Введение: скрытые причины отказов прототипов
Схема проверена, разводка завершена, DRC-проверка пройдена — но прототип не работает. Такая ситуация знакома многим инженерам. Часто причина кроется не в ошибках трассировки, а в неучтённых особенностях структуры платы. PCB Stack-Up, оставленный на усмотрение производителя или выбранный без анализа, становится источником проблем, невидимых на этапе проектирования.
Несоответствие расчётного и реального PCB Stack-Up
Производитель изменил структуру
При заказе прототипа без явного указания Stack-Up фабрика выбирает конфигурацию из доступных материалов. Толщина диэлектрика может отличаться от предполагаемой проектировщиком на 20–30%. Это приводит к отклонению импеданса трасс от расчётных значений. Высокоскоростные интерфейсы перестают работать стабильно.
Замена материалов без уведомления
Производители нередко заменяют указанный диэлектрик на аналог с другими параметрами Dk и Df. Даже при сохранении толщины слоёв характеристики линий передачи изменяются. Для критичных применений необходимо явно фиксировать тип материала в спецификации PCB Stack-Up и требовать согласования замен.
Ошибки контроля импеданса в Stack-Up
Неверный расчёт ширины трасс
Расчёт импеданса выполняется для конкретной конфигурации Stack-Up. Если реальная толщина диэлектрика между сигнальным слоем и опорной плоскостью отличается от заложенной, ширина трассы оказывается некорректной. Результат — рассогласование линий и отражения сигналов на высоких частотах.
Игнорирование допусков производства
Толщина препрега после прессования имеет допуск ±10–15%. При проектировании PCB Stack-Up эти допуски должны учитываться в расчёте импеданса. Проектирование «впритык» к номинальным значениям гарантирует проблемы на части тиража.
Проблемы с опорными плоскостями
Разрывы в плоскостях GND
Разрыв сплошной плоскости под высокоскоростной трассой — частая причина отказов. На схеме всё подключено к общей земле, но в реальном PCB Stack-Up возвратный ток вынужден обходить щель. Индуктивность петли возрастает, появляются выбросы и звон на фронтах сигналов.
Неправильное назначение слоёв
Размещение двух сигнальных слоёв рядом без разделяющей плоскости усиливает перекрёстные помехи. Stack-Up вида SIG-SIG-GND-PWR создаёт условия для ёмкостной и индуктивной связи между трассами. Корректная структура предполагает чередование сигнальных слоёв с опорными плоскостями.
Термические и механические факторы Stack-Up
Коробление платы после пайки
Асимметричный PCB Stack-Up приводит к деформации платы при нагреве. Неравномерное распределение меди по слоям вызывает изгиб, нарушающий контакт BGA-компонентов. Симметрия структуры относительно центральной оси — обязательное требование для надёжной сборки.
Расслоение при термоциклах
Несовместимость коэффициентов теплового расширения соседних слоёв вызывает расслоение. Это особенно критично для смешанных Stack-Up с разными типами диэлектриков. Выбор материалов с согласованным CTE снижает риск механических отказов.
Влияние переходных отверстий на целостность сигнала
Паразитные параметры виасов
Переходное отверстие вносит индуктивность и ёмкость в сигнальный тракт. В глубоком PCB Stack-Up с большим числом слоёв stub-часть виаса создаёт резонансы на определённых частотах. Для интерфейсов выше 5 Гбит/с требуется back-drilling или использование глухих виасов.
Отсутствие сшивающих переходов
При смене опорной плоскости возвратный ток должен перейти на новый слой. Без сшивающего виаса рядом с сигнальным переходом образуется разрыв пути тока. Это увеличивает излучаемые помехи и ухудшает качество сигнала.
Как избежать типичных ошибок
Фиксация Stack-Up в документации
Спецификация PCB Stack-Up должна быть частью производственной документации наравне с Gerber-файлами. Указывайте тип материала, толщины слоёв, требования к импедансу и допуски. Это исключает произвольные решения со стороны фабрики.
Верификация перед запуском
Запрашивайте у производителя расчёт импеданса для фактического Stack-Up до изготовления платы. Сравнение с проектными значениями позволяет выявить расхождения заранее. Корректировка ширины трасс на этом этапе дешевле переделки прототипа.
Заключение
Визуально корректный дизайн не гарантирует работоспособности прототипа. Структура PCB Stack-Up определяет электрические и механические свойства платы, невидимые в схеме и разводке. Контроль конфигурации слоёв, явная спецификация материалов и учёт производственных допусков — необходимые условия для успешного запуска с первой итерации.