, чтобы выбрать наиболее подходящий стек для обеспечения технологичности и надёжности изделия. Рассмотрим наиболее распространённые типы стеков печатных плат.

Жёсткая печатная плата

Структура жёсткой печатной платы определяется расположением и составом её слоёв, не обладающих гибкостью или способностью к изгибу. Жёсткие печатные платы обычно применяются в широком спектре электронных устройств, где электронная сборка не подвергается значительному сгибанию или механическому напряжению. Они состоят из нескольких слоёв, каждый из которых выполняет определённые функции и содержит различные компоненты и дорожки.

В структуре стека жёсткой платы есть несколько элементов.

Внешние слои (верхний и нижний)

На рис. 4 показана типичная конструкция внешних слоёв с шелкографией, паяльной маской и медной фольгой.

• Сигнальные слои

Внешние сигнальные слои, будь то верхний или нижний, представляют собой проводящий материал, обычно медь весом от 0,5 унции до 2,5 унций (это примерно от 17 до 85 мкм) в зависимости от области применения.

На рис.5 показан внешний проводящий медный слой печатной платы без паяльной маски.

• Слой паяльной маски

Слои паяльной маски (паяльный резист) наносятся на верхний и нижний слои, чтобы закрыть голые медные дорожки и площадки для защиты от окисления и предотвращения образования перемычек припоя между соседними площадками или дорожками.

На рис. 6 показана паяльная маска в различных цветовых вариантах (красный, синий, белый, черный и зелёный) и в среднем после нанесения имеет толщину от 18 до 25 мкм.

• Финишное покрытие:

Финишные покрытия — это покрытия, наносимые на открытые медные участки для предотвращения окисления и улучшения паяемости.

Обычные виды финишной обработки включают HASL (выравнивание припоя горячим воздухом), ENIG (иммерсионное золочение по подслою никеля) и иммерсионное олово. В некоторых случаях, например, для краевых разъёмов, рекомендуется гальваническое золочение.

• Слой маркировки (шелкографии):

В этом слое используются белые чернила для обозначения контуров компонентов, номеров выводов, контрольных точек, логотипов, маркировки и позиционных обозначений (REFDES).

На рис. 7 показана маркировка шелкографией для компонентов. Существует несколько методов печати шелкографии на плате: трафаретная печать, струйная печать и лазерная печать.

Внутренние слои

Внутренние слои могут представлять собой комбинацию сигнальных, силовых и изолирующих диэлектрических слоев.

• Сигнальные слои

Внутренние сигнальные слои состоят из проводящего материала, чаще — меди весом от 0,5 унций до 1 унции (от 18 до 35 мкм) в зависимости от требований к сопротивлению и мощности для маршрутизации электрических сигналов.

• Слои электропитания

Внутренние силовые слои питания и заземления состоят из проводящего материала, чаще всего это медь, вес меди — от 0,5 до 2 унций (от 18 до 70 мкм) в зависимости от требований к питанию для источника и электрических характеристик заземления.

• Слои препрега

Препрег (pre-impregnated — «предварительно пропитанный») представляет собой слой стеклоткани, пропитанной не отверждённой эпоксидной смолой, но не ламинированный медной фольгой. Препреги разделяют сигнальные слои и слои питания, обеспечивая электрическую изоляцию и помогая получить требуемую общую толщину платы для достижения нужного импеданса. Слои препрега располагаются между ядром и сигнальными или питающими слоями, также препрег работает в стеке платы как изолятор и адгезив.

На рис. 8 показан материал препрега из стеклоткани и эпоксидной смолы. При высоких температурах в процессе ламинирования эпоксидная смола в препреге «растекается» по прилегающим слоям и отверждается склеивая их, в результате чего получается прочная и жёсткая монолитная плата.

• Ядро

Слой ядра или сердечник обычно является центральным слоем печатной платы, обеспечивающим механическую поддержку компонентов и общую жёсткость. Это основной слой печатной платы, он состоит из толстого, жёсткого слоя базового материала (подложки) с тонкой медью с обеих сторон. Он обеспечивает структурную целостность печатной платы и служит основой для сигнальных или заземляющих слоёв. Основной слой может также включать дополнительные сигнальные дорожки. Кроме того, при помощи ядра проектировщик может увеличить или уменьшить толщину всей печатной платы для достижения проектной механической стабильности.

