تكديس PCB سداسية الطبقات: مقارنة خيارات التوجيه والمراجع

يمكن أن توفر لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) سداسية الطبقات مساحة أكبر لتوجيه الإشارات وتوزيع الطاقة مقارنةً ببنية أبسط، لكن عدد الطبقات وحده لا يحدد مدى جودة أداء اللوحة. يتمثل القرار المفيد في كيفية تخصيص طبقات النحاس، وأين ستمر تيارات إرجاع الإشارات الحرجة، وما إذا كان المصنّع يستطيع تصنيع البنية الهندسية المقترحة والتحقق منها.

لنقارن ترتيبين تصوريين لأدوار الطبقات، من الطبقة العليا L1 إلى الطبقة السفلى L6:

• S-G-S-S-G-S: أربع طبقات مخصصة للإشارة وطبقتان مخصصتان للأرضي.
• S-G-S-P-G-S: ثلاث طبقات مخصصة للإشارة، وطبقتان مخصصتان للأرضي، وطبقة واحدة مخصصة للطاقة.

لا يمثل أي منهما مقطعًا عرضيًا للوحة مصنّعة. فهذه الأدوار لا تحدد سماكة النحاس، أو المسافات العازلة، أو المادة، أو مقدار النحاس المتبقي بعد التوجيه وتطبيق مسافات الخلوص. يمكن أن توجد مسارات أو مساحات نحاسية للطاقة في أي من الترتيبين؛ فالطبقة المخصصة للإشارة لا تقتصر بالضرورة على الإشارات.

أدوار الطبقات فقط، وليست مقطعًا عرضيًا فعليًا أو مواصفة للتصنيع.

للاطلاع على خيارات البنية بصورة أوسع، راجع تصميم تكديس PCB.

تصميم افتراضي للمقارنة

لنفترض أنك تصمم لوحة صلبة تتضمن:

• مسارات حرجة على كلتا الطبقتين الخارجيتين.
• مسارًا حرجًا واحدًا على الأقل يجب أن يستخدم طبقة داخلية.
• خطوط تغذية متعددة يجب أن تصل إلى المكونات في أنحاء اللوحة.

لم تختر الأبعاد أو المواد بعد. مهمتك المباشرة هي اختيار ترتيب أولي للطبقات وتحديد ما يجب التحقق منه قبل تسليم التصميم للتصنيع.

الخيار الأول: S-G-S-S-G-S

يوفر هذا الترتيب للتصميم الافتراضي طبقتين داخليتين مخصصتين للإشارة. تقع L3 بجوار طبقة الأرضي L2، بينما تقع L4 بجوار طبقة الأرضي L5. وقد يساعد خيار التوجيه الداخلي الإضافي هذا عندما تتنافس المسارات الحرجة الخارجية والتوصيلات الأخرى على المساحة.

كما أن طبقتي الإشارة الوسطيتين متجاورتان. ويعتمد مدى الاقتران بين المسارات على L3 وL4 على البنية الهندسية والتوجيه الفعليين، لذا تحقّق من العلاقة بينهما بدلًا من افتراض أن طبقتي الأرضي تعزلان إحداهما عن الأخرى.

لا توجد في هذا الترتيب طبقة مخصصة للطاقة. ومع ذلك، يجب توزيع خطوط التغذية المتعددة باستخدام نحاس مناسب، مثل المسارات أو المساحات النحاسية، وفقًا لمساحة التوجيه المتاحة والمتطلبات الكهربائية. ويمكن أن تؤثر هذه الأشكال النحاسية أيضًا في تغطية المرجع المتاحة للإشارات القريبة.

الخيار الثاني: S-G-S-P-G-S

يوفر هذا الترتيب للتصميم الافتراضي طبقة مخصصة للطاقة، ولكن طبقة داخلية واحدة فقط مخصصة للإشارة. وقد يكون نقطة بداية مفيدة عندما يكون توزيع خطوط التغذية المتعددة مصدر اهتمام رئيسيًا، وتكون سعة التوجيه في L3 كافية للإشارات الداخلية.

تقع L3 بين طبقة الأرضي L2 وطبقة الطاقة L4، لذا يمكن أن يقترن المسار على L3 بكلتيهما. لا تصفه بأنه يستخدم الأرضي مرجعًا حصريًا دون التحقق من النحاس والمسافات الفعلية. إذا كان جزء من تيار الإرجاع يستخدم نحاس الطاقة مرجعًا، فإن التصميم يحتاج أيضًا إلى مسار إرجاع مناسب للتيار المتردد إلى الأرضي. ويجب النظر في ترتيب توزيع الطاقة ومكثفات فصل الاقتران بوصفه جزءًا من هذا المسار.

