Ich stecke beim Entwerfen von zwei fest

Sep 05, 2023

Vielen Lesern ist sicherlich das Verfahren zum Selbstätzen von Leiterplatten bekannt: Es gilt heute als sehr einfach, wenn auch etwas kompliziert. In meiner Jugend, als ich mich zum ersten Mal für Elektronik interessierte, war das nicht der Fall. Damals war das Ätzen selbst einseitiger Bretter etwas für „fortgeschrittene“ Hobbybastler. Als ich anfing, meine eigenen Leiterplatten zu ätzen, waren die fortgeschrittenen Bastler bei doppelseitig selbstgeätzten Leiterplatten dabei – der einzige Typ, der oben nicht abgebildet ist, weil ich das einzige erfolgreiche Beispiel, das ich jemals erstellt hatte, nicht finden konnte. Später erlebte ich den Aufstieg von „nackten“ Leiterplatten: professionell gefertigte Leiterplatten fester Größe mit durchkontaktierten Löchern, aber ohne Lötstopplack oder Siebdruck. Dies machte schließlich den Sammel-PCB-Diensten Platz, die wir jetzt mit kompletten zweilagigen Platinen, komplett mit Lötstopplack und Siebdruck, anbieten.

Heutzutage verwendet der „fortgeschrittene“ Bastler möglicherweise vierschichtige Platten, obwohl die Akzeptanzrate für vierschichtige Platten immer noch relativ gering ist – OSH Park produziert beispielsweise etwa 90 % zweischichtige und 10 % vierschichtige Platten. Ich denke, dass dies unweigerlich zunehmen wird, wie es bei allen bisherigen Technologien der Fall war: Das Fortgeschrittene wird schließlich zum Mainstream. Jede der vorherigen Änderungen hat zu einem einfacheren Design und einer einfacheren Konstruktion sowie einer verbesserten Leistung geführt, und das Gleiche gilt auch, wenn vier Schichten immer häufiger vorkommen.

Werfen wir also einen Blick auf die Entwicklung vierschichtiger Leiterplatten. Wenn Sie bei keinem Ihrer Designs darüber nachgedacht haben, werden Sie vielleicht angenehm überrascht sein, wie wenig zusätzliche Kosten trotz aller Vorteile entstehen, die Sie damit erzielen.

Der offensichtliche Unterschied zwischen zweischichtigen und vierschichtigen Leiterplatten sind zwei zusätzliche Kupferschichten. Die besondere Anordnung der Schichten innerhalb einer Platine wird als „Stackup“ bezeichnet. Zweischichtige Aufbauten sind einfach: Auf jeder Seite eines Kernmaterials befindet sich Kupfer einer bestimmten Dicke, meist glasfaserverstärktes FR4-Epoxidlaminat. Ein typisches Beispiel ist in der Abbildung dargestellt: 1,4 Mil (auch bekannt als 1 Unze) für das Kupfer und 60 Mil für den Kern. Wenn Sie noch nie mit vierschichtigen Leiterplatten gearbeitet haben, gehen Sie vielleicht davon aus, dass die beiden zusätzlichen inneren Kupferschichten im Inneren gleichmäßig verteilt sind, aber normalerweise liegen sie viel näher an den äußeren Schichten. Dafür gibt es einige sehr überzeugende Gründe, die wir gleich untersuchen werden.

Wenn Sie eine große Anzahl von Leiterplatten direkt beim Hersteller bestellen, können Sie den Aufbau anpassen und die Abstände und Kupferdicken an Ihr Design anpassen. Bei Diensten, die sich an Bastler richten, erhalten Sie jedoch den standardmäßigen vierschichtigen Aufbau. Glücklicherweise haben viele Dienste ihre Angebote gut ausgewählt. OSH Park beispielsweise verwendet für seinen vierschichtigen Service ein erstklassiges FR408-Substrat, das eine hervorragende HF-Leistung bietet.