На рис. 9 показан типичный ламинат ядра печатной платы, изготовленный из тонкого слоя медной фольги, прикреплённой к жёсткому материалу подложки. Медная фольга ядра может служить нескольким целям, например, обеспечивать заземление или быть сигнальным слоем. В многослойных печатных платах может быть несколько ядер, объединённых между собой слоями препрега.

Стек гибкой печатной платы

Гибкая печатная плата предназначена для электронных изделий, требующих гибкости (например, носимые устройства), или для использования на изогнутых поверхностях.

Для достижения гибкости применяются гибкие материалы подложки, например, как полиимид. Такая печатная плата может иметь один или несколько гибких слоёв. Изолирующая подложка соединяется с проводящими слоями с помощью различных адгезивов.

На рис. 10 показана фундаментальная структура стека гибкой платы. Как и при монтаже жёсткой печатной платы, при сборке гибкой печатной платы требуются внешние проводящие сигнальные слои, финишное покрытие, слой шелкографии и паяльная маска. Но несколько элементов отличаются от жёсткого стека, они перечислены ниже.

• Защитное покрытие

Для схемы гибкой печатной платы требуется паяльная маска с большой гибкостью. Покрытие из защитной плёнки (Coverlay) служит паяльной маской на гибкой печатной плате, выполняя функцию защиты внешнего проводящего слоя.

• Подложка (базовый материал)

Основным базовым материалом, используемым в большинстве гибких печатных плат, является полиимид. Этот материал очень прочный, гибкий и обладает высокой термостойкостью.

• Клей (адгезив)

Это акриловый или эпоксидный материал, при помощи которого под воздействием давления и тепла выполняется соединение изоляционного материала подложки гибкой печатной платы и проводящего слоя.

• Элемент жёсткости

Гибкая печатная плата в силу своих физических свойств не может удерживать компоненты, поэтому к ней необходимо добавить усилитель — элемент жёсткости обычно из FR4 или полиимида. Это позволяет обеспечить жёсткость определённой области для установки и механической поддержки компонентов в составе сборки на основе гибкой печатной платы. Элемент жёсткости добавляется к гибкой печатной плате только в конце процесса изготовления и крепится с использованием клея.

Стек гибко-жёсткой печатной платы

Разработанная для применений, требующих и жёсткости, и гибкости, гибко-жёсткая печатная плата представляет собой гибрид, объединяющий элементы как гибких, так и жёстких плат. Свойства такой платы схожи с пружиной: если её растянуть или сжать, то она снова вернётся в исходное состояние после снятия напряжения. Это многослойная стековая структура с комбинацией трёх или более слоёв жёстких и двух или более слоёв гибких областей, которые соединены вместе (рис. 11: конфигурация 2-слойной гибкой и четырёхслойной жёсткой платы). К стеку гибко-жёсткой платы применяются те же правила, что и для проектирования стеков жёсткой и гибкой печатных плат.

Гибко-жёсткие печатные платы используются в устройствах, где электронная сборка должна поддерживать электрические соединения и при этом быть способной сгибаться или изгибаться, чтобы вписаться в нестандартное или ограниченное пространство. Стек гибко-жёсткой платы сложнее, чем у чисто жёсткой или гибкой печатных плат из-за сочетания гибких и жёстких материалов. Расположение и состав слоёв как в жёстких, так и в гибких секциях будут разными, паяльная маска будет находиться в жёсткой области, гибкая область будет покрыта плёнкой Coverlay и клеем, а в некоторых случаях потребуется усилитель.

ОБЗОР ТИПОВЫХ СТЕКОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ (СБОРОК)

На основе требований, которые предъявляются к промышленным, коммерческим, аэрокосмическим, оборонным и медицинским электронным устройствам, формируются и различные требования к печатным платам в их составе. Ниже представлен обзор стеков плат на основе их типового применения в изделиях электроники.

Стандартный стек

Это наиболее распространённый тип стека печатных плат, основанный на стандартном диэлектрическом материале FR-4 (Flame Retardant 4). Обычно используется для конструкций низкой и средней сложности и обеспечивает хорошие электрические и механические свойства.

Состоит из сигнальных слоёв и слоёв питания/заземления, чаще всего встречается с конфигурацией из 2–8 слоёв.

Высокоскоростной стек

Это широко используемый стек печатных плат для современных электронных устройств. Разработан для высокочастотных устройств, таких как высокоскоростные цифровые или радиочастотные схемы.

