اصول طراحی مدارات 4 لایه

برد مدار چاپی یا PCB چهار لایه ،مداراتی هستند که 4 لایه مس که بر روی یکدیگر سوار شده اند و هر کدام از این ترک ها وظیفه تغذیه ، زمین یا سیگنال را بر عهده دارد. مداراتی که 4 لایه طراحی و ساخته میشوند به دلیل یکپارچه بودن لایه سیگنالی ، باعث کاهش نویز و تداخل در محصول و برد مدار چاپی نهایی می شوند. در طراحی مدارات 4 لایه ، لایه ها به ترتیب از بالا به پایین چیده می شوند.

TOP Layer

این لایه ، بالاترین لایه برای طراحی مدارات 4 لایه است و وظیفه انتقال سیگنال ها و اتصالات قطعات الکترونیکی را بر عهده دارد.

گاهی اوقات به این لایه Component Layer  نیز میگوید.

Layer 2

لایه دوم معمولا به عنوان لایه زمین یا GND در طراحی مدارات 4 لایه استفاده میشود و به همین دلیل یک مسیر بازگشت با امپدانس کم برای سیگنال های لایه بالا ایجاد میکند.

Layer 3

لایه سوم معمولا به عنوان لایه تغذیه یا VCC در طراحی مدارات 4 لایه استفاده میشود و وظیفه انتقال تغذیه به نقاط مختلف مدار را بر عهده دارد.

تقسیم کردن لایه تغذیه باعث میشود تا توزیع و جداسازی تغذیه قسمت های مختلف مدارات الکترونیکی به بهترین نحو ممکن انجام شود.

Bottom Layer

این لایه ، پایین ترین لایه در طراحی مدارات 4 لایه است و همانند Top Layer وظیفه انتقال سیگنال ها و اتصالات قطعات الکترونیکی را بر عهده دارد.

اکثر ترک های مربوط به خروجی ها و کاکتور ها در این لایه رسم میشوند.

 

---

4 نوع Stack UP یا نوع چینش برای طراحی مدارات 4 لایه

نوع چینش لایه ها برای طراحی مدارات 4 لایه ، 4 نوع مختلف دارد که با توجه به نیاز طراحی و مدار ، میتوان از انها استفاده کرد.

به نوع چینش و قرار گیری لایه ها برای طراحی مدارات 4 لایه ، Stack Up میگویند.

• سیگنال/زمین/تغذیه/سیگنال (Signal/Ground/Power/Signal) (SGPS)

این نوع چینش یک Stack up  بسیار محبوب و متداول برای طراحی مدارات 4 لایه است که در مدارات مختلف با ترک های سیگنالی زیاد یا مدارات دیجیتالی استفاده میشود.

لایه TOP را برای ترک های سیگنال ها استفاده کنید / لایه دوم را برای زمین مدار استفاده کنید / لایه سوم را برای تغذیه های مدار استفاده کنید / لایه Bottom را برای سیگنال های باقیمانده استفاده کنید.

لایه و صفحه زمین (GND) که در لایه دوم ایجاد کردید ، مثل یک محافظ و جدا کننده بین ترک های سیگنالی لایه TOP و Bottom عمل میکند و لایه سوم هم تغذیه قسمت های مختلف مدار را فراهم میکند.

• سیگنال/تغذیه/زمین/سیگنال (Signal/Power/Ground/Signal) (SPGS)

این نوع چینش لایه ها برای طراحی مدارات 4 لایه هم مثل نوع اول است با این تفاوت که در  لایه های GND و Power جا به جا شده اند.

لایه TOP را برای ترک های سیگنال ها استفاده کنید / لایه دوم را برای تغذیه های مدار استفاده کنید / لایه سوم را برای GND مدار استفاده کنید / لایه Bottom را برای سیگنال های باقیمانده استفاده کنید.

چون در مدارات الکترونیکی اکثر قطعات در لایه TOP استفاده میشوند ، توزیع توان و تغذیه قسمت های مختلف مدار ، در این نوع چینش لایه ها تقریبا بهتر انجام میشود.

• زمین/تغذیه/زمین/سیگنال(Ground/Power/Ground/Signal) (GPGS)

برای طراحی مدارات 4 لایه سرعت بالا و  سیگنال های RF از نوعی چینش استفاده میکنند که لایه های زمین مدار ، لایه تغذیه را در بین خود محصور میکنند و به اصطلاح به این نوع چینش sandwiching the power plane میگویند.