كذلك، لا تعني الطبقة المخصصة للطاقة بالضرورة وجود مستوى واحد متصل دون انقطاع. فقد تتطلب خطوط التغذية المتعددة مناطق نحاسية منفصلة ومسافات خلوص بينها. تحقّق من تأثير تلك الحدود في مسارات L3 ومسارات إرجاعها.

كيفية الاختيار لهذا المثال

ابدأ بتخصيص المسارات الحرجة المعروفة، بدلًا من إعلان أن أحد الترتيبين أفضل:

1. ضع المسارات الخارجية. في كلا الخيارين، تجاور L1 طبقة الأرضي L2، وتجاور L6 طبقة الأرضي L5. تحقّق من وجود نحاس الأرضي فعليًا أسفل كل مسار حرج، بما في ذلك حول مناطق الخلوص وغيرها من الانقطاعات.
2. ضع المسار الداخلي. في الخيار الأول، انظر في وضعه على L3 مقابل طبقة الأرضي L2 أو على L4 مقابل طبقة الأرضي L5، مع التحقق أيضًا من طبقة الإشارة الداخلية المجاورة. وفي الخيار الثاني، ضع المسار على L3 وقيّم كلًا من نحاس الأرضي على L2 ونحاس الطاقة على L4 حوله.
3. حدّد مسارات خطوط التغذية. قارن مساحة التوجيه والنحاس التي تتطلبها في كلا الخيارين. في الخيار الثاني، افحص الحدود المقترحة لخطوط التغذية على L4؛ وفي الأول، افحص كيف تتنافس مسارات الطاقة أو مساحاتها النحاسية مع توجيه الإشارات ونحاس المرجع.
4. افحص الانتقالات بين الطبقات. يؤدي انتقال المسار بين الطبقات أيضًا إلى تغيير بيئة تيار الإرجاع الخاص به. تحقّق من المسار الكامل حول كل انتقال، وليس من الثقب الواصل للإشارة وحده.

على سبيل المثال، إذا انتقل مسار حرج من L1 إلى L6، تتغير طبقة الأرضي المخصصة المجاورة له من L2 إلى L5. قد يساعد توصيل أرضي مقترح بالقرب من الانتقال في توفير مسار إرجاع، لكن مدى ملاءمته يعتمد على النحاس الفعلي وموضع الثقب الواصل والبنية الهندسية. وبالمثل، يتطلب الانتقال الذي يتضمن مرجعًا للطاقة مسارًا مناسبًا للتيار المتردد بين نحاس الطاقة ذلك والأرضي.

بالنسبة إلى انتقال من مرجع أرضي إلى مرجع أرضي، ارسم توصيلات الإشارة والأرضي معًا:

                 signal via    ground via
L1  signal  ---------+             |
                     |             |
L2  ground  ---------|-------------+
                     |             |
L3  inner copper     |             |
                     |             |
L4  inner copper     |             |
                     |             |
L5  ground  ---------|-------------+
                     |             |
L6  signal           +---------    |

يمثل توصيل الأرضي الرأسي ثقبًا واصلًا مطليًا قريبًا يربط النحاس على L2 وL5 ضمن شبكة الأرضي نفسها. لا يوضح الرسم مسافات الخلوص أو الطبقات الأخرى التي يمر بها الثقب أو مسار التيار الكامل. تحقّق من اتصال المستويات الفعلي وموضع الثقب الواصل وفتحات العزل حوله والبنية الهندسية للشبكات الحرجة. إن وجود الثقب الواصل وحده لا يثبت توفر مسار إرجاع كافٍ.

الخيار الأفضل هو الذي يستوعب مسارات المثال وخطوط تغذيته بعد هذه الفحوصات، ببنية هندسية يؤكدها المصنّع. ولا يمكن لترتيب الطبقات التصوري وحده إثبات ذلك.

لمزيد من المعلومات عن تخطيط نحاس الأرضي والطاقة، راجع تصميم الأرضي والطاقة في PCB. ويناقش دليل تصميم PCB عالية السرعة اعتبارات التوجيه ومسارات الإرجاع للإشارات الحرجة.

