[0] PCB - Podział warstw na płytkach

W tym poście przedstawię w jaki sposób należy dobierać warstwy w płytkach dwu oraz wielowarstwowych. 

Płytki wykonywane są poprzez nanoszenie warstw równego typu na siebie. Na rysunku 1 przedstawiłem przykładowy przekrój dla płyty 8 warstwowej.

Rys. 1. Przekrój poprzeczny przez warstwy PCB [1]

W płytkach można wyróżnić następujące warstwy:

• prepreg - mieszanka włókien szklanych i żywicy epoksydowej. Jego zadanie polega na zapewnieniu odpowiedniej jakości i trwałości przygotowanej płytki.
• rdzeń - cienka warstwa dielektryka, który jest pokryty z obu stron cienką warstwą miedzi. Obwody 4 warstwowe posiadają jeden rdzeń, 6 warstwowe dwa rdzenie natomiast 8 warstwowe posiadają 3 rdzenie itd. 

Po wybraniu ilości warstw oraz dobraniu parametrów, takich jak np. grubość miedzi, czy rodzaje stosowanych materiałów, wszystkie warstwy zostają ze sobą sprasowane za pomocą prasy hydraulicznej.

Płytki jednowarstwowe

Najlepsze do domowych prostych projektów, bardzo wygodne do wykonania w domu. Przeważnie są one wykonane z komponentów THT, gdzie na jednej warstwie umieszczono komponenty, natomiast na drugiej prowadzone są ścieżki.

Prowadzenie ścieżek w takich płytkach rozpoczyna się od najkrótszych i od tych najbardziej istotnych. Jeśli brakuje miejsca wtedy można wykorzystać np. rezystory 0Ohm, przez które można puścić sygnał.

Płytki dwuwarstwowe

Płytki dwuwarstwowe są stosowane dla płytek z większą ilością komponentów. Podobnie jak w przypadku jednowarstwowych, można stosować same komponenty THT bądź SMD, lub wykorzystać montaż mieszany.

Ścieżki główne w takich płytkach można przeprowadzić na jednej warstwie, natomiast zasilanie z masą na drugiej. Masę najlepiej wylać na obu warstwach z zastosowaniem przelotek, które pozwolą na równomierne rozprowadzenie pola masy układzie.

Płytek jedno i dwuwarstwowych nie należy stosować gdy wykorzystuje się sygnały z kontrolą impedancji np. USB czy Ethernet. Jest ona wymagana dla sygnałów pracujących z bardzo dużą częstotliwością. Do tego celu wykorzystuje się modele wielowarstwowe, które pozwolą na zastosowanie pełniejszej kontroli.

Płytki czterowarstwowe

Jest to podstawowy model płytek wielowarstwowych. Stosuje się go również dla prostych układów opartych na mikrokontrolerach. Są one już niemożliwe do wykonania w warunkach domowych. Natomiast przy zamawianiu z firmy zewnętrznej nie wystąpią duże różnice w cenie pomiędzy nimi a płytami dwuwarstwowymi.

W nich rozmieszczenie warstw jest następujące:

1. Sygnały
2. Zasilanie lub Masa
3. Masa lub Zasilanie
4. Sygnały

Pozwoli to na zapewnienie jak najlepszych parametrów całego obwodu oraz przygotowanie poprawnego ekranowania.

Rys. 2. Przekrój płytki 4 warstwowej

Ścieżki pomiędzy warstwami dla każdego rodzaju płytek PCB powinny być prowadzone prostopadle, co pozwoli na uniknięcie zjawisk przesłuchu.

Płytki sześciowarstwowe

Stosowane dla dużych płytek drukowanych. Pozwalają na znacznie lepsze prowadzenie sygnałów. Wykorzystuje się je do płyt zawierających układy DDR2/3, szybkich procesorów sygnałowych czy dla układów programowalnych.

Podobnie jak poprzednio sygnały są umieszczane na zewnętrznych warstwach obwodu, natomiast sygnały zasilania i masy powinny być umieszczone jak najbliżej warstw zewnętrznych, pozwoli to na poprawienie parametrów impedancji dla warstwy masy oraz połączeń sąsiadujących.

Podział warstw jest następujący:

1. Sygnały
2. Masa
3. Sygnały
4. Zasilanie
5. Masa
6. Sygnały

Lub można podzielić środkowe sygnały razem z ścieżkami zasilającymi:

1. Sygnały
2. Masa
3. Sygnały oraz zasilanie
4. Sygnały oraz zasilanie
5. Masa
6. Sygnały

Płytki ośmio-warstwowe

Od 8 warstw w górę rozpoczynają się już bardziej zaawansowanych projektów, które na etapie obecnego rozwoju technologii zaczynają być powoli standardem. Dają one możliwość łatwiejszego prowadzenia ścieżek, i ich parametrów dla sygnałów bardzo szybkich i bardzo wymagających. Ułatwiają możliwości projektowania urządzeń zawierającymi komponenty w obudowach BGA.

Jeśli chodzi podział warstw to może on być bardzo różny, należy pamiętać żeby sygnały masy bądź masy i zasilania znajdowały się jak najbliżej zewnętrznych warstw płytki.

1. Sygnały
2. Masa
3. Sygnały
4. Zasilanie
5. Zasilanie
6. Sygnały
7. Masa
8. Sygnały

Płytki dziesięciowarstwowe i więcej

Są to już zaawansowane płytki stosowane dla takich samych celów co płytki 8 warstwowe. Zapewniają one lepsze rozdzielenie poszczególnych sygnałów np. oddzielenie warstwy sygnałów bardzo istotnych, bardzo szybkich od reszty. Poniżej przykładowy podział warstw:

1. Sygnały
2. Masa
3. Sygnały szybkie
4. Masa
5. Zasilanie lub połączenie zasilania z sygnałami
6. Zasilanie lub połączenie zasilania z sygnałami
7. Masa
8. Sygnały szybkie
9. Masa
10. Sygnały

Bibliografia

[1] Współczesne zagadnienia energoelektroniki "Technologia wytwarzania obwodów drukowanych"