دوره پیشرفته طراحی PCB چند لایه و فرکانس بالا

دوره آموزش طراحی PCB چند لایه و فرکانس بالا در دو بخش مجزای «مفاهیم تئوری» و «کار با آلتیوم دیزاینر» آماده شده است تا تمام ابعاد این تخصص پوشش داده شود.

پیش‌نیاز این دوره، تسلط کامل بر آلتیوم دیزاینر و طراحی PCB دو لایه است. اگر هنوز در این زمینه احساس نیاز به یادگیری دارید، می‌توانید در دوره طراحی PCB حرفه‌ای با آلتیوم دیزاینر ثبت‌نام کنید که تمام این موارد را از صفر پوشش داده‌ام. توصیه می‌کنم پس از آن، این دوره پیشرفته را تهیه کنید تا با خیال راحت وارد مباحث پیشرفته‌تر و بازار کار تخصصی شوید.

بخشی از دوره آموزش طراحی PCB چند لایه و فرکانس بالا

سر فصل های دوره آموزش طراحی PCB چند لایه و فرکانس بالا

1. آشنایی با بردهای مولتی لایر (جزئیات بیشتر)
2. مواردی که قبل از شروع طراحی باید رعایت کنید. (جزئیات بیشتر)
3. آشنایی با انواع ویاها (جزئیات بیشتر)
4. نحوه انتخاب تعداد لایه ها (جزئیات بیشتر)
5. پارامترهای مهم انتخاب متریال PCB (جزئیات بیشتر)
6. تعریف Stack-Up (جزئیات بیشتر)
7. اصول چیدمان لایه ها (جزئیات بیشتر)
8. مسیر برگشت جریان (جزئیات بیشتر)
9. کراس تاک و انواع آن (جزئیات بیشتر)
10. راههای کاهش کراس تاک (جزئیات بیشتر)
11. چند نمونه از مثالهای چیدمان لایه ها از ۴ لایه تا ۱۲ لایه و بالاتر(جزئیات بیشتر)
12. تعریف لایه‌ها در آلتیوم (جزئیات بیشتر)
13. تعریف انواع Via در آلتیوم دیزاینر (جزئیات بیشتر)
14. تفاوت مفهوم لایه‌های سیگنالی با Plane در طراحی PCB چند لایه (جزئیات بیشتر)
15. اهمیت زمین
16. انواع نویز و راههای مقابله
17. EMI, EMC
18. نویز Common Mode و Differential Mode
19. Via stub
20. فرکانس بالا از چه فرکانسی شروع می شود؟
21. انواع سیگنال (end to end و دیفرانسیلی)
22. خط انتقال
23. مایکرواستریپ و استریپ لاین
24. دلیل ارجحیت pcb چهار لایه به pcb دو لایه
25. ادوات فرکانس بالا و سرعت بالا
26. Reflection یا بازتاب
27. ضریب Reflection
28. اثر پوسته جریان
29. سرعت حرکت موج روی PCB
30. طول موج
31. فرکانس رزونانس خازن
32. Ground Bounce
33. نکات طراحی پاور پلین
34. خازن دی کوپلینگ
35. Stitching Capacitor
36. ترکینگ در لبه PCB
37. آنتن
38. تغییر رفرنس پلین یا صفحه مرجع سیگنال
39. هارمونیک و پهنای باند
40. مدولاسیون
41. طراحی مدارات Mixed Signal
42. کلاس بندی از نظر EMC , IPC
43. اصول طراحی استک آپ و انتخاب تعداد لایه
44. استک آپ بردهای ۴ لایه، ۶ لایه، ۸ لایه، ۱۰ لایه، ۱۲ لایه و بالاتر
45. جیتر (jitter)
46. شبکه تحویل توان (Power Delivery Network)
47. نکات ترسیم شماتیک در آلتیوم دیزاینر
48. استفاده از هارنس
49. نکات طراحی ترکهای دیفرانسیلی یا تفاضلی
50. استاندارد PCIe
51. تعریف Net Class
52. هم طول کردن ترکها (Lenghth Tuning)
53. تنظیمات استک آپ
54. پروفایل امپدانس
55. کار با ICD Stackup Planner
56. ترمینیشن و انواع متدها
57. ترفند استفاده از بردهای Open Source
58. چینش قطعات
59. روتینگ رم DDR
60. انواع توپولوژی روتینگ رم DDR (توپولوژی فلای بای و توپولوژی T)
61. سفارش گذاری pcb های فرکانس بالا و چند لایه با کنترل امپدانس
62. ابزار Snippet
63. Via Stitching
64. متریال راجرز (Rogers)
65. چک لیست طراحی PCB

طراحی برد چند لایه

طراحی برد الکترونیکی چند لایه امروزه به یک ضرورت در محصولات مدرن تبدیل شده است. ساده‌ترین شکل طراحی، برد دو لایه با مس در بالا و پایین است، اما با پیشرفت فناوری، امکان قرار دادن لایه‌های بیشتر فراهم شده و محاسبات امروزی را بسیار سریع‌تر از گذشته کرده است. برخی از مزایای کلیدی PCB های چند لایه عبارتند از:

• تراکم مونتاژ بالا
• حجم و وزن کمتر
• افزایش قابلیت اطمینان با بهبود سیم‌کشی
• انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی

افزایش تراکم مدار، منجر به حجم بالای خطوط اتصال می‌شود و این امر استفاده از برد الکترونیکی چند لایه را ضروری می‌کند. بازار PCBهای چند لایه به‌ویژه در صنعت ارتباطات، به سرعت در حال رشد است و تولیدکنندگان بزرگ، دائماً فناوری‌های جدیدی را برای افزایش تعداد لایه‌ها و پاسخ به تقاضای بازار توسعه می‌دهند.

