Pada masa kini,PCB berbilang lapisdigunakan dalam kebanyakan sistem litar berkelajuan tinggi dan banyak sistem litar mempunyai pelbagai kuasa operasi, yang memberikan keperluan ketat terhadap reka bentuk satah imej, terutamanya penyelesaian hubungan antara berbilang satah kuasa/tanah. Selain itu, permukaan pelapisan kuprum khas perlu direka bentuk pada reka bentuk lapisan peranti untuk menghalang pengayun daripada menghasilkan tenaga RF (frekuensi radio) dan menyediakan pelesapan haba yang sangat baik untuk komponen berkuasa tinggi.
Fungsi-fungsi Satah Imej
Bidang imej ialah permukaan bersalut kuprum yang bersebelahan dengan lapisan isyarat dalam papan litar bercetak. Fungsi utama bidang imej termasuk:
1).Mengurangkan hingar aliran semula dan EMI (Gangguan Elektromagnetik). Satah imej menyediakan laluan dengan impedans rendah untuk aliran semula isyarat, terutamanya apabila arus besar mengalir dalam sistem pengagihan kuasa. Selain itu, ia mengurangkan kawasan gelung tertutup yang dibentuk oleh isyarat dan aliran semula supaya EMI berkurangan.
2).Mengawal gangguan silang antara talian isyarat dalam litar digital berkelajuan tinggi. Gangguan silang ditentukan oleh nisbah D/H di mana D merujuk kepada jarak antara sumber gangguan dan objek yang terganggu dan H merujuk kepada ketinggian satah imej antara lapisan isyarat. Nisbah D/H boleh dikawal dengan mengubah nilai H supaya gangguan silang antara talian isyarat akhirnya dapat dikawal.
3).Mengawal impedans. Impedans ciri pendawaian bercetak berkaitan dengan lebar wayar dan ketinggian antara wayar dan satah imej. Jika tiada satah imej, ada kemungkinan impedans tidak dapat dikawal, yang membawa kepada kegagalan pemadanan talian penghantaran dan pantulan isyarat.
Selain itu, satah imej juga mampu mengawal hingar daripada pantulan ke papan luar. Perlu diakui bahawa satah imej sahaja tidak mencukupi untuk pelaksanaan fungsi-fungsi tersebut; peraturan reka bentuk yang ketat mesti dilengkapkan untuk mencapai sasaran yang dijangkakan. Hakikat ini boleh dinyatakan begini: untuk mengawal hingar dalam litar digital berkelajuan tinggi, satah imej adalah penting tetapi ia tidak boleh berfungsi secara bersendirian.
Lompatan Lapisan bagi Aliran Semula Isyarat
Dalam PCB berbilang lapisan, setiap lapisan susun atur hendaklah bersebelahan dengan satu satah imej dan litar balik aliran isyarat pada satah imej yang sepadan. Apabila satu talian isyarat tidak melalui sesuatu lapisan susun atur, kaedah biasa ialah talian isyarat terlebih dahulu disambungkan ke satu lapisan susun atur dan kemudian talian isyarat disambungkan ke lapisan lain melalui lubang tembus. Oleh itu, talian isyarat melompat dari satu lapisan ke lapisan yang lain, begitu juga arus balik yang mengikut laluan yang sama. Apabila kedua-dua lapisan ialah lapisan tanah, arus balik boleh melompat melalui lubang tembus yang menyambungkan dua lapisan atau pin tanah. Apabila satu lapisan ialah lapisan kuasa dan satu lagi ialah lapisan tanah, satu-satunya peluang arus balik untuk melompat antara lapisan ialah pada kedudukan di mana kapasitor nyahganding diletakkan. Jika tiada kapasitor nyahganding atau lubang tembus yang menyambungkan lapisan tanah, arus balik mesti membuat lompatan dengan terpaksa mengikut laluan yang paling jauh, yang menyebabkan arus balik terasing daripada litar lain sehingga mengakibatkan gangguan silang dan EMI.
