Застрял, проектируя два

Sep 05, 2023

Многие читатели наверняка знакомы с процессом домашнего травления печатных плат: сегодня он считается очень простым, хотя и немного сложным. В юности, когда я впервые заинтересовался электроникой, такого не было. В то время травление даже односторонних плат было уделом «продвинутых» любителей. К тому времени, когда я начал травить свои собственные печатные платы, продвинутые любители уже перешли на двусторонние платы с домашним травлением — единственный тип, которого нет на фото выше, потому что я не мог найти ни одного успешного примера, который я когда-либо создавал. Позже я стал свидетелем появления «голых» печатных плат: профессионально изготовленных плат фиксированного размера со сквозными металлическими отверстиями, но без паяльной маски или шелкографии. В конце концов, это уступило место сервисам агрегирования печатных плат, которые мы имеем сейчас, с полностью двухслойными платами с паяльной маской и трафаретной печатью.

Сегодня «продвинутый» любитель может использовать четырехслойные платы, хотя уровень внедрения четырехслойных плат все еще относительно низок: например, OSH Park производит около 90% двухслойных и 10% четырехслойных плат. Я думаю, что это неизбежно будет увеличиваться, как и в случае со всеми предыдущими технологиями: передовое со временем становится мейнстримом. Каждое из предыдущих изменений привело к упрощению проектирования и изготовления, а также к повышению производительности, и то же самое будет справедливо по мере того, как четыре слоя станут более распространенным явлением.

Итак, давайте посмотрим на проектирование четырехслойных печатных плат. Если вы никогда не рассматривали его для каких-либо своих проектов, вы можете быть приятно удивлены тем, какие небольшие дополнительные затраты необходимы для получения всех преимуществ, которые вы получаете.

Очевидная разница между двухслойными и четырехслойными печатными платами заключается в двух дополнительных слоях меди. Особое расположение слоев внутри платы известно как «стек». Двухслойные конструкции просты: на каждой стороне материала сердцевины имеется медь определенной толщины, чаще всего это армированный стекловолокном эпоксидный ламинат FR4. Типичный пример показан на рисунке: 1,4 мил (он же 1 унция) для меди и 60 мил для сердечника. Если вы никогда раньше не работали с четырехслойными печатными платами, вы можете предположить, что два дополнительных внутренних медных слоя расположены внутри на одинаковом расстоянии, но обычно они гораздо ближе к внешним слоям. Для этого есть несколько очень веских причин, которые мы рассмотрим чуть позже.

Если вы заказываете большое количество печатных плат напрямую у производителя, вы можете настроить стек, изменив расстояние и толщину меди в соответствии с вашим дизайном. Однако с услугами, ориентированными на любителей, вы получаете стандартный четырехуровневый стек. К счастью, многие сервисы удачно выбрали свои предложения. OSH Park, например, использует для своих четырехслойных услуг подложку премиум-класса FR408, которая обеспечивает превосходные радиочастотные характеристики.

Итак, теперь у вас есть еще два медных слоя – что с ними делать? Есть несколько способов организовать свой дизайн, но если у вас нет особых причин, лучше придерживаться наиболее распространенной стратегии. В этом подходе внешние слои используются для сигналов, а два внутренних слоя используются в качестве слоев питания и земли. Чаще всего земляной слой находится ближе всего к стороне компонента печатной платы. Затем сигналы помещаются на два внешних слоя. Один из удобных способов сделать это — маршрутизировать сигналы в ортогональных направлениях на двух слоях: верхний слой может иметь в основном вертикальные трассы, а нижние — в основном горизонтальные. Чтобы попасть куда-нибудь по диагонали, вы следуете по пути длиной в Манхэттен, чередуя слои. Это увеличивает достижимую плотность сигнала и является хорошей отправной точкой для повторения проекта.

Соединения между слоями выполняются с помощью переходных отверстий, как и в двухслойных стеках. Например, для питания микросхемы вывод может быть выведен коротким и широким проводом к переходному отверстию, которое соединяется с плоскостью питания. А еще лучше, вы можете создать небольшой «остров питания» из медной заливки на стороне компонента, который соединяется с плоскостью через несколько переходных отверстий, добавив рядом один или несколько развязывающих конденсаторов для надежного источника питания. В многослойных печатных платах существуют различные варианты переходных отверстий, хотя в предложениях для любителей вы обычно будете ограничены более знакомым типом, который проходит через все слои платы. В более сложных процессах изготовления плат вы также можете использовать глухие переходные отверстия, которые соединяют только внешние слои с внутренним слоем, или скрытые переходные отверстия, которые соединяют только внутренние слои.