آشنایی با بردهای مولتی لایر

یک PCB چندلایه یا مولتی لایر، با استفاده از بیش از دو لایه فویل مس رسانا ساخته می‌شود. ساختار آن به این صورت است که از لایه‌هایی از PCB دو طرفه تشکیل شده که این لایه‌ها با استفاده از Pre-preg که نوعی چسب عایق است بر روی هم چسبانده می‌شوند. دو لایه بیرونی که در طرفین سطح PCB قرار می‌گیرند محل قرار گرفتن فوت‌پرینت‌ها و مونتاژ قطعات الکترونیکی هستند؛ ممکن است قطعات فقط بر روی یک سمت برد یا بر روی دو سمت برد لحیم شوند.

اتصال الکتریکی بین لایه‌ها از طریق وایاها انجام می‌شود. وایاها سوراخ‌هایی متالیزه مانند سوراخ‌های قطعات THD هستند، اما کاربرد آن‌ها برای اتصال بین لایه‌های الکتریکی مختلف است. برخلاف بردهای دو لایه که فقط یک نوع وایا دارند، در بردهای چندلایه، انواع مختلفی از وایا کاربرد دارد. از طریق این روش، یک PCB بسیار پیچیده با اندازه‌های مختلف ایجاد می‌شود.

طراحی برد الکترونیکی چند لایه روزبه‌روز محبوب‌تر می‌شود. تعداد لایه‌های بردهای چندلایه اغلب زوج است؛ تعداد لایه‌های فرد می‌تواند مشکلاتی مانند تاب برداشتن را ایجاد کند. اکثر کاربردها به چیزی بین چهار تا هشت لایه نیاز دارند. اگرچه دستگاه‌های تلفن همراه معمولاً از حدود دوازده لایه استفاده می‌کنند و برخی تولیدکنندگان حرفه‌ای توانایی تولید PCBهایی با نزدیک به ۱۰۰ لایه را دارند. لازم به ذکر است طراحی و ساخت برد با این تعداد لایه، بسیار گران است و در عمل استفاده از آن‌ها نیز نادر است.

نکات شروع طراحی برد چند لایه و فرکانس بالا

هیچ چیز در دنیا بهتر از یک کیک شکلاتی شش لایه نیست. من از کیک تک لایه لذت می‌برم، اما اصلا قابل قیاس با یک کیک شش لایه بزرگ‌تر نیست. اما از طرف دیگر یک کیک شش لایه به زمان و مهارت بیشتری برای پخت نیاز دارد و گران‌تر از یک کیک ساده است. همچنین برای جبران کالری اضافی، کمی بیشتر باید در باشگاه زمان صرف کرد، اما در نهایت واقعاً ارزشش را دارد.

اگر تاکنون بردهای ساده یک یا دو لایه را طراحی کرده باشید، متوجه خواهید شد که چیدمان یک PCB چند لایه شباهت‌هایی به کیک شش لایه دارد. مانند کیک، زمان، مهارت و هزینه بیشتری را می‌طلبد، اما همچنین یک چالش طراحی بسیار لذت‌بخش است؛ بدون اینکه مجبور باشید روز بعد به باشگاه بروید! با این حال، روش‌های طراحی جدیدی برای یادگیری وجود دارد:

آماده‌سازی طراحی PCB چند لایه

تفاوت اصلی بین آماده‌سازی برای طراحی برد دو لایه و چند لایه، در برنامه‌ریزی استک‌آپ (Stack-up) لایه‌ها است. نکات زیر را هنگام برنامه‌ریزی استک‌آپ لایه‌های برد در نظر بگیرید:

۱- عملکرد سرعت عملکرد مدار و محیط کار برد نهایی، می‌تواند در انتخاب متریال برد تفاوت ایجاد کند. متریال‌های پیشرفته‌تری نسبت به FR-4 وجود دارند که ممکن است برای کاربرد شما مناسب‌تر باشند، اما می‌توانند بر محاسبات امپدانس تأثیر بگذارند. اینجا جایی است که همکاری با سازنده PCB منبع ارزشمندی از اطلاعات خواهد بود.

۲- هزینه متریال PCB، تعداد لایه‌ها و پیکربندی آن، تأثیر مستقیمی بر هزینه کلی ساخت دارد. در اینجا نیز باید از سازنده برد کمک بخواهید تا همه گزینه‌ها را در نظر بگیرید.

۳- چگالی چگالی ترک‌های برد، عامل دیگری در تعیین پیکربندی لایه‌ها است. خیلی دردناک است که بعد از اتمام چیدمان، دوباره به عقب برگردید و لایه‌هایی را به طراحی خود اضافه کنید. در این صورت نه‌تنها باید استک‌آپ برد را مجدداً پیکربندی کنید، بلکه ممکن است مجبور شوید تغییرات زیادی نیز در طراحی ایجاد کنید. از سوی دیگر، شروع با تعداد لایه‌های زیاد، هزینه ساخت را بالا می‌برد.

