Baskılı devre kartları tasarlarken, kartın her bir katmanının diğerlerini nasıl etkileyeceğini göz önünde bulundurmanız gerekir. Örneğin, çift taraflı bir kart tasarlıyorsanız, tasarımınızda buna göre ayarlamalar yapabilmek için hangi katmanların birbirinin üstünde veya altında olacağını bilmek önemlidir.
Bu kılavuz, PCB katman diziliminin ne olduğunu, katman dizilimi tasarım kurallarını ve farklı katmanların nihai ürün üzerinde ne tür etkileri olduğunu anlamanıza yardımcı olacaktır.
PCB katman yapısı nedir?
Baskılı devre kartı katman yapısı, bir baskılı devre kartındaki (PCB) farklı malzemelerin katman düzenidir. Tipik bir baskılı devre kartı katman yapısı, bir bakır katmanı, bir yalıtım katmanı, bir toprak düzlemi ve bir sinyal katmanından oluşur. PCB katman yapısı, termal performans, elektromanyetik parazit (EMI) performansı, gerilme ve esneme tepkisi ve sinyal bütünlüğü dahil olmak üzere baskılı devre kartının çeşitli özelliklerini etkiler.
Bakır Katmanlar
Bakır katmanları iç ve dış olmak üzere iki türdür. İç bakır katmanları bileşenleri birbirine bağlamak için kullanılırken, dış bakır katmanları harici cihazlara bağlantı sağlamak için kullanılır. Bakır katmanlarının kalınlığı da önemlidir. Kalınlık, iç katmanlar için 1 oz ve dış katmanlar için 2 oz olmalıdır. Daha ince bakır, devrenin performansını etkileyebilir ve yönlendirilmesi zor olabilir. Daha kalın bakır daha sağlamdır, ancak kartın maliyetini de artırır. Bakır kalınlığı, tasarım gereksinimlerine göre seçilmelidir. Örneğin, bakır kalınlığı en büyük iz genişliğinden en az 0,01 mm daha geniş olmalıdır.
Sinyal Katmanları
Sinyal katmanları, veri ve saat sinyalleri gibi yüksek hızlı dijital sinyalleri taşımak için kullanılır. En yaygın iki sinyal katmanı türü, tek uçlu ve diferansiyel katmanlardır. Tek uçlu katmanlar, tek bir sinyali taşımak için kullanılır. Toprak referansı bulunmadığından, sinyal gürültüye karşı hassastır. Diferansiyel katmanlar, toprak referansı ile birden fazla sinyali taşımak için kullanılır. Bu, en yaygın katman türüdür ve RF devreleri ve yüksek hızlı iletişim için idealdir. Sinyal katmanlarının kalınlığı 0,5 oz veya 1 oz olmalıdır. Katmanın kalınlığı, izlerin genişliği ile belirlenir. İzler, iz genişliğinden en az 0,004 mm daha geniş olmalıdır.
Yalıtım Katmanları
Yalıtım katmanları, bakır katmanlarını birbirinden ayırmak ve elektriksel kısa devreleri önlemek için kullanılır. En yaygın iki yalıtım katmanı türü, FR-4 epoksi ve cam epoksidir. FR-4 epoksi – FR-4 epoksi, PCB'lerde kullanım için mükemmel termal ve mekanik özellikler de dahil olmak üzere üstün özelliklere sahip yüksek kaliteli bir malzemedir. Bu, en yaygın olarak kullanılan yalıtım malzemesidir. Cam epoksi – Cam epoksi, çok yüksek kaliteli bir yalıtım malzemesidir. Genellikle üst düzey kartlarda kullanılır. Cam epoksi, FR-4 epoksiden daha pahalıdır, ancak kritik kartlar için maliyetine değer olabilir. Yalıtım katmanlarının kalınlığı 1,5 mm olmalıdır. Katmanın kalınlığı, izlerin genişliğine göre belirlenir. İzler, iz genişliğinden en az 0,005 mm daha geniş olmalıdır.
Zemin Düzlemi
Bir dijital devrenin toprak düzlemi, devreyi elektromanyetik parazitten korurken aynı zamanda akım için bir dönüş yolu görevi de görür. Toprak düzlemi 0,25 mm kalınlığında olmalıdır. Toprak düzlemi katmanı, iz genişliğinden 0,005 mm daha geniş olmalıdır. Koruma kabiliyeti nedeniyle, sadece bakırdan oluşan bir toprak düzlemi katmanına kıyasla bakır-nikel karışımı tercih edilir; ancak bu karışım daha pahalıdır ve iletkenliği daha düşüktür. Tek kat bakır, iletkenliği daha düşüktür ve korozyona daha yatkındır, ancak daha ucuzdur ve temin edilmesi daha kolaydır.