لایه TOP را برای GND مدار استفاده کنید / لایه دوم را برای تغذیه های مدار استفاده کنید / لایه سوم را برای GND مدار استفاده کنید / لایه Bottom را برای ترک های سیگنال ها استفاده کنید.

وجود دو لایه GND باعث میشود تا از نویز کوپلینگ جلوگیری شود و این کار یکپارچگی سیگنال در فرکانس های بالا را بهبود میبخشد.

• سیگنال/زمین/سیگنال/تغذیه(Signal/Ground/Signal/Power) (SGSP)

یکی دیگر از انواع Stack Up در طراحی مدارات 4 لایه فرکانس بالا ، ای نوع چینش است.

لایه TOP را برای ترک های سیگنال ها استفاده کنید / لایه دوم را برای زمین مدار استفاده کنید / لایه سوم را برای سیگنال های باقیمانده استفاده کنید / لایه Bottom را برای تغذیه استفاده کنید.

در این نوع چینش لایه زمین بین دو لایه سیگنالی قرار گرفته و مثل یک محافظ و جدا کننده بین ترک های سیگنالی لایه ها عمل میکند و انتشار امواج الکترومغناطیسی ترک ها و تاثیر آنها بر یکدیگر را کم میکند.

---

ملاحضات طراحی مدارات 4 لایه و چند لایه

• Signal integrity یا یکپارچگی سیگنال

برای جلوگیری از تداخل و کم رنگ شدن نویز الکترومغناطیسی (EMI) در طراحی مدارات 4 لایه ، از ایزوله بودن و محافظت کافی بین ترک های سیگنالی حساس یا با سرعت بالا ، با یکدیگر اطینان حاصل کنید .

به همین منظور میتوانید از یک لایه GND بین لایه های سیگنالی استفاده کنید.

• Power Integrity یا یکپارچگی تغذیه

در طراحی مدارات 4 لایه ، لایه Power باید ولتاژ های مورد نیاز قسمت های مختلف را به بهترین نحو تامین کند.

در صورت نیاز ، لایه تغذیه را به چند بخش تقسیم کنید و حتما از خازن های بای پس استفاده کنید.

• Heat dissipation یا دفع حرارت

در طراحی مدارات 4 لایه به خاطر روی هم قرار گرفتن لایه های مختلف ، دفع حرارت به درستی انجام نمیشود.

برای کمک به به دفع بهتر حرارت ، قسمت ها و لایه هایی که تولید حرارت بیشتری میکنند و قسمت هایی که تولید حرارت کمتری میکنند را در کنار یکدیگر استفاده کنید تا توزیع دما را به خوبی انجام دهید.

• EMI یا نویز(تداخل) های الکترومغناطیسی

در طراحی مدارات 4 لایه ، استفاده از یک لایه GND و یا استفاده از شیلد روی قسمت های پر نویز مدار ، باعث جلوگیری از انتشار نویز های EMI در مدارات حساس میشود.

هرچه لایه GND یکدست تر باشد ، تاثیرات تداخل EMI نیز کمتر میشود ، سعی کنید تا حد امکان از ایجاد شکاف ، برش ، فاصله و… در لایه GND اجتناب کنید.

• Component placement یا نحوه چینش قطعات

در طراحی مدارات 4 لایه ، هنگام تصمیم گیری برای انتخاب چینش لایه ها ، حتما نیاز به قرار دادن اجزا و مسیر یابی ها را هم مدنظر داشته باشید.

ممکن است لازم اشد بعضی ترک های مهم و اساسی را بین لایه ها جا به جا کنید ، هرچه چینش قطعات طوری باشد که این جابجایی ها کمتر باشد ، عمکرد مدار بهتر است.

• Manufacturability یا توانایی تولید کنندگان

ساخت مدارات الکترونیکی با تعداد لایه های کمتر برای تولید کنندگان آسان تر است ، در حد امکان از تعداد لایه کمتر و از وایا های کمتر نیز استفاده کنید . اگر مجبور هستید به طراحی مدارات 4 لایه یا چند لایه ، روی بیاورید.

• Future expandability یا آینده نگری برای توسعه محصول

در صورتی که محصولی تولید میکنید که در آینده حتما باید آن را توسعه دهید و نیاز به تکامل بیشتر دارد ، حتما نیاز های محصول توسعه یافته بعدی را در طراحی مدارات 4 لایه رعایت کنید ، مثل : نیاز به لایه ها و ترک های سیگنالی بیشتر را در نظر بگیرید.