۴- مدار همچنین باید نیازهای مدار را درک کنید تا بتوانید بهینه‌ترین پیکربندی لایه‌ها را طراحی کنید. به عنوان مثال، سیگنال‌های حساس ممکن است به پیکربندی استریپ لاین نیاز داشته باشند که به معنای افزودن Plane زمین اضافی است. مدارهای آنالوگ و دیجیتال باید با پلین‌های زمین مربوط به خودشان از هم جدا شوند و منابع تغذیه داخلی نیاز به ایزوله کردن دارند. همه این‌ها باید قبل از شروع طراحی برنامه‌ریزی شوند.

آشنایی با انواع ویاها

ویای کور (Blind Via) و ویای مدفون (Buried Via) فناوری جدیدی در ساخت PCB هستند که نیازهای طراحی‌های پیچیده را برآورده می‌کنند. این viaها چه هستند، چه اهمیتی دارند و چه نقشی در تولید PCB برای مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگان ایفا می‌کنند، در این سرفصل مورد بحث قرار می‌گیرند. همچنین انواع دیگر via یعنی stacked via و micro via هم توضیح داده می‌شود.
قبل از درک این نوع viaها، درک مفهوم “via” در طراحی PCB مهم است. via یک اتصال الکتریکی به شکل سوراخ مسی است که لایه‌های مختلف PCB را به هم متصل می‌کند.

می‌توان از انواع مختلف via استفاده کرد، اما گسترده‌ترین نوع آن که در سرتاسر جهان در هر PCB (غیر از PCBهای یک لایه) استفاده می‌شود، through-hole via می‌باشد. معایبی در استفاده از through-hole via در کاربردهای فناوری نصب سطحی وجود دارد. به دلیل این معایب، through-hole via با دو نوع ویای دیگر یعنی blind via و buried via جایگزین شده است.

انواع مختلف via در یک PCB، فقط نام هستند و آنچه مهم است نحوه استفاده از آن‌ها برای اتصال مدار بین لایه‌هاست. برای یک برد دو لایه ساده، تنها گزینه، استفاده از ویای through-hole است. اما برای بردهایی که بیش از دو لایه دارند، ممکن است نیاز داشته باشید در طراحی خود از ویاهای blind یا buried استفاده کنید (با هزینه بیشتر).

در نهایت، اینکه کدام نوع ویا استفاده شود به فناوری برد مدار چاپی، نیازهای مدار و هزینه ساخت بستگی دارد. به عنوان مثال، استفاده از میکروویا به دلیل اندازه کوچک آن بسیار مطلوب است، اما لزوماً بهترین انتخاب نیست؛ زیرا یک میکروویا مراحل ساخت بیشتری دارد و در نتیجه در مقایسه with through-hole via گران‌تر است. اما اگر قصد طراحی یک برد با چگالی بالا (HDI) را دارید، قطعاً میکروویا انتخاب بهتری است.

نحوه انتخاب تعداد لایه ها

لایه‌های PCB عامل تعیین‌کننده در توان و ظرفیت برد هستند. طراحان اغلب از خود می‌پرسند که آیا PCB یک لایه کافی است یا بهتر است از PCB دو یا چهار لایه استفاده شود. در حالی که تعداد لایه‌ها تا حد زیادی به بودجه و نیازهای عملکردی بستگی دارد، “چند لایه” یعنی هر بردی که بیش از دو لایه دارد؛ مانند PCB چهار لایه یا ۶ لایه و بالاتر.
نکته: تعداد لایه‌ها از یک لایه به بعد همیشه زوج است.

حال سوال متداول این است که “آیا من باید PCB دو لایه را انتخاب کنم یا PCB چند لایه؟” پاسخ به این سوال آسان نیست اما خیلی سخت هم نیست. باید در مورد نیازهای محصول نهایی خود آگاهی کامل داشته باشید، زیرا باید بدانید این PCB قرار است در کجا نصب شود.
نکته کلیدی، جایی است که PCB استفاده خواهد شد. به عنوان مثال، اگر مشتری بخواهد یک مدار تقویت‌کننده صوتی بسازد، نیازهای اولیه خود را به مهندس طراح اعلام می‌کند. سپس مهندس طراح بررسی می‌کند که برای ساخت یک تقویت‌کننده صوتی کامل به چه ویژگی‌هایی نیاز است. برخی از ویژگی‌ها شامل این موارد هستند:
1- مدار پیش تقویت‌کننده
2- مدار فیلتر باند گذر
3- تنظیم کنترل Tone
4- سطح صدا یا گین کنترل
5- تقویت‌کننده قدرت با مدار درایور بلندگوی ۴ اهم یا ۸ اهم یا ۱۶ اهم

حال از آنجایی که عملکردهای زیادی در این محصول وجود دارد، به قطعات الکترونیکی بیشتری نیاز است و در نتیجه فضای PCB بیشتری مورد نیاز می‌باشد. بنابراین اگر مشتری بخواهد ابعاد محصول کوچک باشد، PCB چند لایه اجتناب‌ناپذیر است. پس می‌توان گفت یکی از دلایل اصلی انتخاب PCB چند لایه، اندازه و پیچیدگی مدار می‌باشد.