قائمة تحقق لكل شبكة حرجة

استخدم قائمة التحقق هذه لكل شبكة حرجة، بما في ذلك كل جزء منها يقع على طبقة مختلفة:

• طبقة الإشارة: ما الطبقة التي تحمل المسار، وأين ينتقل بين الطبقات؟
• المرجع المجاور: ما نحاس الأرضي أو الطاقة المجاور الذي يمكن أن يقترن به المسار؟ بالنسبة إلى L3 في S-G-S-P-G-S، ضع كلتا الطبقتين المجاورتين في الحسبان.
• التغطية الفعلية: هل النحاس المعني موجود على امتداد المسار، بدلًا من مجرد تخصيص دور الأرضي أو الطاقة للطبقة؟
• الفراغات والحدود: هل تؤدي مسافات الخلوص أو الفراغات في النحاس أو حدود خطوط التغذية إلى قطع المرجع المتاح أو تغييره؟
• مسار الإرجاع عند الانتقال: كيف يمكن أن يسري تيار الإرجاع عندما تنتقل الإشارة بين الطبقات أو بين مراجع النحاس؟ وإذا كانت الطاقة طرفًا في ذلك، فما الذي يوفر مسار التيار المتردد إلى الأرضي؟
• البنية الهندسية المؤكدة من المصنّع: هل جرى تأكيد النحاس الفعلي والمسافات والمواد وسماحات التصنيع للبنية المقترحة؟
• التحقق: ما التحليلات أو الفحوصات أو القياسات المتفق عليها للشبكة والبنية، ومن سيراجع النتائج؟

لا يجيب مخطط الطبقات وحده عن هذه الأسئلة.

أكّد البنية قبل اعتماد الأبعاد

أرسل الترتيب المفضل إلى المصنّع بوصفه مقترحًا أوليًا. اطلب تكديسًا قابلًا للتصنيع يتضمن المواد وسماكة اللوحة والنحاس والمسافات والسماحات الخاصة بالمشروع، ثم قارن البنية التي يرد بها المصنّع بالافتراضات المتعلقة بالشبكات الحرجة.

تحقّق من مجموع السماكات

يستخدم هذا المثال الحسابي ست طبقات نحاسية، سماكة كل منها الاسمية 0.035 mm. وهو يوضح فحص السماكة للترتيب الأول لأدوار الطبقات؛ وليس بنية تصنيع قياسية من APTPCB، أو ضمانًا لسماكة اللوحة النهائية، أو تصميمًا للممانعة.

الحساب هو 6 × 0.035 mm من النحاس، إضافةً إلى 1.100 mm من العازل. ولا يشمل قناع اللحام أو التشطيب السطحي أو التفاوت الناتج عن الطلاء والتصنيع. ويتطلب التوزيع الفعلي للنحاس وبنية العازل وانسيابه أثناء الكبس والسماحات مراجعة المصنّع. ولا يقدم هذا الجدول وحده عرضًا للمسار أو قيمة للممانعة.

ناقش أيضًا التناظر في البنية الفعلية. فهو من اعتبارات التصنيع التي تستحق المراجعة، لكن مخطط الطبقات المتناظر اسميًا لا يضمن عدم حدوث التواء.

إذا كانت الممانعة جزءًا من المشروع، فاتفق مع المصنّع على القيمة المستهدفة والسماحة ونهج التحقق. يمكن لقسيمة اختبار أن تدعم فحصًا متفقًا عليه لممانعة البنية؛ لكنها لا تتحقق من كل مسار على اللوحة النهائية. راجع كيفية قراءة تقرير TDR لقسيمة اختبار الممانعة للمساعدة في تفسير هذه الأدلة.

وثّق الأدوار النهائية للطبقات والافتراضات التي تؤثر في المسارات الحرجة إلى جانب البنية المؤكدة. ويتناول دليل توثيق التكديس تسليم التصميم بمزيد من التفصيل.

لمناقشة بنية مقترحة، اطلب عرض سعر أو تواصل مع APTPCB، مع تقديم ترتيب الطبقات ومتطلبات الشبكات الحرجة والأسئلة التي لا تزال بحاجة إلى تأكيد المصنّع.

المراجع التقنية

تُعد وثيقتا Texas Instruments ‏SCAA082A وSPRU889 مرجعين أوليين ذوي صلة باعتبارات تخطيط PCB عالية السرعة والواجهات. طبّق إرشاداتهما على الدائرة الفعلية والبنية المؤكدة، بدلًا من التعامل مع أي من الترتيبين التصوريين أعلاه بوصفه مواصفة نهائية.