Onze topregels voor de opbouw en de volgorde van de lagen van een printplaat

De meeste moderne elektronische apparaten bevatten printplaten die essentieel zijn voor hun prestaties. Elke laag van een printplaat is fysiek gerangschikt in een stapel, en elke laag is essentieel voor de algemene werking van de printplaat.

In dit artikel worden de basisregels met betrekking tot de opbouw en de volgorde van de lagen van een printplaat besproken, waarbij rekening wordt gehouden met het feit dat er, afhankelijk van de specifieke specificaties van het ontwerp, enkele afwijkingen kunnen zijn.

Inzicht in de verschillende lagen van een printplaat

Bij het ontwerpen van een printplaat zijn de opbouw en de volgorde van de lagen essentieel om de functionaliteit en de prestaties van de printplaat te garanderen. Maar alvorens in te gaan op de volgorde van de lagen, is het belangrijk de verschillende soorten lagen van een printplaat te begrijpen.

In het algemeen zijn er drie soorten lagen: signaallagen, voedings-/massavlakken en gesplitste vlakken. Signaallagen bevatten condensatoren, weerstanden, geïntegreerde schakelingen en andere onderdelen die de schakeling aanvullen. Voedings-/massavlakken bieden intussen een consistent pad voor de stroom door het apparaat, en gedeelde lagen kunnen overspraak tussen signalen met verschillende potentialen verminderen. Weten wat elke laag doet staat centraal bij het bepalen van de volgorde van de lagen. Met deze kennis kunt u ervoor zorgen dat uw printplaat wordt ontworpen met het oog op optimale prestaties en uiteindelijk uw product een voorsprong geven op de concurrentie.

Te overwegen factoren voor het ontwerpen van een printplaat

Bij het ontwerpen van een printplaat moeten enkele belangrijke factoren worden overwogen voordat u aan de slag gaat. Deze zullen ervoor zorgen dat het ontwerp voldoet aan de eisen van de toepassing.

De belangrijkste te overwegen sleutelfactoren zijn de volgende:

• Aantal lagen - Ontwerpers moeten beslissen hoeveel lagen de printplaat zal hebben. Over het algemeen zijn printplaten met twee of vier lagen standaard voor kleine componenten, maar voor complexere printplaten kunnen zes of zelfs acht lagen nodig zijn.
• Substraatmateriaal - Het voor de printplaat gebruikte substraatmateriaal moet zorgvuldig worden gekozen. Gangbare materialen zijn FR-4 epoxy, Rogers 4003, en polyimide. Elk materiaal heeft zijn eigen kenmerken, dus het is belangrijk om er een te kiezen dat voldoet aan de vereisten inzake stroomverbruik, budget en frequentie.
• Volgorde van de lagen - De volgorde van de lagen van de printplaat is van invloed op de signaalintegriteit en de prestaties. Kritische signalen moeten bijvoorbeeld op de binnenste lagen worden geplaatst in plaats van op de buitenste, waardoor de signaalintegriteit wordt verbeterd.
• Configuratie van de opbouw - De configuratie van de opbouw bepaalt hoeveel ruimte tussen elke laag wordt toegewezen en of signalen moeten worden afgeschermd of geïsoleerd van andere. Ontwerpers moeten rekening houden met het kopergewicht van elk spoor en de grootte van eventuele uitsparingen of gleuven bij het ontwerpen van dit aspect van de printplaatlay-out.

Dingen die u moet weten over de volgorde van de lagen en de opbouw

Wanneer ontwerpers te maken krijgen met de uitdagingen van de volgorde van de lagen en de opbouw, moeten zij enkele belangrijke aspecten weten.

1 - Denk aan de ontwerpspecificaties

Alvorens te beginnen met de opbouw van een printplaat moet rekening worden gehouden met de ontwerpeisen. Enkele belangrijke overwegingen zijn de grootte van de printplaat, het type signaaloverdracht, de betrokken frequenties en het aantal lagen. Afhankelijk van de ontwerpeisen zal de opbouw van de printplaat een bepaald aantal en soort lagen vereisen.

2 - Bepaal het soort laag

De volgende stap is bepalen welke soort lagen de printplaat nodig heeft. De signaal-, voedings- en massavlakken zijn de drie verschillende soorten lagen in een printplaat. Massavlakken worden gebruikt om een retourkanaal met lage impedantie voor de signalen te bieden, signaallagen worden gebruikt om signalen tussen componenten te transporteren en voedingslagen worden gebruikt om de componenten van stroom te voorzien.

Ontwerpers moeten altijd beginnen met de signaallaag, de eerste laag in de stapel waarin de meeste signalen worden geleid. De signaallaag moet grenzen aan de voedings- en grondlagen. Hoe dan ook, het aantal lagen in de printplaat moet worden geoptimaliseerd om de kosten en complexiteit van het ontwerp af te wegen met de vereisten voor signaalintegriteit en EMI.