Nun haben Sie also zwei weitere Kupferschichten – was sollen Sie damit machen? Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Ihr Design zu gestalten. Sofern Sie jedoch keine besonderen Gründe haben, ist es am besten, bei der gängigsten Strategie zu bleiben. Bei diesem Ansatz werden die äußeren Schichten für Signale verwendet und die beiden inneren Schichten werden als Strom- und Masseebenen verwendet. Am häufigsten liegt die Masseebene am nächsten an der Komponentenseite der Leiterplatte. Auf den beiden äußeren Schichten werden dann Signale platziert. Eine praktische Möglichkeit hierfür besteht darin, Signale in orthogonalen Richtungen auf den beiden Schichten zu leiten – die obere Schicht könnte hauptsächlich vertikale Leiterbahnen aufweisen, während die auf der unteren überwiegend horizontal verlaufen würden. Um auf einer Diagonale irgendwohin zu gelangen, nehmen Sie einen Manhattan-Distanzpfad und wechseln dabei zwischen den Schichten. Dies erhöht die erreichbare Signaldichte und ist ein guter Ausgangspunkt für die Iteration eines Designs.

Verbindungen zwischen den Schichten werden wie bei zweischichtigen Stapeln über Vias hergestellt. Um beispielsweise einen IC mit Strom zu versorgen, kann der Pin mit einer kurzen, breiten Leiterbahn zu einer Durchkontaktierung herausgebrochen werden, die mit der Stromversorgungsebene verbunden ist. Besser noch, Sie können eine kleine „Strominsel“ aus einem Kupferguss auf der Komponentenseite erstellen, der über mehrere Durchkontaktierungen mit der Ebene verbunden ist, und in der Nähe einen oder mehrere Bypass-Kondensatoren hinzufügen, um eine solide Stromversorgung zu gewährleisten. Bei mehrschichtigen Leiterplatten gibt es verschiedene Arten von Durchkontaktierungen. Bei Angeboten für Bastler sind Sie jedoch in der Regel auf den bekannteren Typ beschränkt, der durch alle Schichten der Leiterplatte verläuft. In fortgeschritteneren Platinenprozessen können Sie auch Blind Vias verwenden, die nur äußere Lagen mit einer inneren Lage verbinden, oder vergrabene Vias, die nur innere Lagen verbinden.

OK, Sie haben sich für einen vierschichtigen Aufbau und die Standardschichtanordnung entschieden. Was bringt Ihnen das? Erstens wird die Stromverteilung erheblich vereinfacht und verbessert. Nahezu massive Flächen, die nur durch Vias unterbrochen sind, weisen eine sehr geringe Induktivität und einen sehr geringen Widerstand auf, wodurch die Stromqualität verbessert wird. Außerdem müssen keine breiten Stromleiterbahnen auf den Signalschichten angebracht werden. Überall dort, wo Sie VCC oder GND benötigen, führen Sie einfach einen Drilldown durch. Ohne Stromleiterbahnen auf den äußeren Schichten gibt es viel mehr Platz für Signalleiterbahnen.

Es gibt sogar noch mehr Vorteile für HF- oder Hochgeschwindigkeits-Digitaldesigns. Eine 50-Ohm-Leiterbahn auf einer typischen zweischichtigen Platine ist etwa 110 mil breit. Bei dem oben gezeigten Beispiel eines vierschichtigen Aufbaus sinkt dieser Wert auf 14 mil, was einer Verbesserung der Dichte um fast das Achtfache allein aufgrund der Spurbreite entspricht. Differenzielle digitale Signalpaare können ebenfalls verbessert werden, wodurch ihr Platzbedarf in diesem Beispiel um den Faktor vier verringert wird. Diese Vorteile können leicht zu kompakteren und dennoch einfacher zu verlegenden Designs führen, wodurch Sie Leiterplattenfläche und wertvolle Designzeit sparen.