Такие сборки используют использования специализированных диэлектрических материалов с низкими потерями, с более низкой диэлектрической проницаемостью (εr) и низким тангенсом угла потерь (δ) для минимизации затухания сигнала. Также может включать дополнительные заземляющие слои и определённый порядок слоёв для улучшения целостности сигнала и снижения электромагнитных помех.

Стек объединительной платы

Стек объединительной печатной платы (Backplane PCB) применяется для высокопроизводительных вычислений и сетевых устройств. Объединительные платы служат центральным узлом межсоединений, обеспечивая высокоскоростной путь для передачи данных между различными подключаемыми модулями или дочерними платами в системе. Стек печатных объединительных плат предназначен для обработки высокоскоростных сигналов, управления распределением питания и поддержания целостности сигнала на нескольких взаимосвязанных платах.

Рис. 12 показывает внешний вид объединительной платы, обусловленный требованиями сборки.

Для компоновки объединительной платы необходима большая толщина, чтобы выдержать вес дочерней платы и компонентов. Число слоёв в таком стеке в среднем от 6 до 32. Также требуется сбалансированная укладка слоёв с контролем импеданса. Для минимизации затухания сигнала и обеспечения высокоскоростного распространения сигнала используются высокоскоростные материалы с хорошими показателями производительности, низкой диэлектрической постоянной и низким тангенсом угла потерь.

 Сборка печатной платы на металлическом основании или с металлическим сердечником (MCPCB)

Включает металлическое основание или сердечник из таких металлов как алюминий, медь или нержавеющая сталь, что обеспечивает эффективное рассеивание тепла в электронных устройствах высокой мощности, для которых управление температурой является критически важным фактором.

Металлический сердечник (ядро) или основание в таких сборках действует как радиатор, эффективно проводя и рассеивая тепло, выделяемое компонентами печатной платы.

К недостаткам печатных плат на металлическом основании (рис. 13) относятся их высокая стоимость и большой вес (по сравнению со стандартными платами), поэтому MCPCB применяются в конкретных устройствах, где необходимы их специфические свойства: в мобильных телефонах/аксессуарах, носимой электроники, медицинских и автомобильных приборах, устройствах дополненной реальности (AR).

Стек СВЧ печатной платы

Специально разработанный для устройств микроволнового и миллиметрового диапазона волн и известный как высокочастотный, этот стек используется для электроники, работающей на микроволновых частотах (обычно 1 ГГц и выше) или радиочастотах (РЧ). При проектировании таких сборок разработчик в первую очередь ориентируется на поддержание целостности сигнала, минимизацию потерь сигнала и контроль электромагнитных помех (ЭМП) на высоких частотах.

При изготовлении СВЧ печатных плат используются специализированные материалы, предназначенные для работы в условиях сверхвысоких частот. Они обладают низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и низким коэффициентом рассеяния (Df). Поскольку длина волны сигнала в воздухе меньше при распространении в печатной плате из-за диэлектрических свойств материала, прокладка линии передачи таких сигналов на плате и выбор материалов стека требуют особенно тщательного и внимательного подхода.

 Стек HDI плат (высокой плотности)

Печатные платы высокой плотности (HDI, High-density interconnect) характеризуются существенно более высокой плотностью разводки на единицу площади. Тогда как в стандартных стеках для соединения слоёв применяются сквозные переходные отверстия, стек HDI использует микропереходные отверстия, глухие переходные отверстия и скрытые переходные отверстия для достижения более высокой плотности разводки, лучшей электрической производительности и целостности сигнала.

На рис. 14 показана структура «X-N-X». Это распространённый способ описания конфигурации стека HDI. X представляет собой количество слоёв HDI с микропереходами, а N — количество основных слоёв, расположенных между HDI слоями. При современных технологиях стоимость изготовления печатной платы HDI аналогична стоимости стандартной печатной платы, имеющей более 8 слоёв. Также при использовании стека HDI размер платы уменьшается, что помогает поддерживать миниатюризацию устройств.

Последовательное ламинирование

Последовательное ламинирование является наиболее целесообразным решением для создания формирования стеков с применением продвинутых межслойных переходных отверстий.

При таком подходе для финальной сборки используют два или более стека, созданных индивидуально, которые соединяются вместе в конечную сборку. Это позволяет выполнять сложную внутреннюю трассировку слоёв с глухими и скрытыми переходами, задействуя два, три или более циклов ламинирования в зависимости от комбинации материалов подложки печатной платы.

