Wie entscheiden Sie sich für mehr als zwei Schichten auf einer Leiterplatte?

Ich habe gerade angefangen, meine Bachelorarbeit zu schreiben. Ich arbeite jetzt seit etwas weniger als einem Jahr als Junior-Hardware-Designer. Alle Boards, die ich bisher entworfen habe, haben 2 Schichten. Für meine Abschlussarbeit werde ich ein Board um das neue Raspberry-Pi-Rechenmodul 4 herum entwerfen, daher würde ich gerne wissen, ob ich mein Design auf einem 4-Layer-Board aufbauen sollte.

1. Frage

Ich sehe, dass für Anwendungen mit HF, niedrigem Rauschen, hoher Geschwindigkeit usw. 4- bis 6-Lagen-Platinen verwendet werden. Ich habe noch keine Vorlesung zu dem Thema besucht und mein PCB-Wissen habe ich mir größtenteils autodidaktisch außerhalb der Uni angeeignet. Ich würde es wirklich schätzen, wenn jemand erklären könnte, warum und wann aus anderen Gründen als der Komplexität des Boards mehr als 2 Schichten verwendet werden sollten. Wenn Sie vielleicht ein Buch oder einen Vortrag zum Thema verlinken könnten, wäre es noch besser.

2. Frage

Ich verstehe vage, dass für Hochgeschwindigkeitsplatinen wie Computer-Motherboards mehrschichtige Platinen verwendet werden. Bezugnehmend auf meine erste Frage, warum? Muss ich mein Board mehrschichtig machen? Wenn ja, wie soll ich mit meinem Layout und meinen Kupferregionen umgehen? Gibt es irgendwelche mysteriösen Regeln, die ich außer der Einhaltung der Datenblätter der von mir verwendeten ICs berücksichtigen sollte?

Ein Grund dafür ist, dass für viele Anwendungen eine Schicht eine solide Grundebene sein soll, damit HF-Ströme unter der Leiterbahn, von der sie kamen, zurückkehren können, wodurch eine möglichst kleine Schleifenoberfläche entsteht. Auf einer 2-Layer-Platine, die nur eine Schicht übrig lässt, was für das Routing komplexer Schaltungen möglicherweise zu restriktiv ist.
Abgesehen von Masseebenen können moderne Prozessorplatinen 6 oder mehr Stromschienen haben, die möglicherweise ziemlich groß sein müssen, und dies würde Stromebenen und eine Anzahl von Treiberschichten erfordern. Eine 16-Lagen-Platine, die ich gemacht habe, hatte 4 Stromversorgungsebenen, 4 Masseebenen und 8 Routing-Ebenen. Es musste auch bis zu 10 Ampere auf 3 der Stromschienen verteilen.
@ PeterSmith jeez 10A ist viel. Ich glaube, ich bin ein wenig zu unerfahren für diese Komplexität.
Für Hochgeschwindigkeits-Designregeln gibt es auf dieser Seite viele Beiträge von verschiedenen Leuten. Die Website von signal consulting (die Heimat von Dr. Howie Johnson) ist ebenfalls eine ausgezeichnete Ressource.

Antworten (1)

Dies ist ein ziemlich breites Thema, daher werde ich versuchen, die Antwort allgemein zu halten, anstatt zu versuchen, alle im Detail zu beantworten.

Erstens zwingen einige Komponenten dazu , mehr als zwei Schichten zu verwenden. Sie können einfach nicht alle Signale von einem dichten BGA-Chip auf zwei Schichten exportieren. Es ist einfach nicht genug Platz.

Einige Probleme zwingen Sie dann dazu , mehr als zwei Ebenen für Leiterbahnen zu verwenden. Kann die Spurdichte auf zwei Ebenen nicht erhalten; kann die Impedanz auf zwei Schichten nicht gut genug (oder mit ausreichend dünnen Spuren) steuern; Ohne eine dedizierte Stromversorgungs- und Erdungsebene kann die Wärme nicht schnell abgeführt oder der Versorgungsstrom nicht ausreichend versorgt werden ... Am wichtigsten sind Erdungsrückpfade, und wenn Sie Ihre Erdungsebene unterbrechen müssen, weil eine einzelne Signalschicht einfach nicht ist in der Lage sind, Ihre Schaltung zu unterstützen (was leicht passiert, die meisten Schaltpläne sind keine planaren Graphen ...), dann haben Sie verloren.

Dann beginnt der riesige Bereich der Dinge, die Kompromisse zwischen Komplexität, Kosten, Signalqualität, einfacher Verlegung, Fertigungsfähigkeiten usw. sind, und Sie könnten (und werden) Bibliotheksregale voller fortschrittlicher PCB-Designmethoden finden, die dies erklären was Sie auf einer bestimmten Anzahl von Ebenen tun können (und nicht können). Ich kenne zum Beispiel dein Gehalt nicht, aber nicht alle Boards werden millionenfach produziert. Wenn Sie 10 Boards mit demselben Design benötigen und das Layouten doppelt so lange dauert, wenn Sie es auf zwei Ebenen tun müssen, anstatt die Freiheit von vier Ebenen zu haben, nun, es könnte einfach billiger und besser sein, es auf vier zu tun , und fahren Sie mit dem nächsten Design fort.

Beachten Sie, dass Sie sagen "4 bis 6 Ebenen werden verwendet"; Aber wirklich, Sie können (soweit ich persönlich gesehen habe) 18-Lagen-Boards bestellen (die Kommentare zeigen sogar viel höhere Lagenzahlen!), Die Welt ist also etwas komplexer als Sie denken :)

Ich habe einmal eine 32-Layer-Backplane mit über 2300 5-Gb-Paaren und vielen anderen Dingen erstellt. Das hat die Zahl der Anbieter zugegebenermaßen eingeschränkt.
@PeterSmith bist du sicher, dass du nicht gerade versucht hast, das Internet auf einem Brett zu bauen? ;)
@PeterSmith War das die 10 mm dicke Basisstationsplatine? Jemand hier, ich weiß nicht mehr wer, hat die gemacht.
Als mein Arbeitgeber Burroughs Sperry kaufte und wir die 200 ksqft-Fabrik in der Nähe von Bristol, Tennessee, schlossen, stellten sie im eigenen Haus 50-Lagen-Boards mit Durchkontaktierungen her, die wie ein Remington-Rasierer aussahen. Die flüssigen Vergoldungsbäder waren riesig wie Müllcontainer mit Einkaufswagen voller Karten. Es kommt auf einen Kompromiss zwischen Zeit, Kosten und Leistungsspezifikationen an.
Marcus: Es war Teil eines Infiniband-Switches der Director-Klasse (144 4x Vollduplex-Ports).
@PeterSmith ah, ja, das ist überraschend nah;) Aber ja, bei Hochgeschwindigkeits-Verbindungs-Backplanes mit hoher Dichte würde ich nach einer hohen Anzahl von Schichten suchen. Eigentlich ziemlich erstaunlich, dass so etwas Komplexes gebaut wird!
gut zu wissen :)
Außerdem können manchmal weniger Schichten verwendet werden, wenn es keine Beschränkungen hinsichtlich der Platinengröße gab. Wir hatten oft eine feste Platinengröße und fanden einen Weg, die benötigten Funktionen auf die Platine zu bekommen. Mehr Schichten ermöglichen eine höhere Bauteildichte. 20-30 Schichten sind für Satellitencomputer üblich
Wie entscheiden Sie sich für mehr als zwei Schichten auf einer Leiterplatte?
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