Layer Stack Manager

В уроке 9.1 мы выбрали, какой стек нужен. Теперь зададим его в Altium точно так, как его сделает завод, и научимся рассчитывать ширину дорожек под нужное волновое сопротивление.

Волновое сопротивление: что это и от чего зависит

Пока дорожка короткая по сравнению с длиной фронта сигнала (урок 9.7), она — просто проводник. Когда длинная — это линия передачи (transmission line), и у неё есть волновое сопротивление Z₀. Это отношение напряжения к току бегущей по линии волны. Оно не зависит от длины линии, только от её геометрии и материала.

Аналогия: волна в шланге. Если шланг везде одной толщины, волна бежит ровно. Если где-то он резко сужается или расширяется, часть волны отражается назад. На плате «толщина шланга» — это волновое сопротивление, а отражения искажают сигнал.

Рис. 9.2. Слева — микрополосковая линия (microstrip): дорожка на внешнем слое над опорным слоем. Справа — полосковая (stripline): дорожка внутри платы между двумя опорными слоями. Волновое сопротивление зависит от ширины w, толщины диэлектрика h, толщины меди t и диэлектрической проницаемости εr.

Z₀ определяется:

• шириной дорожки w — шире дорожка → больше ёмкость на землю → меньше Z₀;
• толщиной диэлектрика h до опорного слоя — тоньше диэлектрик → меньше Z₀;
• диэлектрической проницаемостью εr материала (у FR-4 около 4–4,6, зависит от марки и частоты) → больше εr → меньше Z₀;
• в меньшей степени — толщиной меди t и паяльной маской сверху.

📖Из учебникагл. 1, §1.12, с. 27

Дорожка над сплошным слоем — это по сути длинный узкий конденсатор: ёмкость растёт с площадью обкладок и при уменьшении зазора. Хоровиц описывает конденсатор именно через эти параметры. Волновое сопротивление тем меньше, чем больше ёмкость дорожки на единицу длины, поэтому широкая дорожка над тонким диэлектриком «низкоомная».

Оценка по формуле

Для внешнего слоя (микрополосок) стандарт IPC-2141 приводит приближённую формулу (размеры в одних единицах, применима примерно при 0,1 < w/h < 2):

Z₀ ≈ 87 / √(εr + 1,41) · ln(5,98·h / (0,8·w + t))

Пример: препрег h = 0,2 мм, медь t = 0,035 мм, εr = 4,3.

w, мм	0,20	0,30	0,35	0,40
Z₀, Ом	≈ 66	≈ 54	≈ 49	≈ 44

Значит, для 50 Ом на таком стеке нужна дорожка шириной около 0,33 мм.

⚠️Внимание

Это приближение для оценки и понимания. Реальное значение зависит от точной толщины препрега после прессования, εr конкретного материала на рабочей частоте, маски и травления. Для настоящей платы ширину берут из калькулятора производителя под его стек или из калькулятора Altium (ниже) с данными производителя. Допуск на импеданс у производителей обычно указывают как ±10 % — уточняй в технологических нормах.

Открываем Layer Stack Manager

Layer Stack Manager открывается из редактора платы:

1. Открой документ платы .PcbDoc.
2. Выбери Design›Layer Stack Manager. Стек откроется в отдельной вкладке документа.
3. Изменения применяются к плате только после сохранения: Ctrl+S.

[СКРИНШОТ: Layer Stack Manager, вкладка Stackup, двухслойный стек по умолчанию]public/screenshots/m09-advanced/l02-layer-stack-manager.png

Внизу окна — вкладки. Обычно видны:

Вкладка	Что там
Stackup	сами слои: медь, диэлектрики, маска, шелкография
Impedance	профили импеданса (расчёт ширины дорожек)
Via Types	типы переходных отверстий: сквозные, глухие, скрытые

Дополнительные вкладки (Back Drills, Board, Printed Electronics) появляются, только если включены соответствующие режимы. Единицы измерения переключаются клавишей Ctrl+Q.

🛠Особенность Altium

Порядок слоёв в таблице — сверху вниз, как в реальной плате. Свойства выделенного слоя (материал, толщина, Dk, Df, вес меди) редактируются в таблице или в панели Properties. Если в сетке не хватает столбцов, их включают в диалоге выбора столбцов.

Собираем четырёхслойный стек

Возьми данные стека производителя из задания урока 9.1.

