Die Stapelstruktur der Leiterplatte ist ein Schlüsselfaktor für die Leistung. Von einfachen doppelseitigen Platinen bis hin zu komplexen mehrschichtigen Platinen gleicht das Stapeln von Leiterplatten dem Aufbau des Gerüsts eines Leiterplattengebäudes und übernimmt wichtige Funktionen wie Signalübertragung, Stromverteilung, elektromagnetische Abschirmung usw., die die Stabilität und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte tiefgreifend beeinflussen.
1, Das Grundkonzept und die Zusammensetzung des Stapelns von Leiterplatten
Beim Stapeln von Leiterplatten handelt es sich im Wesentlichen um das Stapeln und Kombinieren von Schichten auf einer Leiterplatte. Eine komplette Leiterplatte besteht normalerweise aus einer Signalschicht, einer Leistungsschicht, einer Erdungsschicht und einer isolierenden dielektrischen Schicht. Die Signalschicht ist wie eine „Autobahn“ für die Informationsübertragung und für die Übertragung elektronischer Signale verantwortlich. Die Leistungsschicht bietet eine stabile Stromversorgung für elektronische Komponenten auf der Leiterplatte; Als Bezugspotential für Signale stellt die Erdungsschicht nicht nur einen stabilen Stromkreis zur Signalübertragung her, sondern schirmt auch elektromagnetische Störungen wirksam ab; Die isolierende dielektrische Schicht fungiert als stabile „Isolationswand“ und trennt die leitenden Schichten, um Kurzschlüsse zu verhindern und sicherzustellen, dass sie sich nicht gegenseitig stören.
Am Beispiel der üblichen 4-Lagen-Platine besteht eine typische Stapelstruktur aus einer oberen Schicht (Signalschicht), einer zweiten Schicht (Masseschicht), einer dritten Schicht (Leistungsschicht) und einer unteren Schicht (Signalschicht). Diese Struktur kann grundlegende Anforderungen in einigen Schaltkreisen erfüllen, die keine hohe Leistung erfordern. Doch mit der Entwicklung elektronischer Geräte hin zu hoher Geschwindigkeit und Komplexität sind Leiterplatten mit 6, 8 oder sogar mehr Schichten nach und nach zum Mainstream geworden. Mehr Schichten bedeuten mehr Platz für die Verkabelung, eine stabilere Stromverteilung und einen besseren Schutz der Signalintegrität.
2, Die Rolle jeder Schicht beim Stapeln von Leiterplatten
1. Signalschicht
Die Signalschicht ist der Kernträger von Leiterplatten zur Umsetzung von Schaltungsfunktionen und verantwortlich für die Übertragung verschiedener elektrischer Signale. In Hochgeschwindigkeitsschaltungen wirkt sich die Leistung der Signalschicht direkt auf die Signalintegrität aus. Um externe Störungen zu reduzieren, werden Hochgeschwindigkeitssignale normalerweise in der Signalschicht nahe der Erdungsschicht platziert, wobei die Abschirmeigenschaften der Erdungsschicht genutzt werden, um die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen auf das Signal zu reduzieren. Gleichzeitig ist auch die Verdrahtungsrichtung der Signalschicht von entscheidender Bedeutung, und es ist notwendig, parallele Verkabelungen über große Entfernungen und rechtwinklige Verkabelungen zu vermeiden, um Signalreflexion und Übersprechen zu verhindern. Beispielsweise ist bei Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsschnittstellen wie USB 3.0 eine präzise Anordnung der Signalschicht entscheidend, um eine korrekte Datenübertragung sicherzustellen.
2. Leistungsschicht
Die Kernaufgabe der Leistungsschicht besteht darin, die elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte stabil mit Strom zu versorgen. Bei mehrschichtigen Leiterplatten kann eine speziell entwickelte Leistungsschicht Stromquellen unterschiedlicher Spannungsebenen trennen, um gegenseitige Störungen zu vermeiden. Die Leistungsschicht grenzt eng an die Erdungsschicht an. Durch die Verringerung des Abstands zwischen beiden kann die Impedanz der Leistungsebene verringert, die Effizienz der Leistungsverteilung verbessert und Leistungsrauschen reduziert werden. Darüber hinaus muss die Leistungsschicht ordnungsgemäß aufgeteilt und isoliert sein, um sicherzustellen, dass verschiedene Funktionsmodule eine stabile und störungsfreie Stromversorgung erhalten können. Wie ein Computer-Motherboard ist es auf die Stromschicht angewiesen, um verschiedene Komponenten wie CPU, Grafikkarte und Speicher stabil mit Strom zu versorgen und so den normalen Betrieb jeder Komponente sicherzustellen.
3. Erdungsschicht
Die Erdungsschicht spielt beim Stapeln von Leiterplatten mehrere entscheidende Rollen. Es bietet ein stabiles Referenzpotential für die Signalübertragung und gewährleistet so eine genaue Übertragung und den Empfang von Signalen. Seine hervorragende Abschirmleistung kann das Eindringen externer elektromagnetischer Störungen in das Innere der Leiterplatte wirksam verhindern, gleichzeitig die elektromagnetische Strahlung der Leiterplatte selbst reduzieren und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessern; Darüber hinaus stellt die Erdungsschicht auch einen Rückweg mit niedriger Impedanz für die Leistungsschicht bereit, wodurch das Leistungsrauschen weiter reduziert wird. Bei der Konstruktion wird die Erdungsschicht häufig großflächig mit Kupfer verlegt, um den Erdungswiderstand zu verringern und die Erdungswirksamkeit zu verbessern. In Bereichen wie medizinischen elektronischen Geräten und Luft- und Raumfahrtgeräten, die eine extrem hohe elektromagnetische Verträglichkeit erfordern, ist die Rolle der Erdungsschicht besonders wichtig.