Önerilen PCB Katman Yapısı
4 katmanlı PCB katman yapısı
Aşağıda önerilen 4 katmanlı baskılı devre kartı katman düzeni, sektördeki deneyimlere ve kapsamlı araştırmalara dayanmaktadır. Bu katman düzeni, birçok farklı PCB türüyle kullanılabilecek kadar geneldir.
Üst bakır katman – Bakır kalınlığı: 1 oz, Lehim maskesi malzemesi: FR-4, Nikel kalınlığı: 1 oz veya 2 oz;
Alt bakır tabakası – Bakır kalınlığı: 1 oz, Lehim maskesi malzemesi: FR-4, Nikel kalınlığı: 1 oz veya 2 oz;
Yalıtım katmanı – 1,5 mm poliimid, Dielektrik dayanımı: 3000 V/mil;
Toprak düzlemi – 0,25 mm bakır, Dielektrik dayanımı: 3000 V/mil.
6 katmanlı PCB katman yapısı
Yüksek yonga yoğunluğu ve yüksek saat frekansı gerektiren tasarımlar için 6 katmanlı kart tasarımı düşünülmelidir. Önerilen 6 katmanlı PCB katman dizilişi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:
Bu katmanlama yöntemi daha iyi sinyal bütünlüğü sağlar; sinyal katmanı toprak katmanına bitişiktir, güç katmanı ile toprak katmanı eşleştirilmiştir, her bir iz katmanının empedansı iyi bir şekilde kontrol edilebilir ve her iki toprak katmanı da manyetik alan çizgilerini etkili bir şekilde emer. Ayrıca, tam bir güç kaynağı ve toprak katmanı düzenlemesi durumunda, her bir sinyal katmanı için daha iyi bir dönüş yolu sağlar.
8 Katmanlı PCB Katman Yapısı
8 katmanlı PCB kartları genellikle yüksek hızlı, yüksek performanslı sistemlerde kullanılır. Bu katmanların bazıları, genellikle bölünmemiş tek parça düzlemler olan güç veya toprak düzlemleri olarak kullanılır. Bu yöntem, EMI miktarını ve etkilerini en aza indirgemede oldukça etkili olan çok katmanlı bir toprak referans düzlemi kullanır.
8 katmanlı yapı şu şekildedir:
Üst katman – Sinyal 1: bileşen yüzeyi, mikroşerit yönlendirme katmanı, iyi yönlendirme katmanı;
2. Katman – Toprak Düzlemi: daha iyi elektromanyetik dalga emme kabiliyeti;
3. Katman – Sinyal 2: Şerit hat yönlendirme katmanı, iyi yönlendirme katmanı;
4. Katman – Güç Katmanı: alt katmanlarla birlikte mükemmel elektromanyetik emilim sağlar;
5. Katman – Toprak Düzlemi;
6. Katman – Sinyal 3: Şerit hat yönlendirme katmanı, iyi yönlendirme katmanı;
7. Katman – Toprak Düzlemi: daha iyi elektromanyetik dalga emme kabiliyeti;
8. Katman – Sinyal 4: mikroşerit yönlendirme katmanı, iyi bir yönlendirme katmanı.
PCB Katman Dizimi Tasarım Kuralları
PCB katman dizilimi tasarımı, devre işlevselliği, sinyal bütünlüğü, EMI, EMC ve üretim maliyeti gibi gerekliliklerle ilgilidir. Bu doğrultuda, referans olması amacıyla bu tasarım kurallarını özetledik.
1. Çift sayılı katman yapısının kullanılması
Geçmişteki devre tasarım deneyimlerimiz, katman dizilim tasarımının neredeyse her zaman tek sayılı değil, çift sayılı bir katman yapısı olduğunu göstermektedir.
- Maliyet Tasarrufu
Tek sayılı katmanlı PCB'lerin üretim maliyeti, çift sayılı katmanlı PCB'lere kıyasla önemli ölçüde daha yüksektir. Bunun nedeni, tek sayılı devre kartlarında çekirdek katman yapısı sürecinin temelinde lamine bir çekirdek katmanının eklenmesi gerekmesidir.