برای تعیین تعداد لایه‌ها در PCBهای چند لایه باید این عوامل را در نظر بگیرید:
1. برد مدار چاپی من در الکترونیک پیشرفته و پیچیده به کار می‌رود یا در موارد ساده استفاده خواهد شد؟
2. چه فرکانسی مورد نیاز است؟
3. بودجه من برای پروژه چقدر است؟ به عبارت دیگر هزینه‌های ساخت PCBهای تک لایه و دو لایه در مقابل چند لایه چقدر است.
4. سرعت نیاز من به این PCB چقدر است؟

پارامترهای مهم انتخاب متریال PCB

اگر امروزه هر وسیله الکترونیکی مصرفی را باز کنید، به احتمال زیاد درون آن بردهای مدار چاپی (PCB) با ابعاد مختلف را خواهید دید. PCBها بلوک‌های سازنده لوازم الکترونیکی مصرفی و صنعتی هستند و صنعت الکترونیک بر مبنای فناوری PCBها پیشرفت کرده است. هر ویژگی‌ای در یک دستگاه الکترونیکی به یک PCB نگاشت می‌شود.

سطح عملکرد PCBها همیشه به متریال دی‌الکتریک PCB بستگی دارد. خواص حرارتی، الکتریکی، شیمیایی و مکانیکی این متریال، پارامترهای طراحی مهمی هستند که باید برای افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد PCBها و دستگاه‌های الکترونیکی در نظر گرفته شوند.

متریال دی‌الکتریک PCB، بستر غیر رسانا را بین لایه‌های مس رسانا فراهم می‌کند. یک ثابت دی‌الکتریک پایدار در طیف وسیعی از فرکانس‌ها برای اطمینان از عملکرد صحیح PCB ترجیح داده می‌شود. FR-4 یک متریال استاندارد جهانی پذیرفته‌شده برای PCBهای یک لایه، دو لایه و چند لایه با الزامات مقاومت مکانیکی دقیق است که برای اکثر کاربردهای معمولی می‌توان از آن استفاده کرد.

انتخاب متریال دی‌الکتریک مناسب زمانی که مدار با توان بالا، فرکانس بالا و دماهای بالا کار می‌کند بسیار مهم است. هنگام انتخاب متریال، انتخاب ماده‌ای با تمام خواص مطلوب دشوار است. اولویت‌های یک طراح ممکن است بر اساس محیط کار PCB، فرکانس کاری، توان مدار، زمان خدمات مورد انتظار و هزینه تغییر کند.

تعریف Stack-up

استک‌آپ، نحوه چیدمان لایه‌های مس و عایق‌هایی است که یک PCB را قبل از طراحی طرح نهایی تشکیل می‌دهند. مدیریت یک stackup خوب آسان نیست و شرکت‌هایی که بردهای مدار چاپی چندلایه می‌سازند، باید در خط مقدم حرفه‌ای‌ها باشند.

داشتن چندین لایه، توانایی برد را برای توزیع انرژی افزایش می‌دهد، تداخل الکترومغناطیسی را حذف می‌کند و سیگنال‌های با سرعت بالا را پشتیبانی می‌کند. Stack-up به شما امکان می‌دهد چندین مدار الکترونیکی را روی یک برد از طریق لایه‌های مختلف پیاده‌سازی کنید. ساختار طراحی PCB Stackup مزایای بسیاری دارد؛ از جمله:

• کاهش آسیب‌پذیری مدار در برابر نویز خارجی و به حداقل رساندن تشعشع و مشکلات امپدانس و تداخل در سیستم‌های پرسرعت.
• کمک به تولید نهایی کارآمد و کم‌هزینه.
• بهبود سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) پروژه.

ساده‌ترین استک‌آپ‌ها می‌تواند شامل PCBهای ۴ لایه باشند. هرچه تعداد لایه‌ها بیشتر باشد، هزینه ساخت افزایش می‌یابد اما از سوی دیگر، طراح آزادتر است تا مدار خود را گسترده‌تر کند و شانس کمتری برای برخورد به راه‌حل‌های «غیرممکن» وجود دارد. استک‌آپی که انتخاب می‌کنید از چندین جهت در عملکرد برد نقش مهمی دارد.

به عنوان مثال، استک‌آپ خوب می‌تواند امپدانس برد را کاهش دهد و تابش و تداخل را محدود کند. از سوی دیگر، طراحی ضعیف استک‌آپ می‌تواند تابش مدار و نویز را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. مدیریت خوب Stackup به شما امکان می‌دهد محصولاتی عالی تولید کنید.

اصول چیدمان لایه ها

با بهبود فناوری PCB و افزایش تقاضا برای محصولات سریع‌تر و قوی‌تر، PCBها از بردهای دو لایه اصلی به بردهایی با چهار، شش، هشت لایه و… تغییر کرده‌اند. داشتن لایه‌های بیشتر، توانایی برد را برای توزیع توان، کاهش کراس‌تاک (Cross Talk)، حذف تداخل الکترومغناطیسی و پشتیبانی از سیگنال‌های پرسرعت افزایش می‌دهد.

هنگام کار بر روی چیدمان لایه‌های PCB چند لایه، یکی از اولین تفاوت‌ها این است که چقدر باید در مورد طراحی “سه بعدی” فکر کنید. در یک PCB دو لایه، فقط باید آن را از منظر لایه بالا و پایین در نظر بگیرید. اما در طراحی برد چند لایه، شما در دنیایی از چندین لایه هستید و اتفاقات مختلفی در بین لایه‌ها رخ می‌دهد که می‌تواند روی لایه بالا و پایین برد تاثیر بگذارد.

