Структура штабелирования печатных плат является ключевым фактором, определяющим ее производительность. От простых двусторонних-плат до сложных многослойных-плат, укладка печатных плат подобна построению каркаса здания печатной платы, выполняющего важные функции, такие как передача сигнала, распределение мощности, электромагнитное экранирование и т. д., что глубоко влияет на стабильность и надежность электронных устройств.
1. Основная концепция и состав укладки печатных плат.
Укладка печатных плат — это, по сути, укладка и объединение слоев на печатной плате. Полная печатная плата обычно состоит из сигнального слоя, силового слоя, слоя земли и изолирующего диэлектрического слоя. Сигнальный уровень подобен «магистрали» для передачи информации, отвечающей за передачу электронных сигналов; Уровень питания обеспечивает стабильную поддержку питания электронных компонентов на печатной плате; В качестве опорного потенциала для сигналов слой заземления не только создает стабильную цепь передачи сигнала, но и эффективно экранирует электромагнитные помехи; Изолирующий диэлектрический слой действует как прочная «изоляционная стена», разделяющая проводящие слои, чтобы предотвратить короткие замыкания и гарантировать, что они не мешают друг другу.
Если взять в качестве примера обычную четырехслойную плату, типичная многослойная структура состоит из верхнего слоя (сигнального слоя), второго слоя (земляного слоя), третьего слоя (силового слоя) и нижнего слоя (сигнального слоя). Эта структура может удовлетворить основные требования в некоторых схемах, не требующих высокой производительности. Но с развитием электронных устройств в направлении высокой скорости и сложности печатные платы с 6, 8 или даже более слоями постепенно стали обычным явлением. Больше слоев означает больше места для проводки, более стабильное распределение мощности и лучшую защиту целостности сигнала.
2. Роль каждого слоя в укладке печатных плат.
1. Сигнальный слой
Сигнальный слой является основным носителем печатных плат для реализации функций схемы, отвечающих за передачу различных электрических сигналов. В высокоскоростных-цепях производительность сигнального уровня напрямую влияет на целостность сигнала. Чтобы уменьшить внешние помехи, высокоскоростные сигналы обычно размещаются в сигнальном слое рядом с заземляющим слоем, используя экранирующие свойства заземляющего слоя для уменьшения воздействия электромагнитных помех на сигнал. В то же время направление проводки сигнального слоя также имеет решающее значение, поэтому необходимо избегать -параллельной проводки на больших расстояниях и проводки под прямым углом, чтобы предотвратить отражение сигнала и перекрестные помехи. Например, в высокоскоростных-интерфейсах передачи данных, таких как USB 3.0, точная компоновка сигнального уровня имеет решающее значение для обеспечения правильной передачи данных.
2. Силовой слой
Основная задача уровня питания — обеспечить стабильное питание электронных компонентов на печатной плате. В многослойных печатных платах специально разработанный слой питания может разделять источники питания с разными уровнями напряжения, чтобы избежать взаимных помех. Уровень мощности тесно примыкает к заземляющему слою, и за счет уменьшения расстояния между ними можно уменьшить импеданс слоя мощности, повысить эффективность распределения мощности и уменьшить энергетический шум. Кроме того, уровень питания необходимо правильно разделить и изолировать, чтобы гарантировать, что различные функциональные модули могут получать стабильное и не мешающее электропитание. Как и материнская плата компьютера, она использует уровень питания для обеспечения стабильного питания различных компонентов, таких как процессор, видеокарта и память, обеспечивая нормальную работу каждого компонента.
3. Заземляющий слой
Слой заземления играет несколько важных ролей при укладке печатных плат. Он обеспечивает стабильный опорный потенциал для передачи сигнала, обеспечивая точную передачу и прием сигналов; Его превосходные характеристики экранирования могут эффективно блокировать проникновение внешних электромагнитных помех внутрь печатной платы, одновременно уменьшая электромагнитное излучение самой печатной платы и улучшая электромагнитную совместимость; Кроме того, слой заземления также обеспечивает обратный путь с низким импедансом для силового слоя, что еще больше снижает шум мощности. При проектировании слой заземления часто прокладывают медью на большой площади, чтобы уменьшить сопротивление заземления и повысить эффективность заземления. В таких областях, как медицинское электронное оборудование и аэрокосмическое оборудование, где требуется чрезвычайно высокая электромагнитная совместимость, роль заземляющего слоя особенно важна.