Также это отличное решение для достижения постоянного соотношения глубина/диаметр отверстия на всех этапах сверления отверстий и обеспечения точного контроля импеданса для критических сигналов. В таблице 2 показан процесс ламинирования в четыре стадии с использованием высокоскоростных безгалогенных базовых материалов EM-526 Core 20 ГГц и EM-89BK. Рекомендуется проектировать плату так, чтобы циклов ламинирования было не более двух или трёх. Большее количество циклов склейки увеличат стоимость и время изготовления печатной платы.

Кроме того, необходимо учитывать, что ламинирование является прессованим при высокой температуре. Это значит, что учитывая  КТР (коэффициент теплового расширения), при высокой температуре увеличивается  риск образования пустот из-за расширения меди по оси Z непосредственно во время склеивания материалов. В некоторых случаях при повышении температуры диэлектрический материал расширяется быстрее, чем медь.

Для справки: КТР стекловолокна составляет около 6 ppm/°C, КТР меди составляет около 17 ppm/°C, а КТР смолы составляет около 100 ppm/°C.

Гибридный стек печатных плат

Гибридная компоновка печатных плат представляет собой комбинацию нескольких материалов подложки. Такая структура позволяет повысить производительность, многофункциональность и гибкость применения электронной сборки. Скомбинированы могут быть низкоскоростной и высокоскоростной материалы или различные материалы, обычно использующиеся для разных условий применения, таких как FR4+алюминий, FR4+металлическое ядро и FR4+керамические материалы.

Гибридный стек печатных плат даёт возможность лучше управлять температурой, уменьшать расход площади платы для распределения питания и повышения надёжности всей сборки. Он обеспечивает более высокую эффективность и производительность именно вследствие высокой степени вариативности материалов, используемых в конструкции, например, сочетание металлического слоя для экранирования ЭМС и керамического материала для высоких частот на одной плате.

На Рис. 15 представлен простой гибридный стек печатной платы.

Гибридные сборки в большинстве случаев дороги в изготовлении и в зависимости от комбинации материалов применяются в устройствах сетей связи, в медицине, аэрокосмической промышленности и обороне. Выбор базовых материалов для сборки гибридной печатной платы требует особого внимания к таким характеристикам как диэлектрическая проницаемость, шероховатость поверхности и толщина. Исходя из этих параметров, достигается согласование импеданса, уменьшение перекрёстных помех и улучшение целостности сигнала.

Стек печатной платы со встроенными компонентами

Обычный процесс установки пассивных компонентов на печатную плату — это SMD или сквозной монтаж. Стек печатной платы со встроенными компонентами относится к интеграции пассивных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и индуктивности, непосредственно во внутренние слои печатной платы. Пассивные компоненты встраиваются в процессе изготовления платы для экономии места, уменьшения длины межсоединений, повышения целостности сигнала и улучшения её общей производительности.

Встроенные компоненты располагаются в толщине диэлектрических слоёв (рис. 16), а резистивные элементы выполнены в виде тонкой плёнки, которая становится частью вытравленной печатной схемы на слоях платы. Технология применения встроенных компонентов имеет огромное преимущество перед поверхностным монтажом: она уменьшает размер платы, увеличивает площадь разводки и улучшает электрические характеристики и функциональность. Прямая интеграция пассивных компонентов в подложку снижает паразитную ёмкость и индуктивность, а также позволяет разместить пассивные компоненты ближе к активным. Благодаря передовым технологиям не только пассивные, но и активные компоненты могут встраиваться во внутренний слой печатной платы.

РАСЧЁТ ИМПЕДАНСА СТЕКА

Сегодня существует несколько онлайн-калькуляторов для расчёта толщины диэлектрика и толщины меди проводящего слоя на основе требований к скорости сигнала и мощности. При проектировании стека необходимо учитывать доступность на рынке материалов с нужными свойствами и технические возможности производителя плат. Это позволит избежать временных затрат на закупку расходников или переделку проекта.

Одним из популярных наборов инструментов для разработки печатных плат является «Saturn and Polar Instruments».

Существует несколько методов расчёта импеданса и характеристик стека слоёв печатной платы. Расчёт по стандарту IPC-2141 является одним из проверенных вариантов. Известный простой способ автоматизации таких расчётов — использовать таблицы Excel с формулами. Аналогичные данным из IPC2141 сведения можно найти и в IPC-D-317A.