به عنوان مثال، ممکن است بخواهید یک قطعه پرنویز را در یک مکان خاص قرار دهید، اما باید حواستان به لایه‌های داخلی نیز باشد تا ترک‌های حساس را روی یک لایه داخلی در زیر آن قرار ندهید. بنابراین باید اصول زیادی را هنگام چیدمان لایه‌ها در نظر بگیرید تا سیگنال‌ها به سلامت عبور کنند و به مقصد برسند.

طراحی PCB چند لایه یک عملیات بسیار پیچیده است و تقریباً یک هنر. اگر مداری که PCB در آن قرار دارد با فرکانس پایین (یا حتی در جریان مستقیم) کار کند، مشکل خاصی در طراحی وجود ندارد. اما اگر سیستم در فرکانس‌های بالا کار کند، بسیاری از معیارهای دیکته‌شده توسط فیزیک، الکترونیک، الکترواستاتیک و مغناطیس باید رعایت شوند تا عملکرد بهینه مدار حفظ شود.

هنگامی که لایه‌ها به اشتباه طراحی می‌شوند، ناهنجاری‌هایی مانند overshoot، undershoot، تداخل الکترومغناطیسی، جفت نادرست سیگنال‌ها، کراس‌تاک و حتی از دست دادن سیگنال‌ها ممکن است رخ دهند. یک مدار الکترونیکی باکیفیت، مطلقاً نباید این مشکلات را داشته باشد.

در واقع، اگر مداری دارای نقص سیگنال باشد، احتمالاً گواهینامه‌های لازم برای عرضه در بازار را دریافت نخواهد کرد. بنابراین، طراحی کامل PCB گامی اساسی برای تولید محصول است. طراحی کارآمد لایه‌ها از اتلاف وقت جلوگیری می‌کند و از بروز مشکلات احتمالی آینده پیشگیری می‌کند.

ترتیب لایه‌ها بسیار حیاتی است. همانطور که در شکل بالا می‌بینید، لایه‌های رسانای مختلف مانند “لایه سیگنال معمولی”، “لایه پاور”، “لایه زمین” و “لایه سیگنال سرعت بالا” به صورت کارآمد چیده شده‌اند. موقعیت صفحات زمین و پاور و انواع سیگنال نقش اساسی در موفقیت پروژه دارد.

اگر لایه‌ها اشتباه برنامه‌ریزی شوند، تداخل الکترومغناطیسی و سیگنال با کیفیت پایین رخ می‌دهد. برای یک PCB چند لایه کامل، باید از برگشت حلقه کافی سیگنال اطمینان حاصل شود. همچنین تمام موارد همپوشانی یا اتصال متقاطع احتمالی بین سیگنال‌ها باید در نظر گرفته شود و مهم‌تر از همه، فرکانس‌های سیگنال‌هایی که قرار است ترک‌کشی شوند، باید دقیقاً مورد توجه قرار گیرند.

مسیر برگشت جریان

یکی از جنبه‌های اساسی هر مدار الکتریکی، مسیر برگشت جریان است. در یک مدار شماتیک، مسیری که جریان الکتریکی طی می‌کند تا به سمت پتانسیل پایین منبع تغذیه (در اکثر مواقع همان گراند) برگردد باید واضح باشد؛ اما ممکن است در PCB چندان واضح نباشد. به عبارت دیگر، شما باید هندسه چیدمان PCB را در نظر بگیرید تا درک کنید که چگونه جریان در سراسر سیستم حرکت می‌کند.

هندسه ترک‌ها و صفحات داخلی فقط یکی از جنبه‌هایی است که مسیر برگشت جریان را تعیین می‌کند. خود سیگنال به جهاتی مسیر بازگشت خود را انتخاب می‌کند. هنگامی که یک طراح درک کند که هندسه و ویژگی‌های یک سیگنال چگونه بر مسیر برگشت جریان تأثیر می‌گذارند، تعیین مسیر جریان برگشتی آسان‌تر می‌شود.

چه چیزی مسیر برگشت جریان را در PCB تعیین می‌کند؟

دوست دارم بگویم که جریان، مسیر با کمترین مقاومت را دنبال می‌کند؛ اما این فقط برای مدارهای DC صادق است. در سیگنال‌های AC متغیر با زمان، جریان برگشتی، مسیر با کمترین اندوکتانس را دنبال می‌کند که مسیر با کمترین امپدانس هم هست. این بدان معنی است که مسیر برگشت جریان در PCB، کاملاً توسط امپدانس مداری که جریان برگشتی را حمل می‌کند، تعیین می‌شود.

در نظر بگیرید که جریان از منبع تغذیه در امتداد ترک‌های تغذیه یا پلین پاور جریان می‌یابد، سپس وارد قطعات می‌شود و در نهایت به پلین زمین برمی‌گردد. کل این مسیر دارای مقداری امپدانس است.

امپدانس مشاهده‌شده توسط جریان را می‌توان به بخش مقاومتی (مستقل از فرکانس) و بخش راکتیو (وابسته به فرکانس) تقسیم کرد. هر مدار روی یک PCB واقعی بسته به هندسه، رفتار اجزا و فرکانس سیگنال، می‌تواند به‌عنوان یک مدار کاملاً مقاومتی، یا کاملاً خازنی و یا کاملاً سلفی رفتار کند. مدارهای خطی واقعی روی یک برد باید حداقل به عنوان مدارهای RLC مدل شوند.

