Многослойные платы

Все платы курса до этого момента были двухслойными: мультивибратор, плата питания, даже плата с микроконтроллером и USB. Для них двух слоёв действительно хватает. Но рано или поздно наступает момент, когда разводка не помещается, интерфейс требует контролируемого импеданса или плата не проходит испытания по помехам. Тогда переходят на четыре слоя и больше.

Что дают дополнительные слои

1. Место для трассировки. Микросхема в корпусе QFN или BGA с шагом выводов 0,5 мм и меньше выпускает десятки сигналов из-под себя. На двух слоях их физически негде развести. Внутренние слои — это ещё два «этажа» для дорожек.

2. Сплошной опорный слой (reference plane). Это главное. Когда один из внутренних слоёв целиком занят землёй, у каждой дорожки на соседнем внешнем слое появляется опора — близкий и непрерывный путь для обратного тока. Отсюда три следствия:

• маленькая площадь контура «сигнал — обратный ток», а значит маленькая индуктивность и слабое излучение;
• предсказуемое волновое сопротивление (characteristic impedance) дорожек: его задают ширина дорожки и толщина диэлектрика до опорного слоя (урок 9.2);
• меньше перекрёстных помех между соседними дорожками (урок 9.7).

3. Слой питания (power plane). Сплошной слой питания рядом со слоем земли образует плоский конденсатор с очень маленькой индуктивностью. Он раздаёт питание по всей плате без длинных дорожек и помогает развязывающим конденсаторам на высоких частотах.

Обратный ток: куда он течёт

Ток всегда течёт по замкнутому контуру: от источника по дорожке к приёмнику и обратно. Новички обычно думают только о первой половине пути. Но обратный ток не «растекается куда-нибудь по земле» — на высоких частотах он идёт строго под дорожкой, по пути с наименьшей индуктивностью, то есть с наименьшей площадью контура.

Рис. 9.1. Сигнал идёт по дорожке (оранжевая линия), а обратный ток возвращается к источнику по сплошному слою земли (пунктир). На постоянном токе он выбирает путь с наименьшим сопротивлением — напрямик. На высоких частотах — путь с наименьшей индуктивностью, то есть прямо под дорожкой, повторяя её форму. Разрез в земле под дорожкой ломает этот путь.

Аналогия: два человека несут длинное бревно по извилистой тропинке. Если один идёт по тропинке, второй идёт рядом и повторяет все повороты, а не срезает через кусты. Иначе бревно (поле между током и обратным током) разворачивается поперёк и цепляет всё вокруг — это и есть излучение и наводки.

📖Из учебникагл. 1, §1.16, с. 35

Хоровиц вводит индуктивность через связь напряжения со скоростью изменения тока. Для платы из этого следует простое правило: чем больше площадь контура, по которому течёт ток, тем больше его индуктивность. Сплошной опорный слой прямо под дорожкой делает этот контур минимальным.

Двухслойная плата — где предел

На двухслойке толщиной 1,6 мм опорный слой (если он вообще сплошной) находится на расстоянии около 1,5 мм от дорожки. Посчитаем по приближённой формуле IPC-2141 для микрополоска (подробнее в уроке 9.2), какой ширины должна быть дорожка с волновым сопротивлением 50 Ом при εr ≈ 4,3:

Плата	Расстояние до опорного слоя h	Ширина для 50 Ом
2 слоя, 1,6 мм	≈ 1,5 мм	≈ 2,8 мм
4 слоя, препрег ≈ 0,2 мм	≈ 0,2 мм	≈ 0,33 мм

Дорожка шириной почти 3 мм к выводу микросхемы не подведёшь. Поэтому всё, где нужен контролируемый импеданс (USB High Speed, Ethernet, высокочастотные линии), практически всегда делают на четырёх слоях и больше. (Числа — оценка по приближённой формуле; точные значения даёт калькулятор импеданса с реальным стеком производителя.)

Типовые четырёхслойные стеки

Поиграй со стеком: переключи на «4 слоя» и пощёлкай по слоям.

Стек слоёв печатной платы

2 слоя, 1,6 мм4 слоя, 1,6 мм

Показать переходное отверстие

Шелкография (верх)Паяльная маска (верх)Медь L1, верхПрепрегМедь L2, земляЯдроМедь L3, питаниеПрепрегМедь L4, низПаяльная маска (низ)Шелкография (низ)

Нажми на слой, чтобы узнать о нём.

Общая толщина: ≈ 1,6 мм. Рисунок не в масштабе.