• Cost یا هزینه

هرچه در طراحی مدارات 4 لایه ، تعداد لایه بیشتر شود ، به تبع آن هزینه تولید نیز بیشتر میشود ، تا حد امکان تعداد لایه ها را به حداقل برسانید .( معمولا اکثر مدارات را میتوان در دولایه طراحی کرد)

---

10 نکته مسیریابی و ترک کشی در طراحی مدارات 4 لایه

در ادامه چند روش مناسب برای ترک کشی مدارات الکترونیکی 4 لایه آورده شده است که توجه به این نکات ، باعث بالا رفتن کیفیت مدارات شما خواهد شد.

1. در صورت امکان ، سیگنال ها و قسمت های حیاتی را در لایه های داخلی قرار دهید تا در برابر اختلالات خارجی و کنش های مکانیکی ایمن تر باشند.
2. برای به وجود نیامدن نویز Crosstalk بین ترک های سیگنالی ، سعی کنید از قانون 3W (فاصله ترک دارای سیگنال حساس تا ترک های اطراف به اندازه سه برابر قطر خود ترک حامل سیگنال باشد) استفاده کنید. و یا میتوانید این ترک ها را در دو لایه مختلف رسم کنید و در لایه بین آنها از لایه GND استفاده کنید.
3. قسمت های خالی و بدون ترک در لایه سیگنالی را با ترک GND پر کنید و به لایه GND به کمک Via متصل کنید تا نویز های EMI را به حداقل برسانید.
4. برای انتقال سیگنال ها بین لایه ها از Via استفاده کنید و سعی کنید در طراحی خود تا حد امکان از تعداد Via کمتری استفاده کنید.
5. از مسیریابی ترک های سیگنالی در داخل لایه های GND و Power اجتناب کنید ، این کار باعث ایجاد نویز های کوپلینگ میشود.
6. ترک های حامل جریان بالا مخصوصا نزدیک کانکتور ها را با قطر بیشتری در نظر بگیرید ، اگر قطر ترک کم باشد باعث ایجاد حرارت و نویز بیشتر میشود.
7. در صورت نیاز از Via Stitching در لبه های برد استفاده کنید . این کار باعث ایجاد یک محدوده دور PCB میشود . که به اصطلاح به آن قفس فارادی میگویند.
8. از مسیر یابی ترک های مختلف در نزدیکی شکاف ها ، برش ها و لبه های برد ، اجتناب کنید.
9. برای مسیر یابی بین لایه های داخلی از Buried Via (وایا مدفون) و برای مسیر یابی از لایه های خارجی به لایه های داخلی از Blind Via اسفاده کنید.
10. برای مدارات RF عرض ترک و فواصل را از قبل ارزیابی کنید.

پیروی از یک Stack Up خوب و رعایت نکات مسیریابی و طراحی اصولی ، در برد های 4 لایه باعث میشود تا مداراتی با یکپارچگی سیگنال و توان مناسب داشته باشید.

---

نمونه هایی از نوع کاربرد Stack Up های مختلف در طراحی مدارات 4 لایه

مدارات الکترونیک دیجتال

این نوع مدارات اکثرا ترکیبی از آنالوگ و دیجیتال هستند و در آنها نیاز به مدیریت سیگنال های مختلف و تغذیه های مختلف مدار است.

و معمولا از Stack Up سیگنال/زمین/تغذیه/سیگنال (SGPS) استفاده میشود.

لایه زمین مدار ، لایه های بالا و پایین را از هم جدا میکند و لایه تغذیه هم ، ولتاژ مورد نیاز قسمت های مختلف مدار را تامین میکند.

مدارات RF

برای حفظ یکپارچگی سیگنال در مدارات RF فرکانس بالا ، از Stack Up زمین/تغذیه/زمین/سیگنال (GPGS) استفاده میشود.

لایه های GND در این نوع مدارات ، مثل یک شیلد عمل کرده و از نویز های EMI و Crosstalk جلوگیری میکند.

مدارت با نرخ انتقال داده بسار بالا High DTR

در مداراتی که نرخ انتقال داده در کانال های مختلف در حد چند گیگابیت میباشد ، از Stack Up سیگنال/زمین/سیگنال/تغذیه (SGSP) استفاده میشود.