- Devre kartının bükülmesini önleyin
Olağandışı bir laminasyon gerilimi, kartın bükülmesine neden olabilir. Kart kalınlığı arttıkça bükülme riski de artar. Tek katmanlı devre kartları kolayca bükülürken, çift katmanlı devre kartlarında bükülme önlenebilir.
2. Yolların ve geçiş deliklerinin belirlenmesi
Aynı sinyal katmanındaki kablolama yönleri tutarlı olmalı ve komşu sinyal katmanlarındakilerle dik açılı olmalıdır. Örneğin, bir sinyal katmanındaki kablolama yönü "Y ekseni" yönüne, komşu bir sinyal katmanındaki kablolama yönü ise "X ekseni" yönüne ayarlanabilir.
3. Katman düzeninin seçilmesi
- Mikroşerit teknolojisi kullanılırken katmanların doğru şekilde konumlandırılması önemlidir.
- Yüksek hızlı sinyalleri minimum kalınlıktaki mikroşeritler üzerinde yönlendirin ve güçlü bir bağlantı için sinyal katmanlarını güç katmanlarının yanına yerleştirin.
- Güç ve toprak katmanları mümkün olduğunca yakın aralıklarla yerleştirilmelidir.
- Sinyal katmanlarını ayrı tutmak önemlidir.
4. Kısa sinyal izlerini seçin
Çok katmanlı bir PCB'nin üst ve alt katmanları genellikle bileşenlerin ve az sayıda sinyal yolunun yerleştirilmesi için kullanılır. Bu sinyal yollarının, kendilerinden kaynaklanan doğrudan radyasyonu azaltmak için çok uzun olmaması gerekir.
5. ayırma kondansatörleri
Bir PCB tasarımı yapılırken, doğru güç dağıtımını sağlamak için dekuplaj kondansatörleri kullanmak önemlidir. Dekuplaj kondansatörleri yalnızca üst ve alt katmanlara yerleştirilmelidir. Bu kondansatörlerin verimliliği, büyük ölçüde ilgili izlerin, bağlantı noktalarının ve deliklerin kalitesine bağlıdır. Doğru işlevselliği garanti altına almak için kablolar mümkün olduğunca kısa olmalı ve delikler birbirine mümkün olduğunca yakın olmalıdır.
PCB Katman Yapısı için Malzeme Seçenekleri ve Kalınlık
Yukarıdaki giriş bölümünde de belirtildiği gibi, bir PCB katman yapısını oluşturan üç ana bileşen olduğunu biliyoruz: bakır, yalıtım ve toprak düzlemi. Her katman için malzeme ve kalınlık seçimi, nihai ürünün performans özelliklerini etkiler.
Bakır katmanları – Piyasada birçok farklı bakır türü bulunmaktadır. Her türün erime sıcaklığı, elektrik iletkenliği ve ısıl genleşme katsayısı farklıdır. Bakır seçimi genellikle tasarım gereksinimlerine göre belirlenir.
Bakır katmanları ne kadar kalın olursa, genel tasarımın o kadar sağlam olacağını daima unutmayın. Ancak daha kalın bakır katmanları, kartın maliyetini artıracaktır.
Yalıtım katmanları – En yaygın PCB yalıtım malzemeleri FR-4 epoksi, cam epoksi ve parilen kaplı malzemelerdir. Her bir türün seçimi, uygulama ortamına göre belirlenir.
EMI ekranlaması ve kartın dayanıklılığını artırmak için yalıtım tabakası mümkün olduğunca kalın olmalıdır. Ancak, çok kalın olması durumunda izlerin ve viyaların kalitesini etkileyebilir.
Toprak düzlemi katmanları – En yaygın toprak düzlemi türleri bakır ve nikel'dir. Her bir türün seçimi, tasarım gereksinimleri ve lehim maskesinin türüne göre belirlenir.
Toprak düzleminin kalınlığı 0,1 mm ile 0,25 mm arasında olmalıdır. Daha kalın bir toprak düzlemi daha iyi çalışır, ancak kartın boyutunu da artırır.
Sonuç
Bu blog yazısında, PCB'ler söz konusu olduğunda "PCB katman dizilimi" teriminin ne anlama geldiğini öğrendiniz. Ayrıca PCB katman dizilimi tasarımlarını ve bunların projeniz için neden önemli olduğunu da ele aldık. Elektronik tasarımla ilgili herhangi bir sorunuz olursa, bize ulaşmaktan çekinmeyin.
