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