Шестислойная печатная плата может предоставить больше пространства для трассировки сигналов и распределения питания, чем более простая конструкция, но само по себе число слоёв не определяет характеристики платы. Важно решить, как назначить функции медным слоям, где будут проходить возвратные токи критических сигналов и сможет ли производитель изготовить и проверить предложенную геометрию.

Рассмотрим два концептуальных варианта назначения слоёв, от верхнего L1 до нижнего L6:

S-G-S-S-G-S: четыре слоя, назначенных сигнальными, и два слоя, назначенных земляными.
S-G-S-P-G-S: три слоя, назначенных сигнальными, два слоя, назначенных земляными, и один слой, назначенный слоем питания.

Ни один из этих вариантов не представляет собой сечение изготовленной платы. Назначение слоёв не определяет толщину меди, расстояния между слоями диэлектрика, материал или количество меди, оставшейся после трассировки и соблюдения зазоров. Дорожки или полигоны питания могут присутствовать в обоих вариантах; слой, назначенный сигнальным, не обязательно используется только для сигналов.

Показано только назначение слоёв, а не физическое сечение или производственная спецификация.

Более общие вопросы выбора архитектуры рассмотрены в статье о проектировании структуры печатной платы.

Гипотетический проект для сравнения

Предположим, вы проектируете жёсткую плату со следующими требованиями:

Критические трассы на обоих внешних слоях.
Как минимум одна критическая трасса, которую необходимо провести на внутреннем слое.
Несколько цепей питания, которые необходимо подвести к компонентам по всей плате.

Размеры и материалы вы ещё не выбрали. Ваша ближайшая задача — определить исходный вариант структуры слоёв и выяснить, что необходимо проверить перед передачей проекта производителю.

Вариант 1: S-G-S-S-G-S

Слой	Концептуальное назначение
L1	Сигнал
L2	Земля
L3	Сигнал
L4	Сигнал
L5	Земля
L6	Сигнал

В гипотетическом проекте этот вариант предоставляет два внутренних слоя, назначенных сигнальными. L3 расположен рядом с земляным слоем L2, а L4 — рядом с земляным слоем L5. Дополнительный вариант внутренней трассировки может быть полезен, когда критические трассы на внешних слоях и другие соединения конкурируют за место.

При этом средние сигнальные слои также соседствуют друг с другом. Значимость связи между трассами на L3 и L4 зависит от фактической геометрии и трассировки, поэтому проверьте их взаимное расположение, а не предполагайте, что земляные слои изолируют их друг от друга.

В этом варианте нет выделенного слоя, назначенного слоем питания. Несколько цепей питания всё равно необходимо распределить с помощью подходящих медных проводников, например дорожек или полигонов, с учётом доступного пространства для трассировки и электрических требований. Эти медные области также могут влиять на доступность опорной меди для соседних сигналов.

Вариант 2: S-G-S-P-G-S

Слой	Концептуальное назначение
L1	Сигнал
L2	Земля
L3	Сигнал
L4	Питание
L5	Земля
L6	Сигнал

В гипотетическом проекте этот вариант предоставляет слой, назначенный слоем питания, но только один внутренний слой, назначенный сигнальным. Он может стать полезной отправной точкой, когда распределение нескольких цепей питания — одна из основных задач, а на L3 достаточно места для трассировки внутренних сигналов.

L3 расположен между земляным слоем L2 и слоем питания L4, поэтому трасса на L3 может иметь связь с обоими слоями. Не следует считать, что её опорным слоем является исключительно земля, без проверки фактических медных областей и расстояний. Если часть возвратного тока использует медь питания в качестве опорной области, проекту также необходим подходящий путь возврата переменного тока на землю. Распределение питания и развязку необходимо рассматривать как часть этого пути.

Кроме того, назначение слоя слоем питания не означает, что он представляет собой одну сплошную плоскость. Для нескольких цепей питания могут потребоваться отдельные медные области и зазоры. Проверьте, как эти границы влияют на трассы L3 и пути их возвратного тока.

Как выбрать вариант для примера

Начните с размещения известных критических трасс, а не с объявления одного из вариантов лучшим:

Разместите внешние трассы. В обоих вариантах L1 соседствует с земляным слоем L2, а L6 — с земляным слоем L5. Убедитесь, что под каждой критической трассой действительно присутствует земляная медь, в том числе вблизи зазоров и других разрывов.
Разместите внутреннюю трассу. В первом варианте рассмотрите L3 относительно земляного слоя L2 или L4 относительно земляного слоя L5, проверяя при этом и соседний внутренний сигнальный слой. Во втором варианте разместите трассу на L3 и оцените как земляную медь L2, так и медь питания L4 вокруг неё.
Распланируйте цепи питания. Сравните требуемую для них трассировку и площадь меди в обоих вариантах. Во втором варианте изучите предлагаемые границы цепей питания на L4; в первом — то, как дорожки или полигоны питания конкурируют за место с сигнальными трассами и опорной медью.
Проверьте переходы между слоями. При переходе трассы на другой слой также меняются условия прохождения её возвратного тока. Проверяйте полный путь вокруг каждого перехода, а не только сигнальное переходное отверстие.

