Deep Dive - PCB-tasot (kuparivalu): toiminta, suunnittelu ja parhaat käytännöt
A kone(taikupari kaada) painetulla piirilevyllä on yhtenäinen kuparialue, joka on määritelty rajoilla eikä kapealla reititetyllä viivalla.
Tasot ovat monikerroksisten piirilevyjen perustavanlaatuisia rakennuspalikoita: ne toimivat maa- ja tehonjakelukerroksina, tarjoavat signaalien paluureittejä, auttavat lämmönpoistossa ja vaikuttavat EMC/EMI- ja signaalin eheyteen. Tehokkaiden tasojen suunnittelussa on tasapaino sähköisen suorituskyvyn, lämpötarpeiden ja valmistettavuuden välillä.
Lentokoneiden toiminnalliset roolit
1.1 Matala-impedanssi paluupolku
Jatkuva maataso suoraan signaalikerroksen alla tarjoaa lyhimmän, pienimmän{0}}induktanssin paluutien. Tämä minimoi silmukan alueen ja vähentää säteilypäästöjä ja yli{2}}puhetta.
Ohjattujen -impedanssijälkien (yksi-päätyinen tai differentiaalinen) osalta vertailutason jatkuvuus, dielektrisen paksuus ja kuparin paksuus määrittävät ominaisimpedanssin.
1.2 Tehonjako
Voimakoneet jakavat VCC-kiskoja pienellä jännitehäviöllä. Erillisen sisäisen tehotason käyttäminen vähentää reitityksen ruuhkautumista signaalikerroksissa ja alentaa impedanssia verrattuna moniin ohuisiin tehojälkiin.
Aseta erotuskondensaattorit teho- ja maatasojen väliin läpivientiparien avulla luodaksesi matalan{0}}induktanssin liitännät.
Lentokoneiden toiminnalliset roolit
1.3 Lämmönhallinta
Suuret kuparialueet toimivat lämmönlevittiminä. Kuumien komponenttien (esim. BGA:t, teho-FET:t) alle ommeltut lämpöreiät johtavat lämpöä kuumatyynystä sisäiseen tai pohjakupariin jäähdytyksen helpottamiseksi.
Kiinteä taso tarjoaa paremman lämmönjohtavuuden kuin viivoitettu/silmukkakupari.
1.4 EMC/EMI-ohjaus
Jatkuvat tasot estävät EMI:n tarjoamalla vakaan referenssin ja suojauksen. Tasoissa olevat halkeamat tai saaret voivat muodostaa resonoivia onteloita ja heikentää EMI-suorituskykyä.
Ompeleet läpivientiaukot ja tasojen halkeamien huolellinen sijoittaminen vähentävät silmukkapinta-alaa ja pitävät paluuvirrat paikallisina.
Lentokoneiden toiminnalliset roolit
1.5 Rakenteelliset ja tuotantovaikutukset
Kuparin valukuviot vaikuttavat levyn jäykkyyteen, vääntymiseen valmistuksen aikana ja etsauksen tasaisuuteen. Epätasapainoinen kupari voi johtaa paneelien vääntymiseen ja kokoonpanoongelmiin.
2. Tasotyypit ja kuviot
2.1 Kiinteä valu
Jatkuva kiinteä kuparialue. Paras korkean-virtatason koneille, virranjakelulle ja EMI-suojauksille.
Plussat: alhaisin impedanssi, paras lämmönjohtavuus, erinomainen suojaus.
Miinukset: voi aiheuttaa stressiä/vääristymistä, jos se on epätasapainossa eri kerrosten välillä; suurempi kuparin kulutus.
2.2 Viivoitettu (verkko) Kaada
Kupari kaadetaan ristikko/viivottu kuvio, ei kiinteä.
Plussat: vähentää sisäistä stressiä ja vääntymisriskiä; parantaa tarttuvuutta ja vähentää hartsin ottoa taipuisilla alueilla.
Huonot puolet: suurempi impedanssi ja huonompi lämpö-/EMI-suorituskyky kuin kiinteässä valussa - vältä ensisijaisia maa-/tehotasoja nopeissa-tai suuritehoisissa{2}}malleissa.
2.3 Split Lentokoneet ja saaret
Tasot voidaan jakaa sisältämään erilaisia verkkoja (esim. digitaalinen maa, analoginen maa, alusta). Splitit on käsiteltävä huolellisesti - virheelliset jaot aiheuttavat paluupolun epäjatkuvuuksia ja EMI-ongelmia.
