Layer Stack Up Là Gì?

Giới thiệu về stack up

Khi gia công mạch in, các nhà sản xuất thường yêu cầu bạn cung cấp layer stackup, nhất là đối với sản xuất mạch in nhiều nhiều lớp. Vậy stackup là gì? Cấu tạo của một stackup? Cần bao nhiêu lớp? Sắp xếp thế nào cho hợp lí? Mình cần phải có các thông số gì để setup design rule? …..

Phần này sẽ giúp các bạn giải quyết các vấn đề trên. Dành cho các layouter và các hardware designer.

Stack-up design là gì?

Stack-up design là sắp xếp các layer Signal, Power, GND để đáp ứng các yêu cầu về điện và cơ khí của một thiết kế mạch in cụ thể.

The planning of PCB stack-up configuration là một trong những kía cạnh quan trọng nhất trong việc đạt được hiệu suất tốt nhất có thể của một sản phẩm.

Một stack-up tốt có thể rất hiệu quả trong việc làm giảm bức xạ từ các loop (vòng lặp) trên PCB, cũng giống như nhiều dây chạy song song trên board (common mode emission). Mặt khác, một stackup không tốt có thể làm tăng nhiễu trong cả 2 trường hợp trên.

Về phần SI (Signal Integrity – bảo toàn tín hiệu) và PI (Power Integrity – bảo toàn điện áp) trong thiết kế mạch High Speed thì mình xin hẹn các tới bài sau.

Các thành phần của một stack-up

 Để hiểu rõ hơn về từng thành phần trong một stack-up mời tham khảo thêm trong bài viết về các thuật ngữ sử dụng trong PCB, mình sẽ viết trong thời gian tới.

Các yêu cầu đối với một mạch PCB hiệu suất cao

Cung cấp đủ các lớp tín hiệu để cho phép route hết trace

Cung cấp đủ layer cho nguồn và GND để đảm bảo PDS (Power Delivery System). Trong một số tài liệu thì gọi là PDN ( Power Delivery Network)

Trace widths, spacing and dielectric thickness that meet both impedance and cross talk goals

Vấn đề với các thiết kế truyền thống

Tính toán trở kháng là một vấn đề

Khả năng sản xuất của nhà sản xuất PCB

Hiệu ứng bề mặt với stackup

Hiệu ứng bề mặt là hiện tượng điện tích phần bố ngoài bề mặt của trace.

Hiệu ứng bề mặt là hiện tượng dòng điện chảy trong dây dẫn ở tốc độ cao nơi mà dòng điện chảy gần bề mặt của dây dẫn.

Khi tần số đủ lớn thì dòng điện thâm nhập ít hơn một nửa thickness của trace, làm cho việc trace có dày thêm thì cũng không có tác dụng.

Sự khác nhau giữa Microstrip Line and Strip Line

Đối với các Hardware designer và các Layouter thì có thể không lạ gì đối với các khái niệm này. Ở đây mình xin nhắc lại một chút về khái niệm và phân tích ưu nhược điểm của 2 loại này.

Đầu tiên là về khái niệm của StripLine và MicrostripLine: đây là cách gọi của việc route trace trên các layer của stackup. (StripLine chỉ tồn tại trong một stackup nhiều hơn 2 layer, để dễ hiểu hơn thì các bạn nhìn hình bên dưới là rõ nhất)

Ở đây ta thấy được rằng Microstrip Line sẽ truyền tín hiệu nhanh hơn so với StripLine. (với điều kiện so sánh là cùng hằng số điện môi của lớp dielectric – lớp subtrace – lớp cách điện giữa các layer tín hiệu , và tất nhiên là 2 tín hiệu phải cùng tần số)

Hình ảnh cho thấy một trace với chiều dài 100mm, cùng trace width

Trở kháng khác nhau: Outer / Inner :125/112 Ohm

Với cùng một trace width thì trở kháng (Impedance – khả năng cản trở dòng điện, ở đây bao gồm cả cảm kháng và điện kháng, điện trở – Resistor , và các bạn luôn nhớ giúp mình là mọi phân tích trong chuỗi bài về high speed của mình đều sét tại khoảng thời gian rise và fall time của tín hiệu – mình sẽ giải thích trong một bài nằm trong chuỗi bài về high speed ) của Microstrip Line sẽ lớn hơn so với trở kháng của StripLine

Để điều khiển một trở kháng không đổi thì trace width ở các lớp ngoài phải lớn hơn trace width của các lớp bên trong, các bạn xem chi tiết trong phần tính toán trở kháng ở bên dưới

Và điều khác biệt lớn nhất giữa 2 loại này đó chính là việc StripLine chống nhiễu điện từ EMI (Electro Magnetic Interference) tốt hơn so với MicrostripLine.

Với việc đảm bảo được 2 lớp plane che chắn (shielding plane)

Các yếu tố quan trọng khi sắp xếp các layer trong stackup

1.Một lớp tín hiệu luôn luôn được tiếp giáp với một lớp plane liền kề.

2.Khoảng cách giữa signal layer và lớp plane của nó phải gần nhất có thể.

3.Power and Ground planes nên gần nhau.

4.Tín hiệu tốc độ cao nên được đi vào giữa 2 plane. Bằng cách này thì các plane có thể hoạt động như các lá chắn.

5.Nhiều lớp GND là rất tiện lợi, vì nó sẽ làm giảm impedance của ref plane và làm giảm nhiễu ở chế độ common mode.

Các bạn hãy nhớ số thứ tự của các yếu tố này vì nó sẽ xuyên suốt trong phần các stackup thường dùng.

Trên đây là một số nội dung giới thiệu về stack-up trong thiết kế mạch, đặc biệt là thiết kế mạch nhiều lớp, thiết kế mạch high speed.

Nguồn: pcbviet