این نوع آرایش لایه ها باعث میشود تا جداسازی بین سیگنال های آنالوگ و دیجیتال به خوبی انجام شود و تداخل را به حداقل برساند.

---

خلاصه

درطراحی مدارات 4 لایه ، اکثرا لایه اول (TOP Layer) را لایه سیگنال ، لایه دوم را GND مدار ، لایه سوم تغذیه مدار و لایه آخر(Bottom Layer) را برای سیگنال های مدار استفاده میکنند و این نوع Stack Up بیشترین محبوبیت را دارد.

چهار نوع Stack Up مختلف در طراحی مدارات 4 لایه استفاده میشود که به شکل زیر است.

• سیگنال/زمین/تغذیه/سیگنال (Signal/Ground/Power/Signal) (SGPS)
• سیگنال/تغذیه/زمین/سیگنال (Signal/Power/Ground/Signal) (SPGS)
• زمین/تغذیه/زمین/سیگنال(Ground/Power/Ground/Signal) (GPGS)
• سیگنال/زمین/سیگنال/تغذیه(Signal/Ground/Signal/Power) (SGSP)

طوری ترتیب لایه ها را انتخاب کنید و طوری طراحی مدارات 4 لایه را انجام دهید که :

• یکپارچگی سیگنال ها حفظ شود .
• توزیع تغذیه قسمت های مختلف به بهترین نحو انجام شود .
• انتقال حرارت و توزیع حرارت به درستی انجام شود .
• نویز های EMI به خوبی رفع شوند .
• جایگذاری قطعات به بهترین نحو ممکن انجام شود.
• توانایی های تولید کنندگان PCB در نظر گرفته شود .
• هزینه های تولید در نظر گرفته شود.
• مسیر های حیاتی و مهم در صورت امکان به لایه های داخلی منتقل شود.
• با مسیر یابی اصولی از ایجاد نویز های Crosstalk جلوگیری شود.
• GND مدار تا حد امکان تقویت شود.
• جابجایی های مکرر بین لایه ها انجام نشود و از Via بیش از حد استفاده نشود.
• مسیریابی ترک های سیگنالی در لایه های GND و POWER انجام نشود.
• قطر ترک ها اصولی انتخاب شود.
• از مسیر یابی ترک ها نزدیک لبه ، شکاف و… خودداری شود.

---

سوالات متداول در مورد طراحی مدارات 4 لایه

رایج ترین Stack Up برای طراحی مدارات 4 لایه چیست ؟

آرایش و چینش سیگنال/زمین/تغذیه/سیگنال (Signal/Ground/Power/Signal) (SGPS)

چطور بهترین Stack Up را برای طراحی مدارات 4 لایه انتخاب کنم ؟

برای انتخاب نوع چینش لایه ها ، ابتدا باید مدار خود را بشناسید و بدانید که سرعت ، نوع سیگنال ها ، تراکم قطعات ، نویز پذیری و… مدار شما به چه شکل است ، بعد با توجه به توضیحات ، بهترین نوع را انتخاب کنید.

آیا برد های 4 لایه بهتر از برد های 2 لایه هستند؟

بی شک برد های 4 لایه ، خیلی مزیت های بیشتری نسبت به برد های 2 لایه دارند ، مثل : وجود یک لایه GND ، وجود یک لایه Power برای انتقال بهتر قدرت ، تراکم بیشتر قطعات ، ابعاد کوچک تر و…

اما مشکلاتی هم دارند مثل : هزینه ساخت بالاتر ، طراحی دشوار تر ، عیب یابی سخت تر و….

بهترین مواد برای جنس سابستریت و عایق بین لایه ها چیست؟

FR-4 رایج ترین و مقرون به صرفه ترین ماده برای این کار است.

چطور یک PCB چهار لایه طراحی کنم ؟

برای طراحی مدارات 4 لایه ، در ابتدا باید نکات و اصول طراحی آنها را یاد داشته باشید .

برای طراحی این نوع مدارات میتوانید از نرم افزار های مخصوص طراحی PCB استفاده کنید که محبوب ترین و بهترین نرم افزار برای طراحی این نوع مدارات ، نرم افزار Altium Designer است .

---

شرکت مرصا میتواند به شما در زمینه های مختلفی خدمات بدهد از قبیل :

• طراحی و تولید صفر تا صد مدارات الکترونیکی
• مونتاژ SMD و THT دستی و ماشینی
• خدمات تولید PCB
• تامین قطعات
• و….