Например, если критическая трасса переходит с L1 на L6, соседний слой, назначенный земляным, меняется с L2 на L5. Предлагаемое соединение земли рядом с переходом может помочь обеспечить путь возвратного тока, но его пригодность зависит от фактической меди, расположения переходного отверстия и геометрии. Аналогично, для перехода с использованием опорной меди питания необходим подходящий путь переменного тока между этой медью и землёй.

Для перехода между земляными опорными слоями изобразите сигнальное и земляное соединения вместе:

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

Вертикальное земляное соединение обозначает расположенное рядом металлизированное переходное отверстие, соединяющее медь L2 и L5 в одной земляной цепи. На рисунке не показаны зазоры, другие слои, через которые проходит переходное отверстие, или полный путь тока. Проверьте фактическую связность плоскостей, расположение переходных отверстий, антипэды и геометрию критических цепей. Само по себе наличие переходного отверстия не гарантирует достаточного пути возвратного тока.

Лучший вариант — тот, который после этих проверок позволяет разместить трассы и цепи питания из примера при геометрии, подтверждённой производителем. Один лишь концептуальный порядок слоёв не позволяет это установить.

Подробнее о планировании земляной меди и меди питания см. статью о проектировании земли и питания печатной платы. В руководстве по проектированию высокоскоростных печатных плат рассмотрены вопросы трассировки и путей возвратного тока для критических сигналов.

Контрольный список для каждой критической цепи

Используйте этот список для каждой критической цепи, включая каждый её участок на отдельном слое:

Сигнальный слой: На каком слое проходит трасса и где она переходит на другие слои?
Соседняя опорная медь: С какой соседней земляной медью или медью питания может иметь связь трасса? Для L3 в S-G-S-P-G-S рассмотрите оба соседних слоя.
Фактическое покрытие: Присутствует ли соответствующая медь вдоль трассы, а не просто назначен ли слою статус земляного или слоя питания?
Пустоты и границы: Прерывают ли зазоры, пустоты в меди или границы цепей питания доступную опорную область либо изменяют ли её?
Путь возвратного тока при переходе: Как может проходить возвратный ток, когда сигнал меняет слой или опорную медную область? Если задействовано питание, что обеспечивает путь переменного тока на землю?
Геометрия, подтверждённая производителем: Подтверждены ли фактические параметры меди, расстояния, материалы и производственные допуски для предлагаемой конструкции?
Проверка: Какие анализ, проверки или измерения согласованы для цепи и конструкции и кто рассмотрит результаты?

Одна лишь схема слоёв не даёт ответов на эти вопросы.

Подтвердите конструкцию перед окончательным выбором размеров

Отправьте предпочтительный вариант производителю в качестве исходного предложения. Запросите технологичную структуру слоёв с материалами, толщиной платы, параметрами меди, расстояниями и допусками для конкретного проекта, затем сравните полученную конструкцию с допущениями для критических цепей.

Проверьте сумму толщин

В этом арифметическом примере используются шесть медных слоёв с номинальной толщиной 0,035 мм. Он иллюстрирует проверку толщины для первого варианта назначения слоёв; это не стандартная конструкция APTPCB, не гарантия толщины готовой платы и не расчёт импеданса.

Сверху вниз	Номинальная толщина (мм)
Сигнальная медь L1	0,035
Диэлектрик L1–L2	0,100
Земляная медь L2	0,035
Диэлектрик L2–L3	0,200
Сигнальная медь L3	0,035
Диэлектрик L3–L4	0,500
Сигнальная медь L4	0,035
Диэлектрик L4–L5	0,200
Земляная медь L5	0,035
Диэлектрик L5–L6	0,100
Сигнальная медь L6	0,035
Номинальная сумма	1,310

Расчёт включает 6 × 0,035 мм меди и 1,100 мм диэлектрика. В нём не учитываются паяльная маска, финишное покрытие и вариации, возникающие при металлизации и изготовлении. Фактическое распределение меди, конструкция диэлектрика, выдавливание смолы при прессовании и допуски требуют рассмотрения производителем. Эта таблица сама по себе не определяет ни ширину проводника, ни значение импеданса.

Также обсудите симметрию фактической конструкции. Это производственный фактор, который стоит рассмотреть, но номинально симметричный план слоёв не гарантирует отсутствия коробления.

Если проект предусматривает контроль импеданса, согласуйте с производителем целевое значение, допуск и подход к проверке. Тестовый купон может использоваться для согласованной проверки импеданса конструкции; он не проверяет каждую трассу на готовой плате. О том, как интерпретировать эти данные, см. статью о чтении TDR-отчёта по тестовому купону импеданса.

Задокументируйте окончательное назначение слоёв и допущения, влияющие на критические трассы, вместе с подтверждённой конструкцией. В руководстве по документированию структуры слоёв передача проекта рассмотрена подробнее.

Чтобы обсудить предлагаемую конструкцию, запросите расчёт стоимости или свяжитесь с APTPCB, указав структуру слоёв, требования к критическим цепям и вопросы, которые ещё требуют подтверждения производителя.

Технические источники

Документы Texas Instruments SCAA082A и SPRU889 являются относящимися к теме первоисточниками по вопросам компоновки высокоскоростных печатных плат и интерфейсов. Применяйте их рекомендации к фактической схеме и подтверждённой конструкции, а не рассматривайте любой из приведённых выше концептуальных вариантов как готовую спецификацию.