Käytä yksipisteliitäntöjä tai tähtimaadioita vain, kun se on ehdottoman välttämätöntä; ommeltuja liitoksia, joissa on pieni{0}}impedanssi parien kautta, suositellaan yleensä.
3. Käytännön CAD/EDA-tason asetukset ja säännöt
Kaatojärjestys:Kun useita polygoneja on olemassa, aseta kaatojärjestys välttääksesi ei-toivotut shortsit ja varmistaaksesi aiotut nettovoitot.
Tila / eristys
Aseta kuparin kaatoväli muista verkoista/tyynyistä IPC-luokkasi ja ominaisuuksiisi mukaan. Tyypilliset alueet: 4–8 mil (0,1–0,2 mm), mutta vaihtelevat rakenteen ja jännitevaatimusten mukaan.
Thermals vs Solid Connection
Lämpöpinnat vs suora liitäntä. Lämpömateriaalit helpottavat juottamista tasoihin kiinnitetyissä-reikäpehmusteissa; suorat liitännät ovat suositeltavia tehotyynyille, jotka vaativat alhaista lämpövastusta.
Pour Priority / Net Tie
Hallitse monikulmion kaatojärjestystä, kun useat verkot menevät päällekkäin; verkkosidokset mahdollistavat tarkoitukselliset yhteydet verkkojen välillä määritellyin rajoituksin.
Kaadun poisto (orvot)
Poista pienet tai "orvot" kuparisaarekkeet, joita ei ole liitetty tarkoitettuihin verkkoihin - ne voivat vangita virtauksen/kontaminaation ja aiheuttaa valmistuspäänsärkyä.
4.1 Tikkauksen kautta
Tikkausläpiviennit (aitojen kautta) yhdistävät tasoosat halkeamien yli tai yhdistävät sisäiset tasot lämpö-/EM-maadoitusta varten.
Aseta ompeleet säännöllisin väliajoin (välit riippuvat taajuudesta) herkkien verkkojen ympärille paluuvirtojen rajoittamiseksi ja EMI:n vähentämiseksi.
4.2 Lämpökanavat
Tehokomponenttien tai BGA:iden alla olevat lämpöreiät auttavat siirtämään lämpöä sisäkerroksiin tai pohjakupariin ja jäähdytyselementteihin.
Käytä pienten läpivientien ryhmiä (esim. useita 0,2–0,3 mm:n läpivientejä) tehokkaan lämmönjohtavuuden varmistamiseksi; harkitse pinnoitusta ja täyttöä, jos käytetään kautta-in-täytöä.
4.3 Via-in-Pad ja Via pinnoitus/täyttö
Vian-in-pad: käytetään säästämään reititystilaa BGA:n alla, mutta aiheuttaa juotteen imeytymisongelmia uudelleenvirtauksen aikana.
Ratkaisut:teltattuna(peitetty juotosmaskilla),kytketty ja pinnoitettu päälle(ei--johtava tai johtava täyttö + kuparipinnoitus) tai siirrä läpiviennit pois-tyynystä.
Täytetyt ja pinnoitetut läpiviennit mahdollistavat tasaisen alustapinnan luotettavaa BGA-juottamista varten, mutta lisäävät kustannuksia ja prosessivaiheita.
5. Sähköisten/signaalien eheysnäkökohdat
Ohjattu impedanssi:Mikroliuskalle (signaali ulkokerroksella tason yli) tai liuskajohdolle (signaali kahden tason välillä) geometriaa varten, tasoeristeen paksuus, kuparin paksuus ja jäljen leveys asetettu impedanssi. Pidä vertailutaso jatkuvana suoraan jäljen alla.
Paluupolun jatkuvuus:Vältä viitetason jakamista nopeiden{0}}jälkien alla; Jos se on väistämätöntä, reititä jälkiä paluujen jatkuvuuden ylläpitämiseksi tai ommeltujen läpivientien luomiseksi.
Irrottaminen:Sijoita irrotuskondensaattorit lähelle IC-virtanastaa ja varmista oikosulut tasopipariin loisinduktanssin vähentämiseksi.