چرا یک مدار در طرح PCB باید مانند یک مدار RLC عمل کند؟

به این دلیل که هادی‌های مجاور توسط یک بستر عایق از هم جدا شده‌اند که مقداری خازن پارازیتیک ایجاد می‌کنند. همچنین رفتار سلفی به این دلیل به وجود می‌آید که مسیر جریان یک حلقه بسته را تشکیل می‌دهد و بستر نیز دارای مقداری نفوذپذیری مغناطیسی است، بنابراین هر مدار مقداری اندوکتانس پارازیتیک دارد.

این خازن و سلف‌های پارازیتیک و مقاومت DC طبیعی هادی‌ها، در مقدار امپدانسی که سیگنال‌ها در طول برد می‌بینند تاثیر می‌گذارند. هنگامی که همراه با هندسه ترک‌ها و پلین‌ها در نظر گرفته شوند، همه این‌ها با همدیگر مسیری را که سیگنال‌ها به هنگام بازگشت به منبع تغذیه دنبال می‌کنند، تعیین می‌کنند.

کراس تاک و انواع آن

آیا تا به حال در جلسه‌ای بوده‌اید که در آن چندین مکالمه همزمان در جریان باشد؟ این سناریو اغلب به این معنی است که جلسه آنطور که باید، سازنده نیست. به علاوه اطلاعاتی که نیاز دارید ممکن است توسط سایر مکالمات از بین برود. اگر دقت کنید می‌بینید که افراد برای شنیدن بهتر به سمت یکدیگر متمایل می‌شوند و صدای خود را بالا می‌برند.

صحبت‌های متقاطع مانند این می‌تواند یک آشفتگی واقعی ایجاد کند و یکی از دلایلی است که مردم به دنبال بهانه‌ای برای فرار از این جلسات هستند. به همین ترتیب، زمانی که تداخلی روی برد مدار چاپی وجود دارد، ممکن است برد به درستی کار نکند و اطلاعات مهمی را نیز از دست بدهید.

اصطلاح کراس‌تاک (crosstalk) به کوپلینگ الکترومغناطیسی ناخواسته‌ای اشاره دارد که بین ترک‌های برد ایجاد می‌شود. ولتاژ یا جریان ترک «متجاوز» می‌تواند تأثیرات ناخواسته‌ای روی ترک «قربانی» ایجاد کند، بدون اینکه این دو در تماس فیزیکی باشند. این پدیده معمولاً زمانی رخ می‌دهد که ترک‌ها به اندازه کافی از هم فاصله نداشته باشند. مشکل اینجاست که سیگنال قربانی به جای رفتار طبیعی خود، مانند سیگنال متجاوز رفتار می‌کند.

رسانایی که جریانی از آن عبور می‌کند همیشه یک میدان الکترومغناطیسی با شدت خاصی تولید می‌کند. با افزایش سرعت (فرکانس) سیگنال، احتمال القای کوپلینگ در سیگنال مجاور افزایش می‌یابد. به طور دقیق‌تر، دو نوع کوپلینگ وجود دارد: کوپلینگ القایی (یا مغناطیسی) و کوپلینگ خازنی (یا الکتریکی).

هنگامی که یک جریان از یک هادی مانند ترک PCB عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. هنگامی که این میدان به ترک مجاور می‌رسد، بر اساس قانون دوم القایی فارادی، ولتاژی را القا می‌کند. این پدیده به عنوان کوپلینگ مغناطیسی یا القایی شناخته می‌شود. علاوه بر میدان مغناطیسی، جریان می‌تواند یک میدان الکتریکی نیز ایجاد کند که با رسیدن به ترک مجاور، یک جفت خازنی ایجاد کرده و یکپارچگی سیگنال را کاهش می‌دهد. این پدیده به عنوان خازن پارازیتیک نیز شناخته می‌شود.

علاوه بر ترک‌های مجاور روی یک لایه، تداخل می‌تواند بین ترک‌های موازی متعلق به لایه‌های مجاور نیز رخ دهد. این اثر به عنوان broadside coupling شناخته می‌شود.

راههای کاهش کراس تاک

کراس‌تاک می‌تواند مشکلات جدی در طراحی PCB ایجاد کند. آنچه در اینجا به شما ارائه کرده‌ایم اولین قدم عالی برای قرار گرفتن در مسیر درست است. گام دیگر، استفاده از ابزارهای طراحی PCB است که برای جلوگیری از مشکلاتی مانند تداخل ایجاد شده‌اند.

در حالی که کراس‌تاک را نمی‌توان به طور کامل حذف کرد، اما می‌توان آن را تا حدی کاهش داد که تأثیر معنی‌داری بر یکپارچگی سیگنال نداشته باشد. در این قسمت از آموزش، تکنیک‌هایی را معرفی می‌کنیم که معمولاً برای کاهش خطر کراس‌تاک در طراحی PCB استفاده می‌شوند.

چند نمونه از چیدمان لایه ها از ۴ لایه تا ۱۶ لایه

پس از آشنایی با انواع اصطلاحات و مشکلات طراحی‌های اشتباه، وقت آن است که مثال‌هایی از چیدمان‌های مختلف لایه‌ها و مزایا و معایب هر کدام را بررسی کنیم. افزایش تعداد لایه‌ها، هزینه ساخت را افزایش می‌دهد؛ اما در عین حال لایه‌های اضافه، فضایی برای ترک‌کشی سیگنال‌های بیشتر و جفت پلین اضافه را فراهم می‌کنند.