Стандартный расчёт импеданса включает в себя учёт свойств диэлектрического материала и ширины трасс линий передачи и соседних опорных слоёв питания/земли.

Импеданс — это сопротивление протеканию тока в электрической цепи, и оно может быть активным, реактивным или и тем, и другим. Управление импедансом в стеке печатной платы является критически важным аспектом обеспечения целостности сигнала и эффективного распределения мощности в высокочастотных и высокоскоростных цифровых схемах. Импеданс линии передачи на печатной плате относится к сопротивлению, с которым сталкивается сигнал переменного тока при прохождении через дорожку, и обычно интересует проектировщика применительно к тем линиям на печатной плате, по которым передаются высокоскоростные сигналы.

Для достижения желаемого импеданса разработчик должен выбрать подходящие материалы печатной платы, ширину и расстояние между проводящими дорожками, а также толщины диэлектрических слоёв и расположить их в стеке печатной платы.

Более широкие дорожки уменьшают импеданс, в то время как более узкие дорожки увеличивают его; более высокие диэлектрические постоянные приводят к более высокому импедансу, и наоборот. При проектировании печатных платах используются два типа импеданса: один — несимметричный импеданс, а другой — импеданс дифференциальной пары, в которой сигналы маршрутизированы параллельно, эта величина демонстрирует сопротивление обеих линий в целом и обычно составляет от 50 до 120 Ом.

Существует несколько инструментов для расчёта импеданса дорожек высокоскоростных сигналов, одним из популярных является «Polar Instruments».

Импеданс одиночной линии

В односторонней линии передачи измеряется уровень сигнала относительно общей «земли». Характеристический импеданс рассчитывается на основе ширины сигнальной дорожки, расстояния от дорожки до плоскости заземления и диэлектрических свойств материала печатной платы.

Устройства с сопротивлением от 8 до 32 Ом считаются низкоомными. 50 Ом — хорошее значение для получения большой мощности с наименьшими потерями. Яркий пример для линии 50 Ом — коаксиальный сигнал.

Формула для расчёта несимметричного импеданса (Z_single) одиночной линии передачи приведена ниже.

• Импеданс 50 Ом для микрополосковой линии

Микрополосковая линия — это электрическая линия передачи во внешнем слое печатной платы, покрытая паяльной маской. Данная линия передачи либо имеет опорный слой только с одной стороны и отделена от него диэлектрическим слоем, либо взаимодействует со смежными контурами заземления или питания.

На рис. 18 показаны параметры и пример расчёта для микрополосковой линии сопротивлением 50 Ом (значения указаны в микронах).

• Сопротивление 50 Ом для полосковой линии

Полосковая линия — это электрическая линия передачи во внутреннем слое печатной платы, где проводник расположен между двумя идентичными диэлектрическими материалами с опорными плоскостями по обоим сторонам.

На рис. 19 показаны параметры и примеры расчётов для полосковой линии сопротивлением 50 Ом (значения указаны в микронах).

Импеданс (дифференциальный)

Расчёты импеданса для дифференциальной двойной линии передачи определяются параметрами сигнала, такими как ширина линии, расстояние от линий до земли и питания, толщина меди, опорная плоскость и толщина диэлектрика на печатной плате. Дифференциальный импеданс — это мгновенный импеданс пары линий передачи, когда два комплиментарных сигнала передаются с противоположной полярностью.

Характеристическое сопротивление в дифференциальной пары (Z_diff) рассчитывается на основе ширины дорожки, расстояния между дорожками и диэлектрических свойств материала печатной платы. Формула для расчёта импеданса дифференциальной пары приведена ниже.

Сопротивление дифференциальной пары обычно выше, чем сопротивление одинарной линии при той же ширине дорожки и диэлектрических свойствах из-за более широкой эффективной дорожки, созданной двумя линиями. Сопротивление дифференциальной пары имеет решающее значение для высокоскоростных цифровых схем, т.к. дифпары предлагают лучшую помехоустойчивость и целостность сигнала. Дифференциальный импеданс обычно составляет от 90 до 120 Ом.

• Импеданс 100 Ом для микрополосковой линии

На рис 20 изображён пример исполнения дифференциальной микрополосковой линии (импеданс 100–120 Ом) с копланарным волноводом, расположенной на внешнем слое, покрытом паяльной маской.

Это линия передачи с опорным слоем только с одной стороны и контурами заземления/питания на сигнальном слое.