Akibatnya, dalam prosesReka bentuk PCB, langkau lapisan harus ditetapkan pada pin tanah yang bersebelahan dengan komponen atau sebaik-baiknya di sekeliling kapasitor nyahganding. Apabila ini tidak dapat dicapai, lubang melalui tanah (melangkau antara dua lapisan tanah) atau kapasitor pintasan (melangkau antara satu lapisan kuasa dan satu lapisan tanah) boleh diletakkan pada titik langkau bagi membolehkan arus kembali membuat langkau.
Bidang Pemisah
Dalam proses menggunakan PCB berbilang lapisan, kadangkala perlu untuk menghasilkan satu kawasan tanpa kerajang kuprum dengan lebar tertentu, membahagikan satu satah imej bersepadu kepada beberapa bahagian bebas, yang dipanggil satah terpisah.
Bidang pemisah biasanya digunakan untuk menghalang hingar daripada mengganggu litar sensitif dan mengasingkan voltan rujukan yang berbeza seperti menghalang hingar digital daripada memasuki kawasan analog, audio, I/O serta pengasingan antara voltan kuasa 5V dan 3.3V.
Bidang pemisah boleh diklasifikasikan kepada pemisahan lengkap dan pemisahan tidak lengkap. Yang pertama merujuk kepada pengasingan sepenuhnya antara lapisan kuasa dan lapisan tanah selepas pemisahan. Yang kedua merujuk kepada pengasingan sepenuhnya antara lapisan kuasa manakala lapisan tanah disambungkan oleh "jambatan". Sama ada menggunakan pemisahan lengkap atau tidak lengkap bergantung pada sama ada terdapat sambungan isyarat antara bidang pemisah.
• Contoh satah pemisah
Rajah 1 ialah sebahagian daripada reka bentuk satah imej bagi litar campuran analog dan digital bagi sebuah platform ujian. Input analog video dihantar ke FPGA melalui penukaran AD dan dikeluarkan sebagai penukaran DA. Kedua-dua AD dan DA menggunakan komponen kuasa bebas untuk membekalkan kuasa. Komponen digital mengambil kira sebahagian besar ruang papan manakala komponen analog hanya mengambil sebahagian kecil. Namun begitu, semuanya ialah bahagian penting yang mempengaruhi prestasi keseluruhan sistem. Oleh itu, perhatian yang teliti mesti diberikan dalam proses mengendalikan komponen-komponen tersebut. Adalah ideal jika hingar bahagian digital tidak memasuki bahagian analog. Walau bagaimanapun, beberapa isyarat daripada penukar AD dan DA disambungkan kepada FPGA bahagian digital. Untuk memastikan aliran semula isyarat yang disambungkan ini, kuasa digital dan kuasa analog mesti diasingkan sepenuhnya manakala tanah digital dan tanah analog mesti diasingkan secara tidak lengkap supaya pengaruh bahagian digital terhadap bahagian analog dikurangkan ke tahap minimum.
Semua talian dari bahagian digital ke bahagian analog mesti melalui jambatan yang saiz bukanya hendaklah tepat sesuai untuk laluan wayar-wayar yang diperlukan supaya aliran semula isyarat data dapat kembali melalui jambatan tersebut, sekali gus mengelakkan gangguan kepada isyarat lain akibat laluan balik yang berliku. Dalam reka bentuk PCB ini, tanah (ground) bagi bahagian AD dan DA diasingkan sepenuhnya antara satu sama lain.
• Beberapa masalah dalam proses pemisahan satah
a. Pertindihan lapisan penebatan
Dalam PCB berbilang lapisan, satah pemisah biasanya digunakan untuk mengasingkan bekalan kuasa yang berbeza. Secara amnya, lapisan tanah yang sepadan bagi bekalan kuasa ini diasingkan antara satu sama lain, iaitu setiap bekalan kuasa mempunyai lapisan rujukannya sendiri. Dalam proses reka bentuk PCB, pertindihan lapisan pengasingan mesti dielakkan. Sebagai contoh, dalam kebanyakan PCB berbilang lapisan, lapisan kuasa dan tanah bagi bahagian analog dan bahagian digital diasingkan antara satu sama lain. Lapisan kuasa analog dan lapisan tanah digital tidak boleh bertindih di ruang seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.