3 - Orden de lagen

De volgende stap is het ordenen van de lagen zodra de soorten lagen zijn bepaald. De signaallagen worden gestapeld tussen twee massavlakken volgens de normale opbouwvolgorde van de printplaat. Deze configuratie beschermt de signaallagen goed en de elektromagnetische interferentie (EMI) wordt verminderd.

Een goede praktijk is het afwisselen van voedings- en grondlagen, wat helpt om een consistente impedantie te handhaven en de elektromagnetische interferentie in de printplaat te verminderen. Bovendien moeten de hogesnelheidssignalen dicht bij de aarde worden gehouden. Voor hogesnelheidssignalen, zoals die in digitale schakelingen, is het belangrijk de signaallaag zo dicht mogelijk bij een massavlak te houden om ruis te verminderen en de signaalintegriteit te behouden.

Als de printplaat zowel analoge als digitale signalen bevat, is het belangrijk deze in verschillende lagen te scheiden om onderlinge interferentie te verminderen. Als het ontwerp extra voedings- en massaverbindingen vereist, verdient het aanbeveling speciale voedings- en grondlagen toe te voegen aan de stapel.

4 – Bepaal de dikte en het materiaal van de lagen

De dikte en het materiaal van de lagen zijn essentiële factoren om te overwegen bij de opbouw van een printplaat. De dikte van de lagen beïnvloedt de impedantie van de sporen en het materiaal beïnvloedt de diëlektrische constante en de verliestangens. Een goede selectie van potentiële substraatmaterialen is de volgende:

• FR-4, het meest gebruikte materiaal voor printplaten, is een met glas versterkt epoxylaminaatmateriaal dat wenselijke diëlektrische eigenschappen, een goede mechanische sterkte en betaalbaarheid biedt. Het heeft een diëlektrische constante van 4,3 en een verliestangens van 0,02.
• FR-4 voor hoge temperaturen is vergelijkbaar met FR-4, maar is bestand tegen hogere temperaturen tot 170°C zonder enige significante thermische degradatie, waardoor het geschikt is voor krachtige toepassingen.
• Flexibel printplaatmateriaal: Flexibel printplaatmateriaal kan buigen, draaien of vouwen, waardoor het ideaal is voor toepassingen die een compacter en lichter ontwerp vereisen, zoals draagbare en medische apparaten.
• Polyimide is een zeer stabiel en robuust materiaal dat bestand is tegen hoge temperaturen en ruwe omgevingen. Vanwege zijn eigenschappen wordt het vaak gebruikt voor de ruimtevaart, voor militaire en medische toepassingen.
• Rogers is een handelsmerkmateriaal dat superieure diëlektrische eigenschappen, een hoog warmtegeleidingsvermogen, stabiliteit en een lage verliestangens biedt. Het wordt doorgaans gebruikt in hoogfrequente toepassingen zoals telecommunicatie, ruimtevaart en defensie. Figuur 1 toont een printplaat die Rogers RO4003C-substraatmateriaal bevat.

5 - Bepaal de spoorbreedte en de tussenafstand

De spoorbreedte en de tussenafstand zijn cruciale factoren die de impedantie en de prestaties van printplaten beïnvloeden. De spoorbreedte moet worden ontworpen om de vereiste stroom te dragen zonder oververhitting, en de tussenafstand moet voldoende zijn om overspraak en interferentie te vermijden.

6 - Controleer het ontwerp van de opbouw op signaalintegriteit

Zodra u de printplaatopbouw hebt ontworpen, is de controle ervan op signaalintegriteit essentieel. Signaalintegriteitsproblemen zoals overspraak, weerkaatsingen en demping kunnen de prestaties van de schakeling aanzienlijk beïnvloeden. Gebruik een analysetool voor signaalintegriteit om het ontwerp te simuleren en te verifiëren.

Figuur 1: Printplaat met Rogers RO4003C-substraatmateriaal

Voor- en nadelen van meerlagige printplaten

Meerlagige printplaten, zoals printplaten met vier, zes of nog meer lagen, bieden verschillende voor- en nadelen ten opzichte van enkel- of dubbellagige printplaten. Meerlagige printplaten bieden veel voordelen op het gebied van dichtheid, signaalintegriteit en functionaliteit, maar ze gaan gepaard met extra kosten en complexiteit bij het ontwerp en de fabricage. De beslissing om een meerlagige printplaat te gebruiken moet worden gebaseerd op de specifieke eisen van de schakeling en de beschikbare middelen voor het ontwerpen en vervaardigen van de printplaat.