• 100-омное сопротивление для полосковой линии

100-омная дифференциальная полосковая линия с копланарным волноводом— это линия, в которой две проводящие линии параллельны соседним контурам заземления, а дорожки располагаются между двумя опорными плоскостями.

Вес меди больше известен как толщина проводящего слоя меди на печатной плате. В таблице 3 показано соответствие веса и толщины меди, которая обычно используется при производстве печатных плат.

Таблица 3 — Стандартные толщины меди

Опорная плоскость

Опорная или базовая плоскость на печатной плате относится к проводящему слою (обычно заземлению или питанию), который служит стабильным и постоянным электрическим эталоном для сигналов на плате. Этот слой обеспечивает установленный электрический потенциал, относительно которого измеряются напряжение и ток сигналов. Правильное использование опорных плоскостей имеет решающее значение для обеспечения контроля импеданса и целостности сигнала, а также для снижения электромагнитных помех (ЭМП, EMI) в высокоскоростных цифровых и высокочастотных аналоговых схемах.

На рис. 22 показана конфигурация опорной плоскости, в которой структура этих плоскостей задаёт контролируемый импеданс. Управление путями наименьшего сопротивления является критической частью стека, оказывающей влияние на выбор материала диэлектрика. Тип и толщина материала могут заставить ток протекать в плоскость питания печатной платы до того, как он будет связан с заземляющим слоем.

Для сигнала, проходящего по линии передачи, обратный путь определяется ёмкостью между линией и её опорной плоскостью. Более высокая ёмкость, более высокая частота или и то, и другое означает, что обратный ток может легко проходить в заземляющий слой как ток смещения.

Разделение плоскости (сигнал/питание/земля)

Разделение различных плоскостей на печатной плате используется для размещения разных сигналов питания в отдельных слоях, в некоторых случаях это могут быть смешанные сигналы, такие как аналоговые и цифровые в одном слое. Необходимо иметь в виду, что при разделении питания, заземления и сигнала по слоям, могут возникнуть проблемы с целостностью сигнала при его маршрутизации в соседний слой через разделённую область из-за потери обратного пути для прохождения сигнала. Следует избегать параллельной трассировки, проходящей через разделённые области, а также трассировок через пустоты, чтобы предотвратить разрыв плоскости, через которую осуществляется возврат.

Лучший пример разделения плоскостей по слоям — проектирование четырёхслойного стека, когда внешние слои делают землёй, а внутренние слои используют для питания и сигнала, что обеспечивает наилучший обратный путь в схеме.

На рис. 23 представлена простая аналоговая и цифровая заземляющая разделённая плоскость в одном слое. Важно точно совместить разделённую плоскость с конструкцией стека слоёв, чтобы обеспечить единообразие и правильное выравнивание проводящего и диэлектрического слоёв.

Толщина диэлектрика

Это толщина базового материала между проводящими слоями печатной платы.

Характеристическое сопротивление линий передачи, производительность, термическая и механическая стабильность определяются толщиной диэлектрического слоя и свойствами материала. Выбор правильного базового материала на основе рабочей частоты, механических и электрических свойств, термических свойств (CTE), диэлектрической проницаемости (Dk) и коэффициента рассеяния (Df, тангенс угла потерь) является ключевым фактором.

Таблица 4 представляет типичный 6-слойный симметричный стек с контролируемым импедансом, сочетающий комбинацию тонких слоёв препрега со слоями ядер. Указана толщина каждого слоя диэлектрика.

Материал печатной платы производится с использованием стеклоткани, скреплённой смоляным эпоксидным материалом. Существует несколько широко используемых вариаций стеклоткани на основе распределения волокон, таких как 106, 1080, 1078, 2116, 3313 и т. д. Они обладают специфическими свойствами, к примеру ­­— низким DK, который изменяется в большую или меньшую сторону. Базовый материал с двухслойной основой даёт, по сравнению с однослойной, разные Dk и Df из-за различного остаточного процента смолы, что напрямую влияет на изолирующие свойства ядра и разделение проводящих слоёв.

На рис. 24 показано сравнение одно- и двухслойного материала с размещённой на основном материале полосковой линией. Однослойный хорош для недорогих печатных плат, имеющих минимальную сложность. Многослойный обеспечивает лучшую изоляцию, но стоит дороже и используется для сложных печатных плат с высокочастотными или высокоскоростными схемами с лучшей ЭМС, меньшими перекрёстными помехами и лучшей целостностью сигнала.