Einige der größten Vorteile der Umstellung auf vier Schichten sind vielleicht nicht sofort offensichtlich, aber der geringe Abstand zwischen den inneren Kupferschichten und ihren jeweiligen äußeren bringt weitere Vorteile mit sich. Wenn die Signalleiterbahnen in der Nähe einer Strom- oder Masseebene gehalten werden, erhöht sich die Kopplung zwischen ihnen und verringert sich die Signalschleifenfläche einschließlich des Stromrückwegs. Diese Faktoren verringern abgestrahlte Emissionen und verbessern die Signalintegrität. Wenn es sich nur um ein Hobbyprojekt handelt, denken Sie vielleicht nicht an Emissionsprüfungen, aber wenn Sie Ihr Design jemals für den Verkauf zertifizieren lassen möchten, kann es ein knallhartes Problem sein. Eine verbesserte Signalintegrität hingegen bedeutet, dass Sie beim ersten Mal eine größere Chance auf ein erfolgreiches Hochgeschwindigkeitsdesign haben.

Diese Vorteile können dramatisch sein und kommen fast automatisch. Als gutes Beispiel hat Dave Jones bei eevblog kürzlich ein Video gepostet, in dem er ein bestehendes zweischichtiges Design, den Gigatron TTL-Mikrocomputer, nahm und es in ein vierschichtiges Design umwandelte, indem er einfach Strom- und Masseebenen zwischen den vorhandenen Signalschichten hinzufügte. Als er die Leiterplatte einem Geräuschtest unterzog, waren die Emissionen der vierschichtigen Version im Vergleich zum ursprünglichen Design deutlich reduziert.

Das klingt alles großartig, aber vierschichtige Designs müssen sicherlich einige Nachteile haben. Ja, aber sie sind relativ gering. Erstens kosten vierschichtige Platten pro Fläche mehr als zweischichtige Platten. Typische Zahlen liegen zwischen dem 1,5-fachen und dem Zweifachen der Kosten für Platinen gleicher Qualität, ohne die wirklich günstigen „Angebote“ für bleihaltige HASL-Finish-Zweischicht-Services in Prototypenqualität. Diese Kennzahl kann jedoch etwas irreführend sein. Ein vierschichtiges Design kann kleiner sein als die entsprechende zweischichtige Version, wodurch ein Teil des Kostenunterschieds pro Fläche zunichte gemacht wird. Die Kosten für die Leiterplatte können auch nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Stückliste ausmachen, sodass eine Verdoppelung nur zu geringen Zusatzkosten führt.

Bei einmaligen und persönlichen Projekten kann sich die Verwendung eines vierschichtigen Aufbaus durch die Zeit- und Arbeitsersparnis beim Routing des Designs amortisieren. Wenn Sie einen Produktionslauf planen, können vier Schichten immer noch sinnvoll sein, selbst wenn es sich nur um einen Prototyp handelt, den Sie später kosteneffizient auf zwei Schichten reduzieren können. Bringen Sie es schnell zum Laufen und optimieren Sie es später.

Ein weiterer wahrgenommener Nachteil ist die längere Produktionszeit für das komplexere Vierschichtverfahren. Dies dürfte in der Vergangenheit ein größeres Problem gewesen sein, da die Zeiten in letzter Zeit vergleichbarer werden. OSH Park versendet beispielsweise 90 % seiner Zweischicht-Bestellungen innerhalb von 8 Kalendertagen und einen entsprechenden Anteil seiner Vierschicht-Bestellungen innerhalb von 9 Tagen, wobei erwartet wird, dass sich die Zeiten in den nächsten Monaten angleichen. In Kombination mit den tatsächlichen Lieferzeiten sind solche geringfügigen Unterschiede völlig belanglos.