نحوه استفاده از این لایه‌های اضافه، اهمیت کمتری نسبت به نحوه چیدمان آن‌ها در استک‌آپ دارد. اگر قبلاً از بردهای چند لایه استفاده کرده یا با مشکلات EMI استک‌آپ‌های اشتباه مواجه بوده‌اید، می‌دانید که حل کردن آن‌ها چقدر دشوار و گاهی غیرممکن است.

پس از تعیین تعداد لایه‌ها، مرحله بعدی تعیین ترتیب قرارگیری هر لایه است. در این بخش دو عامل اصلی باید در نظر گرفته شود:

1. توزیع لایه‌های سیگنال
2. توزیع لایه پاور و لایه زمین

هرچه تعداد لایه‌ها بیشتر باشد، انتخاب بهترین روش دشوارتر می‌شود؛ اما چهار عامل مهم وجود دارد که باید در هنگام طراحی استک‌آپ مورد توجه قرار گیرد:

1. تعداد لایه‌ها
2. تعداد و انواع پلین‌ها (پاور و زمین)
3. مرتب‌سازی و ترتیب لایه‌ها
4. فاصله بین لایه‌ها

معمولاً به این عوامل -به‌جز مورد اول- توجه زیادی نمی‌شود. اغلب عامل چهارم حتی برای طراحان PCB شناخته‌شده نیست. همه این عوامل حیاتی هستند و باید به یک اندازه در نظر گرفته شوند. یک قانون کلی این است که یک برد چهار لایه، ۱۵ دسی‌بل کمتر از یک برد دو لایه تشعشع تولید می‌کند؛ به شرطی که بقیه عوامل برابر باشند.

تعریف لایه ها در آلتیوم به صورت متقارن

همانطور که گفته شد، تعریف استک‌آپ لایه‌ها یک عنصر حیاتی در طراحی موفق برد است. برای دستیابی به طراحی موفق یک PCB پرسرعت، باید فرآیند انتخاب متریال مناسب، چیدمان و تخصیص لایه‌ها، ابعاد مسیرکشی و فاصله بین لایه‌ها به درستی انجام شود.

همچنین در طراحی یک PCB مدرن و پرسرعت ملاحظات دیگری نیز وجود دارد، از جمله: جفت شدن لایه‌ها، دقت در طراحی Via، الزامات صلب/انعطاف‌پذیر (Rigid/Flex)، متعادل‌سازی لایه‌های مسی، تقارن استک‌آپ لایه و انطباق متریال. ابزار Layer Stack Manager در آلتیوم دیزاینر، همه این الزامات را در یک ویرایشگر واحد جمع می‌کند.

در ادامه، وارد محیط آلتیوم دیزاینر می‌شویم و تمامی نکات را به‌صورت عملی پیاده‌سازی می‌کنیم و نحوه کار با ابزارهای مختلف را یاد می‌گیریم. در این قسمت به معرفی Layer Stack Manager می‌پردازیم و کار با آن را فرا می‌گیریم.

به عنوان یک ویرایشگر استاندارد سند، Layer Stack Manager (LSM) را می‌توان در حین کار بر روی PCB باز گذاشت و بین برد و LSM جابه‌جا شد. توجه داشته باشید که قبل از اعمال تغییرات در PCB، ابتدا باید تنظیمات انجام‌شده در LSM ذخیره شوند.

Layer Stack Manager آلتیوم دیزاینر این امکان را می‌دهد که لایه‌ها را به‌صورت متقارن یا نامتقارن تعریف کنید. متقارن بودن لایه‌ها به این معنی است که از مرکز PCB به سمت بالا و پایین، تعداد و جنس لایه‌ها باید یکسان باشند. توصیه می‌شود در طراحی بردهای چند لایه، لایه‌ها را به‌صورت متقارن تعریف کنید.

تعریف انواع Via در آلتیوم دیزاینر

همانطور که گفته شد، Via یک سوراخ برای ایجاد اتصال الکتریکی عمودی بین دو یا چند لایه الکتریکی PCB است. Via یک جسم سه بعدی با بدنه بشکه‌ای شکل در راستای محور Z (عمودی) و یک حلقه مسی (Annular Ring یا گوشت پد) در اطراف آن در هر لایه (در راستای محورهای X و Y افقی) است. بدنه بشکه‌ای ویا زمانی تشکیل می‌شود که برد سوراخ‌کاری و سپس آبکاری شود.

تفاوت کلیدی بین via و pad در این است که ویا علاوه بر اتصال بین تمام لایه‌ها (بالا به پایین)، می‌تواند از یک لایه بیرونی به یک لایه داخلی یا بین دو لایه داخلی نیز قرار داشته باشد.

در این قسمت، نحوه تعریف انواع Via در آلتیوم دیزاینر را آموزش می‌دهیم. پیش‌فرض آلتیوم این است که یک via از لایه بالا تا لایه پایین تعریف شود (thru-hole via). در یک برد چند لایه، یک via می‌تواند لایه‌های دیگر را نیز پوشش دهد. لایه‌هایی که می‌توان انواع دیگر via را تعریف کرد، به فناوری ساخت برد بستگی دارد.

