تصميم لوحة PCB ذات أربع طبقات

في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية ومعدات التحكم الصناعية والأنظمة الرقمية عالية السرعة، تحظى لوحات الدوائر المطبوعة ذات الأربع طبقات بشعبية واسعة النطاق بفضل توافقها الكهرومغناطيسي (EMC) الفائق وسلامة الطاقة وسلامة الإشارة.

4 طبقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور هيكل التراص

تصميم التراص هو أساس أداء اللوحة ذات 4 طبقات. يمكن أن يؤدي التراص غير السليم إلى تداخل الإشارات وضوضاء مصدر الطاقة وعدم الامتثال لمعايير التداخل الكهرومغناطيسي.

1. مقارنة بين مخططات التراص الكلاسيكية

• المخطط 1 (موصى به)
  • الطبقة العليا: طبقة الإشارة
  • الطبقة 2: المستوى الأرضي (GND)
  • الطبقة 3: مستوى الطاقة (PWR)
  • الطبقة السفلية: طبقة الإشارة
  • المزايا: يوفر المستوى الأرضي مرجعًا ثابتًا لإشارات الطبقة العليا. تشكل مستويات الطاقة والأرضية المجاورة سعة فصل متأصلة.
• المخطط 2
  • الطبقة العليا: طبقة الإشارة
  • الطبقة 2: مستوى الطاقة
  • الطبقة 3: المستوى الأرضي
  • الطبقة السفلية: طبقة الإشارة
  • السيناريوهات القابلة للتطبيق: الأجهزة عالية التيار (مثل محركات المحركات). لاحظ التغييرات المحتملة في المستوى المرجعي لإشارات الطبقة السفلية.
• المخطط 3 (استخدم بحذر)
  • الطبقة العليا: المستوى الأرضي
  • الطبقة 2: طبقة الإشارة
  • الطبقة 3: طبقة الإشارة
  • الطبقة السفلية: مستوى الطاقة
  • المخاطر: مستوى أرضي غير مكتمل، مسارات عودة إشارة طويلة. مناسب بشكل أساسي للوحات ذات التردد المنخفض والتي يغلب عليها استخدام الموصلات.

2. إعدادات المعلمات الرئيسية

• سمك العازل الكهربائي: Recommended 0.1–0.2mm between signal and reference planes to enhance inter-layer coupling.
• وزن النحاس: Outer layers 1oz (35μm), inner layers 0.5oz (17.5μm). Can increase to 2oz for high-current areas.
• تصميم التراجع: Power planes should be indented 40–80mil relative to the ground plane (20H rule) to reduce edge radiation.

عبر التصميم

تعتبر المسارات حاسمة بالنسبة للوصلات بين الطبقات، ولكنها تسبب معلمات طفيلية تؤثر على الإشارات عالية السرعة.

1. عن طريق اختيار النوع

• ثقوب التوصيل: تكلفة منخفضة، مناسبة للإشارات القياسية وتوصيلات الطاقة.
• ثقوب عمياء/مدفونة: تُستخدم لتوجيه الهروب BGA عالي الكثافة، ولكنها تزيد من تكلفة العملية.

2. حساب المعلمات الطفيلية

• السعة الطفيلية:
  C ≈ 1.41ε · T · D1 / (D2 - D1)
  أين T هو سمك اللوح، D1 هو قطر المثقاب، D2 هو قطر الوسادة.
• المحاثة الطفيلية:
  L ≈ 5.08h [ln(4h / d) + 1]
  أين h هو عبر الطول، d هو قطر المثقاب.

3. إرشادات الاستخدام عبر Via

• مسارات الطاقة: استخدم ثقوبًا أكبر (على سبيل المثال، قطر 12 مل/مثقاب 16 مل)، وضع عدة ثقوب متوازية لتقليل المقاومة.
• مسارات الإشارة: يفضل استخدام ثقوب أصغر (على سبيل المثال، قطر 8 مل/ثقب 12 مل). تجنب وضع أزواج تفاضلية بشكل غير متماثل.
• المسارات الحرارية: ضعه تحت المكونات المولدة للحرارة (على سبيل المثال، مثقاب 0.3 مم، خطوة 1.5 مم).

توجيه PCB

1. إجراءات التوجيه

• تعامل مع المناطق الصعبة أولاً: ابدأ التوجيه من المناطق المعقدة مثل BGAs والواجهات عالية السرعة.
• المناولة المعيارية: توجيه المسار حسب الكتل الوظيفية (مثل MCU والذاكرة والدوائر التناظرية) لمنع التداخل المتبادل.
• تنظيف التوجيه: قم بتوجيه الإشارات منخفضة السرعة في النهاية، مع تحسين استخدام القناة عن طريق ضبط عرض التتبع والمسافة.

2. قواعد التوجيه الحرجة

• التحكم في المعاوقة:
  • Single-ended: 50Ω. Differential pairs: 100Ω.
  • يمكن تحقيق ذلك عن طريق ضبط عرض التتبع وسمك العازل الكهربائي والسماحية الكهربائية.
• معالجة الإشارات عالية السرعة:
  • أعط الأولوية لتوجيه إشارات الساعة على الطبقات الداخلية، بالرجوع إلى مستوى الأرض.
  • Maintain length matching in differential pairs (≤5mil tolerance).
• تقسيم مستوى الطاقة:
  • قسّم مستوى طاقة واحد إلى 3 مناطق كحد أقصى (على سبيل المثال، 3.3 فولت، 5 فولت، 12 فولت).
  • Use segmentation lines ≥0.5mm wide to prevent creepage issues.

تصميم سلامة الطاقة

1. وضع مكثف الفصل

• الاختيار: 0.1μF ceramic capacitors (high-frequency) + 10μF tantalum capacitors (low-frequency).
• التوظيف: Position close to IC power pins (≤3mm). Connect directly to power/ground planes via vias.

2. سلامة المستوى الأرضي

• تجنب تقسيم المستوى الأرضي بآثار الإشارات لضمان مسارات عودة منخفضة المقاومة.
• Connect digital and analog grounds at a single point using a ferrite bead or 0Ω resistor.

التحقق من التصميم والتحضير للإنتاج

1. قائمة مراجعة جمهورية الكونغو الديمقراطية

• Trace Width/Spacing: General signals ≥6/6mil, Power traces ≥12/12mil.
• Drill-to-Copper Distance: ≥8mil to prevent short circuits.

2. محاكاة سلامة الإشارة

• استخدم أدوات مثل HyperLynx أو Sigrity للتحقق من زمن الصعود والرنين واستمرارية المعاوقة.
• ركز على التحقق من الساعات والإشارات التفاضلية وتذبذب مصدر الطاقة.

3. إخراج ملف الإنتاج

• توفير ملفات Gerber (بما في ذلك الطبقات وقناع اللحام والحفر) وكوبونات اختبار المعاوقة ورسومات التجميع.

أهم النقاط في التصميم

1. تفضيل مخطط التراص 1، مما يضمن وجود مستوى أرضي مجاور لطبقات الإشارة الأولية.
2. توازن بين التكلفة والأداء من خلال التصميم، باستخدام مسارات طاقة متوازية لتقليل المعاوقة.
3. الطريق الذي يتبع مبدأ "الصعوبة أولاً"، مع إعطاء الأولوية للإشارات عالية السرعة في الطبقات الداخلية.
4. تحديد تقسيم الطاقة إلى 3 مناطق، وضع مكثفات فصل بالقرب من الدوائر المتكاملة.
5. التحقق من الصحة باستخدام كل من DRC والمحاكاة لتجنب إعادة العمل بعد الإنتاج.