Neben Zeit und Kosten können vierschichtige Designs auch kleinere funktionale Nachteile haben. Die Überarbeitung einer vierschichtigen Platine zur Korrektur von Fehlern in einem Prototyp kann schwieriger sein als die Reparatur einer zweischichtigen Version. Da die inneren Schichten so nah an den äußeren liegen, ist kein großer zusätzlicher Kraftaufwand erforderlich, um beim chirurgischen Trennen einer Signalleitung versehentlich in eine Erdungs- oder Stromebene zu schneiden. Dies kann dazu führen, dass es auf beiden Seiten der Leiterbahn zu einem Kurzschluss mit der Ebene kommt. Eine leichte Berührung und eine gründliche Untersuchung mit einem Mikroskop werden empfohlen. Wenn Sie andererseits aus irgendeinem Grund Signalleiterbahnen auf den inneren Schichten verlegt haben, ist eine Überarbeitung der Platine möglicherweise nahezu unmöglich: ein weiterer Grund, dort Stromversorgungsebenen anzubringen.

Das Routing einer vierschichtigen Leiterplatte kann einige neue Wendungen mit sich bringen, die ein wenig zusätzliche Überlegung erfordern. Beispielsweise beziehen sich in dem oben beschriebenen vierschichtigen Aufbau die Signale auf der untersten Schicht auf die Leistungsebene; Ihr Rückstrom muss durch das Flugzeug zum nächstgelegenen Bypass-Kondensator fließen, um seinen Weg zurück zur Erde zu finden. Wenn Sie bei Hochgeschwindigkeitssignalen häufig die Ebenen wechseln, müssen Sie möglicherweise an strategischen Punkten auf der Platine zusätzliche Bypass-Kondensatoren zwischen den Ebenen hinzufügen, um diese Rückwege zu verkürzen und die Signalschleifenbereiche klein zu halten. Der Vorteil besteht darin, dass dazu lediglich die Kappen angebracht und einige Durchkontaktierungen entfernt werden müssen, um sie mit den internen Ebenen zu verbinden.

Schließlich unterstützt Ihr bevorzugtes PCB-Layout-Tool möglicherweise keine vierschichtigen Platinen. Die kostenlose Version von Eagle ist ebenso wie Fritzing auf zwei Ebenen beschränkt. Wenn Sie ein Paket für Bastler verwenden, müssen Sie sicherstellen, dass es mehr Ebenen ausführen kann. Dies ist möglicherweise der überzeugendste Grund, warum ich bisher gehört habe, mit KiCAD anzufangen.

Angesichts aller Vorteile, die vierschichtige Designs mit sich bringen, und der minimalen Mehrkosten lohnt es sich wahrscheinlich zu prüfen, ob eines Ihrer aktuellen oder zukünftigen Designs von einer Weiterentwicklung profitieren würde. Ich persönlich beginne heutzutage meist mit vierschichtigen Designs. Zweischichtige Platten verwende ich eigentlich nur für ganz einfache Bretter oder wenn ich sie schnell benötige, da ich in etwa einer Woche Zweischicht-Eilbestellungen erhalten kann (zufälligerweise zum gleichen Preis wie vierschichtige Platten mit normaler Bearbeitungszeit). .

Es gibt auch keinen Grund, bei vier Schichten stehen zu bleiben. Ähnliche Argumente können für den Übergang zu höherschichtigen Stapeln vorgebracht werden. Eine besonders interessante Sichtweise finden Sie im Vortrag von Kerry Scharfglass auf der letztjährigen Hackaday Superconference, in dem er beschreibt, wie er zusätzliche 130 US-Dollar ausgibt, um seine 500-teilige Bestellung von vierlagig auf sechslagig umzustellen und dadurch schätzungsweise 20 bis 30 Stunden Designzeit einzusparen .

Möglicherweise werden Sie bei Ihrem nächsten Projekt ähnliche Einsparungen erzielen. Versuche es.

[Danke an Laen und Drew vom OSH Park für ihre Erkenntnisse und Daten.]