4. Isolierende dielektrische Schicht
Die isolierende dielektrische Schicht befindet sich zwischen jeder leitenden Schicht und ihre Hauptfunktion besteht darin, eine elektrische Isolierung zu erreichen und Kurzschlüsse zwischen verschiedenen leitenden Schichten zu verhindern. Die Materialeigenschaften haben einen erheblichen Einfluss auf die elektrische Leistung von Leiterplatten. Zu den gängigen Isoliermaterialien gehören Epoxidharz, Polytetrafluorethylen usw. Die Dielektrizitätskonstante und der dielektrische Verlustwinkel verschiedener Materialien variieren und diese Parameter können die Übertragungsgeschwindigkeit und den Signalverlust beeinflussen. In Hochgeschwindigkeitsschaltungen werden normalerweise isolierende dielektrische Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante und kleinem dielektrischen Verlustwinkel ausgewählt, um Signalübertragungsverzögerungen und -verluste zu reduzieren und die Signalintegrität sicherzustellen.
3, Typische Stapelschemata für Leiterplatten mit unterschiedlichen Schichten
4-lagiges Brett
Eine 4--Lagenplatine ist eine grundlegende mehrschichtige Platinenstruktur mit gängigen Stapelschemata, einschließlich der oberen Schicht (Signalschicht), der zweiten Schicht (Masseschicht), der dritten Schicht (Leistungsschicht) und der unteren Schicht (Signalschicht). Diese Struktur eignet sich für Schaltkreise, die keine hohe Leistung erfordern, wie z. B. einfache Produkte der Unterhaltungselektronik, Teilplatinen für industrielle Steuerungsgeräte usw. Bei der 4-Lagen-Platine ist jedoch der Verdrahtungsraum der Signalschicht begrenzt und eine sorgfältige Planung der Verdrahtungsrichtung ist erforderlich, um Signalstörungen zu vermeiden.
6-lagiges Brett
Im Vergleich zur 4--Lagenplatine vergrößert die 6-Lagenplatine den Verdrahtungsraum sowie die Strom- und Erdungsschichten. Das übliche Stapelschema umfasst die obere Schicht (Signalschicht), die zweite Schicht (Masseschicht), die dritte Schicht (Signalschicht), die vierte Schicht (Leistungsschicht), die fünfte Schicht (Masseschicht) und die untere Schicht (Signalschicht). Diese Struktur kann den Anforderungen mäßig komplexer Schaltkreise wie Smartphone-Motherboards, einigen Netzwerkgeräteplatinen usw. besser gerecht werden. Bei der 6-Lagen-Platine können Hochgeschwindigkeitssignale in der Signalschicht nahe der Erdungsschicht in der Mitte angeordnet werden, um die Signalintegrität zu verbessern.
8-lagiges Brett
Das 8-Lagen-Board verfügt über umfangreichere Stapelkombinationen, die eine gute Leistungsunterstützung für komplexe Schaltkreise bieten können. Zu den üblichen Stapelschemata gehören die obere Schicht (Signalschicht), die zweite Schicht (Masseschicht), die dritte Schicht (Signalschicht), die vierte Schicht (Leistungsschicht), die fünfte Schicht (Leistungsschicht), die sechste Schicht (Signalschicht), die siebte Schicht (Masseschicht) und die untere Schicht (Signalschicht). Die . 8-Schichtplatine eignet sich für Schaltungsdesigns mit hoher-Geschwindigkeit und hoher -Dichte, wie z Eine 8-Lagen-Platine kann das Stromrauschen weiter reduzieren und die Signalintegrität verbessern.
4, Der zukünftige Entwicklungstrend des Stapelns von Leiterplatten
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der elektronischen Technologie und der steigenden Nachfrage nach der Leistung von Leiterplatten wird das Stapeln von Leiterplatten auch neue Entwicklungsrichtungen einleiten. In der Zukunft wird die weit verbreitete Anwendung von Technologien wie 5G, künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge einen höheren Bedarf an Schaltkreisen mit hoher Geschwindigkeit, hoher Frequenz und hoher Dichte erzeugen. Dies wird dazu führen, dass beim Stapeln von Leiterplatten mehr Schichten, fortschrittlichere Isoliermaterialien und optimierte Stapelstrukturen zum Einsatz kommen, um höhere Anforderungen an Signalintegrität, Leistungsintegrität und elektromagnetische Verträglichkeit zu erfüllen.
Um dem Trend zur Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung elektronischer Geräte gerecht zu werden, wird beim Stapeln von Leiterplatten mehr Wert auf Integration und Ausdünnung gelegt. Durch den Einsatz von HDI-Technologie (High-Density Interconnect), vergrabener Sacklochtechnologie usw. kann eine höhere Verdrahtungsdichte innerhalb einer begrenzten Anzahl von Schichten erreicht werden; Verwendung dünnerer Isolationsmaterialien und Kupferfolie, um die Dicke und das Gewicht der Leiterplatten zu reduzieren.