روش سنتی ساخت برد چند لایه این است که مجموعه‌ای از بردهای دو طرفه نازک ساخته و سپس تحت حرارت و فشار با هم ساندویچ می‌شوند تا یک برد چند لایه تشکیل شود. تصویر زیر یک برد شش لایه را نشان می‌دهد که نام لایه‌ها در سمت چپ تصویر مشخص است. این برد ابتدا به‌صورت سه برد دو لایه (Top-Plane1، Mid1-Mid2، Plane2-Bottom) ساخته شده است.

تفاوت مفهوم لایه های سیگنال با Plane در طراحی PCB چند لایه

طراحی PCB چند لایه به همان اندازه که یک علم است، هنر هم هست و کل فرآیند طراحی فیبر چند لایه به چیدمان لایه‌ها بستگی دارد. برای ترک‌کشی بین لایه‌ها باید از Via استفاده کنید، آرایش Plane پاور/زمین مناسب انتخاب کنید و فایل خروجی نهایی را با تمام اطلاعات درست برای سازنده PCB تولید و ارسال کنید. همه این‌ها زمانی امکان‌پذیر است که با بهترین نرم‌افزار طراحی PCB و با یک مدیریت Stack-up عالی کار کنید. نرم‌افزار آلتیوم دیزاینر همه این امکانات را فراهم می‌کند.

در PCB چند لایه، ترک‌کشی نیاز به استفاده عاقلانه از Viaها برای ارسال سیگنال بین لایه‌ها دارد. بسته به تعداد و نوع لایه‌ها، باید از قوانین چیدمان خاصی پیروی کنید. استراتژی Stackup مناسب می‌تواند تداخل را کاهش دهد و EMI را در لایه‌های سیگنال سرکوب کند و اطمینان دهد که سیگنال‌ها در برابر میدان‌های خارجی و نویز پایدار می‌مانند. هدف ما این است که مطمئن شویم برد چند لایه قبل از ساخته شدن، ایمن است تا از اتلاف وقت و هزینه جلوگیری شود.

در این قسمت، تفاوت بین لایه‌های سیگنال و Plane را بررسی می‌کنیم. لایه‌های Plane اصطلاحاً Negative هستند و اغلب برای ایجاد سطوح پاور و زمین در طراحی PCB چند لایه استفاده می‌شوند. برخی از ابزارهای CAD برای سوراخ‌های قرارگرفته در لایه Plane نیاز به فضای خالی دارند. اگر از این ابزارها استفاده می‌کنید، مطمئن شوید که پدها و فوت‌پرینت‌ها با فاصله مناسبی از Plane قرار دارند. در غیر این صورت، اتصال کوتاه رخ می‌دهد.

پشتیبانی دوره آموزشی

بعد از تهیه دوره آموزش طراحی برد الکترونیکی فرکانس بالا و چند لایه و مشاهده جلسات مختلف آن، هرگونه سوالی در زمان یادگیری طراحی برد مدارچاپی فرکانس بالا با نرم‌افزار آلتیوم دیزاینر داشته باشید، می‌توانید از بخش تماس با ما با بخش پشتیبانی دوره در ارتباط باشید و سوالات خود را بیان کنید. همچنین می‌توانید با شماره تلفن ۰۹۱۵۷۷۳۱۶۹۶ سوالات خود را در واتساپ یا تلگرام با ما در میان بگذارید. این پشتیبانی دائمی می‌باشد.

بخش پشتیبانی دوره آموزش طراحی برد الکترونیکی چند لایه، از اهمیت بالایی برخوردار است و همواره بر آن تاکید داریم. همانطور که می‌دانید در بحث آموزش در هر حوزه‌ای، مهم‌ترین بخش بعد از آموزش اصول کار، بخش پشتیبانی از دانشجو می‌باشد. کیفیت آموزش هر چقدر هم بالا باشد، اگر پشتیبانی نداشته باشد، نتیجه کار با کیفیت نخواهد بود.

درباره مدرس دوره آموزش طراحی PCB چند لایه و فرکانس بالا

مراسم تقدیر از کارگروه نمونه استان خراسان رضوی سال ۱۳۹۴ در روز کارگر در کنار مهندس چمنیان (مدیرعامل نیان الکترونیک) و خانم مهندس سیستانی (رییس هیئت مدیره)

من نگار رودکی هستم، کارشناس مهندسی الکترونیک از دانشگاه دولتی سمنان. از فروردین ۱۳۹۰ در شرکت دانش‌بنیان نیان الکترونیک فعالیت حرفه‌ای طراحی PCB را آغاز کردم و پس از ۳ سال، سرپرستی تیم PCB را تا سال ۱۳۹۶ بر عهده داشتم.

از اواخر ۱۳۹۶ با تاسیس گروه مهندسی پی‌سی‌بی لرن، مسیرم را روی طراحی تخصصی بردهای دیجیتال، سوئیچینگ، مهندسی معکوس، و آموزش متمرکز کردم. بعد از برگزاری دوره‌های حضوری و یک دوره آنلاین موفق در ایسمینار، دوره مقدماتی را با ورژن ۲۰۲۰ ضبط کردم. با استقبال فوق‌العاده، در سال ۱۴۰۲ این دوره جامع و پروژه‌محور را بر اساس آخرین نیازهای صنعت و با نرم‌افزار ۲۰۲۳ ارائه دادم. تمام آموزه‌ها حاصل تجربه مستقیم من در خط تولید و مونتاژ است و با زبانی ساده، آنچه را که برای تبدیل شدن به یک طراح حرفه‌ای نیاز دارید، در اختیارتان می‌گذارم.