Tasoresonanssi- ja kaviteettitilat:Suuret rikkoutumattomat tasonkalot voivat resonoida tietyillä taajuuksilla. Käytä ompeleita ja strategisia leikkauksia resonanssien hallitsemiseen.
6. Lämpö- ja mekaaninen suunnittelu (DFM)
Kuparitasapaino:Säilytä symmetrinen kuparin jakautuminen kerrosten välillä (tai käytä kuparin ohennusta/valekuparia) loimien minimoimiseksi laminoinnin ja kokoonpanon aikana.
Rengasrenkaan ja -poran/tyynyn säännöt:Varmista, että rengasmaisten renkaiden koot täyttävät valmistusrajat. Tyypilliset rengasmaisten renkaiden vähimmäisarvot riippuvat poran koosta ja valmistuskyvystä - ota yhteyttä tehtaaseen (yleinen vähimmäisarvo ~0,15 mm).
Kuvasuhde (Levyn paksuus: Poran halkaisija):Luotettavien pinnoitettujen{0}}reikien saamiseksi pidä kuvasuhde lautatalon rajoissa (suositus on yleensä < 8:1, mutta ominaisuudet vaihtelevat).
Panelointi:Harkitse, kuinka valut vaikuttavat paneelin syövytykseen/hapettumiseen; suunnittelijat käyttävät usein kaatovälin lisäyksiä paneelien reunojen ja työkalujen reikien lähellä.
7. Valmistettavuus ja kokoonpano (juottamisen vaikutus)
Soldermask Defined (SMD) vs Non{0}}Soldermask Defined (NSMD) tyynyt:Pienille BGA-tyynyille NSMD-tyynyt (maskin aukko suurempi kuin kupari) tarjoavat paremman rengasmaisen renkaan ja luotettavuuden hienojakoisille. Kuitenkin tyynyn tyyli vaikuttaa siihen, miten lentokone kaataa solmion pehmusteisiin.
Juotoksen imeytyminen:Avoimet läpiviennit tyynyjen lähellä voivat siirtää juotoksen pois. Estä telttauksella, tulpilla tai siirtämällä läpivientiä.
Wave/Reflow huomioita:Kiinteät tehotasot lisäävät lämpömassaa - säädä uudelleenvirtausprofiileja vastaavasti. Kuoritut valut vähentävät lämpömassaa, mutta voivat vaarantaa sähköisen suorituskyvyn.
8. Parhaiden käytäntöjen tarkistuslista (yhteenveto)
Varaa sisäiset kerrokset jatkuville maa- ja tehotasoille, jos mahdollista.
Pidä maataso jatkuvana{0}}nopeiden signaalikerrosten alla; välttää tarpeettomia eroja.
Käytä ompeleita tasojen halkeamien silloittamiseksi ja silmukkapintojen vähentämiseksi.
Sijoita irrotuskondensaattorit mahdollisimman lähelle tehonastoja, joissa on oikosulut tasoihin.
Harkitse BGA:ssa -in-alusta, jossa on pinnoitettu täyttö ja overplate, jos reititystiheys vaatii sitä -, mutta ota huomioon kustannukset.
Käytä kiinteää kuparia ensisijaisessa tasokerroksessa tehon ja maan saamiseksi (vältä viivoitettuja, ellei sitä tarvita jännityksen lievittämiseen).
Tasapainota kuparin tiheys kerrosten välillä vääntymisen estämiseksi.
Koot/rengasrenkaat ja kuvasuhde sovitetaan yhteen piirilevysi kanssa suunnittelun alussa.
Työskentele kokoonpanotalon kanssa tyynytyyleissä ja telttauksen/täytön avulla välttääksesi juotteen imeytymisen ja kokoonpanon tuottohäviön.
9. Loppuajatuksia
Tasot voivat näyttää "vain suurilta kuparialueilta", mutta ne ovat keskeisiä piirilevyn sähköisessä suorituskyvyssä, lämpökäyttäytymisessä, EMC-ominaisuuksissa ja valmistettavuudessa. Harkittu tasosuunnittelu - jatkuvat viittaukset nopeille-signaaleille, oikea tehotason jakautuminen, lämpöläpivientien oikea käyttö ja yhteistyö piirilevyn kanssa läpivientien ja rengasmaisten renkaiden rajoituksissa - voivat parantaa merkittävästi tuotteen luotettavuutta ja vähentää kalliita uudelleensuunnitteluja.