4. Изоляционный диэлектрический слой
Изолирующий диэлектрический слой расположен между каждым проводящим слоем, и его основная функция — обеспечить электрическую изоляцию и предотвратить короткие замыкания между различными проводящими слоями. Свойства материала оказывают существенное влияние на электрические характеристики печатных плат. К распространенным изоляционным материалам относятся эпоксидная смола, политетрафторэтилен и т. д. Диэлектрическая проницаемость и угол диэлектрических потерь разных материалов различаются, и эти параметры могут влиять на скорость передачи и потери сигналов. В высокоскоростных-цепях обычно выбираются изолирующие диэлектрические материалы с низкой диэлектрической проницаемостью и малым углом диэлектрических потерь, чтобы уменьшить задержку и потери передачи сигнала, а также обеспечить целостность сигнала.
3. Типовые схемы укладки печатных плат с разными слоями.
4-слойная доска
4-слойная плата представляет собой базовую многослойную структуру платы с распространенными схемами укладки, включая верхний слой (сигнальный слой), второй слой (земляной), третий уровень (силовой уровень) и нижний слой (сигнальный уровень). Эта структура подходит для схем, которые не требуют высокой производительности, таких как простые продукты бытовой электроники, частичные платы для промышленного оборудования управления и т. д. Однако в 4-слойной плате пространство для проводки сигнального слоя ограничено, и требуется тщательное планирование направления проводки, чтобы избежать помех сигнала.
6-слойная доска
По сравнению с 4-платой, 6-слойная плата увеличивает пространство для проводки, а также количество слоев питания и заземления. Общая схема стекирования включает верхний уровень (сигнальный уровень), второй уровень (земляной уровень), третий уровень (сигнальный уровень), четвертый уровень (силовой уровень), пятый уровень (земляной уровень) и нижний уровень (сигнальный уровень). Эта структура может лучше удовлетворить потребности схем средней сложности, таких как материнские платы смартфонов, некоторые печатные платы сетевых устройств и т. д. На 6-слойной плате высокоскоростные сигналы могут быть расположены в сигнальном слое рядом с заземляющим слоем посередине для повышения целостности сигнала.
8-слойная доска
8-слойная плата имеет более богатые комбинации стекирования, что может обеспечить хорошую поддержку производительности для сложных схем. Общие схемы стекирования включают верхний уровень (сигнальный уровень), второй уровень (земляной слой), третий уровень (сигнальный уровень), четвертый уровень (уровень питания), пятый уровень (уровень питания), шестой уровень (сигнальный уровень), седьмой уровень (земляной уровень) и нижний уровень (сигнальный слой). Плата . 8-уровня подходит для проектирования схем с высокой-скоростью и высокой-плотностью, таких как материнские платы компьютеров, печатные платы высокопроизводительных видеокарт и т. д. Путем организации питания и заземления разумно, 8-слойная плата может дополнительно снизить уровень шума и улучшить целостность сигнала.
4. Тенденция будущего развития укладки печатных плат.
С постоянным развитием электронных технологий и растущим спросом на производительность печатных плат, штабелирование печатных плат также откроет новые направления развития. В будущем широкое применение таких технологий, как 5G, искусственный интеллект и Интернет вещей, приведет к увеличению спроса на высокоскоростные,-частотные и-плотные цепи. Это будет способствовать использованию в штабелировании печатных плат большего количества слоев, более совершенных изоляционных материалов и более оптимизированных структур штабелирования для удовлетворения более высоких требований к целостности сигнала, целостности питания и электромагнитной совместимости.
Чтобы адаптироваться к тенденции миниатюризации и облегчения электронных устройств, при штабелировании печатных плат будет уделяться больше внимания интеграции и утончению. Используя технологию межсоединений высокой-плотности (HDI), технологию скрытых глухих отверстий и т. д., можно достичь более высокой плотности проводки в пределах ограниченного числа слоев; Использование более тонких изоляционных материалов и медной фольги для уменьшения толщины и веса печатных плат.