1. Выдели верхний слой меди (Top Layer).
2. Добавь слой: правый клик по таблице или кнопка Add внизу (а также Edit›Add Layer). Новый слой появляется рядом с выделенным. Altium сам добавит между медными слоями диэлектрик.
3. Добавь два внутренних медных слоя. Для земли и питания можно выбрать тип Internal Plane (слой-плоскость) или обычный Signal с полигоном. Пункты подменю правого клика уточни в своей версии [ПРОВЕРИТЬ].
4. Переименуй слои понятно: L1_Top, L2_GND, L3_PWR, L4_Bottom или оставь стандартные имена и добавь описание.
5. Для каждого диэлектрика укажи тип (Core или Prepreg), толщину и Dk по данным производителя. Для меди — толщину или вес (oz).
6. Проверь общую толщину платы — она показана в окне — и сравни с заказываемой (обычно 1,6 мм).

[СКРИНШОТ: Четырёхслойный стек: Top, Prepreg, GND, Core, PWR, Prepreg, Bottom]public/screenshots/m09-advanced/l02-four-layer-stack.png

💡Совет

Слой-плоскость (Internal Plane) в Altium рисуется «в негативе»: на нём изображают не медь, а то, где меди нет — разделительные линии и зазоры вокруг отверстий. Сплошной слой земли так задаётся проще всего. Если хочешь рисовать медь «позитивно», как на внешних слоях, сделай внутренний слой сигнальным и залей полигоном.

Профили импеданса

На вкладке Impedance создаются профили — «рецепты» дорожек с заданным волновым сопротивлением.

1. Перейди на вкладку Impedance и нажми Add Impedance Profile (если профилей ещё нет) или Add.
2. Выбери тип: одиночная линия (single-ended) или дифференциальная пара (differential).
3. Задай целевое сопротивление, например 50 Ом (одиночная) или 90 Ом (пара USB).
4. Для каждого сигнального слоя выбери опорные слои сверху и снизу. Altium посчитает ширину дорожки (для пары — ещё и зазор) под этот стек.
5. Для пары можно зафиксировать ширину или зазор кнопкой-замком, и тогда расчёт подберёт второй параметр.

Расчёт выполняет встроенный решатель Simbeor на частоте 1 ГГц. Готовый профиль потом подключают к правилам ширины и правилам дифференциальных пар (уроки 9.4 и 9.5), чтобы ширина дорожки при трассировке подставлялась сама.

[СКРИНШОТ: Вкладка Impedance: профиль 90 Ом для дифференциальной пары на слое Top]public/screenshots/m09-advanced/l02-impedance-profile.png

Типы переходных отверстий

На вкладке Via Types задают, между какими слоями может идти отверстие:

• сквозное (through) — через всю плату, самое дешёвое;
• глухое (blind) — с внешнего слоя на внутренний;
• скрытое (buried) — только между внутренними слоями.

Глухие и скрытые отверстия заметно дороже и нужны в основном для плотных плат с BGA. Для первой четырёхслойки хватит сквозных. Во время трассировки клавиша 6 перебирает доступные типы отверстий, а 8 показывает их меню.

🧯 Типичные ошибки

Импеданс посчитан по «стандартному» FR-4, а плата заказана с другим стеком

Почему Толщина препрега и εr у разных производителей и стеков разные. Ширина, рассчитанная под чужой стек, даёт другой импеданс.

Как исправить Сначала выбери производителя и его стек, внеси точные данные в Layer Stack Manager, потом считай ширину.

Изменения стека не появились на плате

Почему Layer Stack Manager применяет изменения только после сохранения.

Как исправить Сохрани вкладку стека (Ctrl+S) и вернись к плате.

На слое-плоскости нарисовали дорожку, и «пропала» земля

Почему Слой-плоскость рисуется в негативе: нарисованный объект означает вырез в меди.

Как исправить Для разводки дорожек используй сигнальные слои. На плоскостях — только линии раздела областей.

Проверь себя

1. 1. Как изменится волновое сопротивление дорожки, если сделать её шире?

   УвеличитсяУменьшитсяНе изменится
2. 2. Препрег под дорожкой сделали тоньше. Что нужно сделать с шириной, чтобы сохранить 50 Ом?

   Сделать дорожку ширеСделать дорожку ужеНичего
3. 3. Где в Altium задают профили импеданса?

   В свойствах дорожкиНа вкладке Impedance в Layer Stack ManagerВ настройках проекта
4. 4. Чем слой Internal Plane отличается от сигнального слоя в Altium?

   Он рисуется в негативе: нарисованное — это вырез в сплошной медиНа нём нельзя делать переходные отверстияОн всегда толще

🎯Практическое задание~45 мин

1. Создай пустой проект с платой и задай в Layer Stack Manager четырёхслойный стек по данным производителя из задания урока 9.1.
2. Создай профиль импеданса 50 Ом (одиночный) и 90 Ом (дифференциальный) для верхнего слоя с опорой на L2.
3. Сравни ширину, которую посчитал Altium, с оценкой по формуле IPC-2141 из урока и с калькулятором производителя. Запиши все три числа. Если расхождение больше 15 %, проверь толщину препрега и εr.