Hier volgen enkele van de voor- en nadelen van meerlagige printplaten.

Voordelen:

• Verhoogde dichtheid: Meerlagige printplaten maken het mogelijk om meer componenten en schakelingen in een kleinere ruimte te krijgen, waardoor de dichtheid van de schakeling toeneemt en de totale grootte van de printplaat afneemt.
• Verbeterde signaalintegriteit: Meerlagige printplaten bieden een betere signaalintegriteit door de effecten van ruis, overspraak en elektromagnetische interferentie (EMI) op de schakeling te verminderen. Dit wordt bereikt door massa- en voedingsvlakken toe te voegen en meer lagen voor signaalroutering te voorzien.
• Verbeterde functionaliteit: Meerlagige printplaten kunnen extra functionaliteit en eigenschappen bieden, zoals meerdere voedings- en massavlakken, impedantiegecontroleerde routering en differentiële paren.
• Rendabel: Hoewel ze duurder zijn dan enkel- of dubbellagige printplaten, kunnen meerlagige printplaten rendabel zijn in vergelijking met equivalente enkel- of dubbellagige printplaten. Dit komt doordat zij de totale omvang en het gewicht van de printplaat en het aantal benodigde componenten verminderen.

Nadelen:

• Kostprijs: Meerlagige printplaten zijn duurder dan enkellagige of dubbellagige printplaten vanwege de extra lagen en productieprocessen die vereist zijn.
• Complexiteit: Het ontwerp en de fabricage van meerlagige printplaten is complexer dan die van enkel- of dubbellagige printplaten. Ze vereisen een meer zorgvuldige planning en expertise om optimale prestaties en betrouwbaarheid te bereiken.
• Beschikbaarheid: Meerlagige printplaten zijn niet altijd even gemakkelijk verkrijgbaar bij alle printplaatfabrikanten, vooral niet bij een hoog aantal lagen of gespecialiseerde vereisten.
• Uitdagingen bij de fabricage: Het fabricageproces voor meerlagige printplaten omvat verschillende stappen, waaronder boren, plateren en lamineren, wat uitdagend en tijdrovend kan zijn. Dit kan leiden tot langere doorlooptijden en een hoger risico op fabricagefouten.

De 4-lagige printplaat

De 4-lagige printplaat (figuur 2) is een veelgebruikt en veelzijdig ontwerp dat een evenwicht tussen functionaliteit en rendabiliteit biedt, waardoor hij geschikt is voor een breed scala van elektronische toepassingen. Hij bestaat doorgaans uit vier lagen kopersporen en -vlakken tussen isolerende lagen. De lagen zijn genummerd van de bovenste tot de onderste laag, en de volgorde van de lagen voor een 4-lagige printplaat is meestal als volgt:

• Bovenlaag: Dit is de bovenste laag van de printplaat, die de componenten en de routering voor de bovenkant van de printplaat bevat.
• Signaallaag 1: Dit is de eerste binnenlaag, die de routering en componenten bevat voor signalen die tussen de boven- en onderlaag moeten kruisen.
• Massa- of voedingsvlak: Dit is de tweede binnenlaag die als massa- of voedingsvlak dient, afhankelijk van de vereisten van de schakeling. Een massavlak wordt gebruikt om een retourpad met lage impedantie te bieden voor signalen, terwijl een voedingsvlak wordt gebruikt om de componenten van stroom te voorzien.
• Onderlaag: Dit is de onderste laag van de printplaat, die de componenten en de routering voor de onderkant van de printplaat bevat.

De isolatielagen tussen de koperlagen zijn gemaakt van een diëlektrisch materiaal, meestal FR-4 of een ander composietmateriaal. De dikte van de isolatie- en koperlagen hangt af van de vereisten van de schakeling en de ontwerpspecificaties.

Naast de koper- en isolatielagen kan een 4-lagige printplaat ook via’s hebben, dat zijn kleine gaatjes die in de printplaat worden geboord en die de koperlagen met elkaar verbinden. Via’s kunnen zowel doorvoergaten (PTH) als niet-doorvoergaten (NPTH) zijn, en zij worden gebruikt om verbindingen tussen de lagen te maken voor de signalen en het vermogen.

Figuur 2: Lay-out van een gewone 4-lagige printplaat

Conclusie

Het ontwerpen van de opbouw van een printplaat is cruciaal voor het bouwen van een functionele en efficiënte printplaat. Door rekening te houden met de ontwerpvereisten, soorten lagen, volgorde van de lagen, dikte, materiaal, spoorbreedte, tussenafstand en signaalintegriteit kunt u optimale prestaties van uw printplaat garanderen. Gebruik een printplaatontwerptool om u te helpen bij het maken en verifiëren van het ontwerp van de opbouw.

20.09..2023