Типовые значения для ориентира. Точный стек (толщины препрегов, ядра, меди) берётся из технологических норм производителя. Стандарт материалов — IPC-4101.

Стек	Плюсы	Минусы
SIG / GND / PWR / SIG	Классика. Плоскости питания и земли рядом — хорошая развязка. Самый частый вариант.	Нижний сигнальный слой опирается на слой питания, а не на землю. Обратный ток при смене слоя должен «перепрыгнуть» между плоскостями через конденсаторы.
SIG / GND / GND / SIG	Оба сигнальных слоя опираются на землю, путь обратного тока простой.	Питание разводят полигонами на сигнальных слоях — меньше места для дорожек.
GND / SIG / SIG / GND	Внешние слои-экраны, хорошо для ЭМС.	Неудобно ставить компоненты и ремонтировать, сложнее отвод тепла.

Для первой многослойной платы бери SIG / GND / PWR / SIG или SIG / GND / GND / SIG и держи все быстрые сигналы на верхнем слое над сплошной землёй.

💡Совет

Стек делают симметричным относительно середины: одинаковая медь и одинаковые диэлектрики сверху и снизу. Иначе при пайке плату может выгнуть. Обычно производитель предлагает несколько стандартных стеков — начинай с них, а не с придуманного самостоятельно.

🛠Особенность Altium

В Altium количество и порядок слоёв задают в Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager, урок 9.2). Altium различает сигнальные слои (Signal) и слои-плоскости (Internal Plane): плоскость — сплошная медь для питания или земли, которую можно поделить на области. Ограничения — до 32 сигнальных и до 16 слоёв-плоскостей.

Практика: два или четыре?

Для каждого случая реши, сколько слоёв нужно, и обоснуй:

1. Мультивибратор из модуля 7. (2 слоя: десяток компонентов, медленные сигналы.)
2. Плата питания с LDO, ток до 1 А. (2 слоя: широкие дорожки и полигоны справятся.)
3. ATmega328P + CH340C с USB Full Speed (проект 11.2). (2 слоя достаточно: Full Speed медленный, пару делают короткой, нижний слой — сплошная земля.)
4. Микроконтроллер в корпусе BGA с внешней памятью и USB High Speed. (4 слоя и больше: BGA не развести на двух, USB HS требует 90 Ом.)

🧯 Типичные ошибки

Слой земли изрезан дорожками и окнами

Почему Дорожки на «опорном» слое разрезают его, и обратный ток вынужден обходить разрез. Контур растёт, растут излучение и наводки.

Как исправить Держи опорный слой сплошным. Если что-то нужно провести по нему, делай это коротко и не под быстрыми сигналами.

Быстрый сигнал меняет слой без переходного отверстия земли рядом

Почему Обратный ток тоже должен перейти на другой опорный слой. Без близкого перехода на землю ему приходится идти далеко.

Как исправить Рядом с переходным отверстием сигнала ставь переходное отверстие на землю (stitching via), если опорные слои — земля.

Несимметричный стек «как удобнее»

Почему Разная медь и разные диэлектрики сверху и снизу приводят к короблению при пайке.

Как исправить Бери стандартный стек производителя или делай его симметричным.

Проверь себя

1. 1. Главная причина перехода на 4 слоя для платы с быстрыми интерфейсами — это…

   Красивее выглядитСплошной опорный слой близко к сигнальным дорожкамМедь толщеМожно не ставить развязывающие конденсаторы
2. 2. Как течёт обратный ток высокочастотного сигнала по сплошному слою земли?

   Напрямую к источнику по кратчайшей прямойПод сигнальной дорожкой, повторяя её путьРавномерно по всему слою
3. 3. Почему на двухслойке 1,6 мм трудно сделать дорожку 50 Ом?

   Медь слишком тонкаяОпорный слой далеко (≈1,5 мм), и дорожка должна быть шириной ≈3 ммFR-4 не подходит для 50 Ом
4. 4. Зачем стек делают симметричным?

   Чтобы плату не выгнуло при нагревеЧтобы было меньше слоёвЭтого требует Altium

🎯Практическое задание~30 мин

Открой на сайте любого производителя плат (JLCPCB, PCBWay или другого) страницу со стандартными стеками четырёхслойных плат толщиной 1,6 мм. Выпиши для одного стека: толщину меди внешних и внутренних слоёв, толщину препрега между L1 и L2, толщину ядра и тип материала. Нарисуй стек на бумаге и подпиши, какой слой будет землёй, какой питанием. Эти данные понадобятся в уроке 9.2.