Jika lapisan pengasingan bertindih muncul, satu kapasitans pad kecil C1 akan terbentuk di kawasan pertindihan tersebut. Kapasitans ini akan menyebabkan tenaga RF yang dihantar dari satu lapisan ke lapisan lain yang terasing, statik dan bebas menjadi berkurang, sekali gus menjejaskan keberkesanan pengasingan.
b. Penempatan kapasitor nyahganding
Untuk menapis hingar berfrekuensi tinggi yang dijana oleh komponen berkelajuan tinggi, banyak kapasitor nyahganding disusun padaPapan litar bercetak. Jika satah pemisah wujud dalam PCB, dalam proses susun atur mungkin akan berlaku situasi di mana pin tanah bagi kapasitor nyahganding tidak disambungkan dengan lapisan rujukan tanah yang lain sebaliknya hanya dengan lapisan tanah yang sepadan. Kesilapan seperti ini mungkin berlaku dan menyebabkan hingar dinyahganding daripada satu lapisan ke lapisan yang lain, yang serupa dengan pertindihan satah pemisah. Itulah sebabnya masalah ini perlu ditangani pada peringkat reka bentuk. Ambil litar campuran digital-analog sebagai contoh sekali lagi. Kuasa analog dibawa masuk dari bahagian digital melalui manik ferit dan C1 merujuk kepada kapasitans nyahganding bagi bahagian digital. Dalam Rajah 3A, pin kuasa C1 disambungkan dengan kuasa digital manakala pin tanahnya dengan tanah analog, menyebabkan nyahganding hingar digital berfrekuensi tinggi dalam bahagian analog yang sensitif, yang merupakan sambungan yang salah. Rajah 3B ialah sambungan kapasitor nyahganding yang betul.
c. Pembumian titik tunggal
Apabila lapisan rujukan dengan kuasa berbeza disambungkan bersama, pembumian titik tunggal mesti dipastikan. Dalam litar campuran digital-analog yang dicontohkan, papan litar diklasifikasikan kepada bahagian digital dan bahagian analog dan kedua-dua bumi digital serta bumi analog mempunyai sekurang-kurangnya dua titik sambungan supaya isyarat hingar berkemungkinan membentuk peredaran antara dua lapisan rujukan melalui dua titik sambungan tersebut, yang dipanggil "gelung bumi". Gelung bumi akan menyebabkan hingar, EMI, penggunaan tenaga dan kesukaran pelesapan haba. Terdapat satu penyelesaian mudah bagi masalah gelung bumi: selagi hanya ada satu titik sambungan antara lapisan rujukan, gelung tidak dapat terbentuk.
Lapisan Tanah Tempatan
Sebagai sebahagian daripada satah imej, lapisan tanah setempat merujuk kepada lapisan tembaga pada permukaan atas PCB yang disambungkan terus dengan lapisan tanah dalaman. Fungsi utamanya adalah untuk menangkap fluks magnet RF yang dijana oleh bahagian dalam beberapa cip utama (contohnya pengayun) atau digunakan untuk pelesapan kuasa.
Untuk mendapatkan prestasi yang cemerlang, osilator, kristal dan sokongan jam hendaklah dipasang pada lapisan tanah setempat yang bebas. Sebab-sebabnya termasuk:
1).Jika pengayun dibungkus dalam sarung logam, arus RF yang dijana di dalam sarung logam itu mungkin menjadi begitu besar sehingga pin tanahnya gagal menyalurkan arus besar tersebut ke tanah dengan kaedah penggunaan tenaga yang rendah. Akibatnya, sarung logam ini menjadi antena unipolar.
2).Jikapemasangan pelekap permukaanteknik ini digunakan apabila meletakkan osilator pada PCB, masalah yang disebutkan di atas menjadi lebih teruk kerana bahan plastik biasanya digunakan dalam pembungkusan SMT, menghalang arus RF daripada disalurkan ke titik bumi. Akhirnya, arus RF yang dijana di dalam pembungkusan akan dipancarkan ke ruang bebas dan terasing daripada komponen lain.
3).Osilator biasa berupaya memacu penimbal jam yang tergolong dalam komponen berkelajuan sangat tinggi dan kadar tepi yang pantas, menghasilkan sejumlah besar arus RF, yang berkemungkinan menyebabkan kegagalan fungsi arus.
Jika satu lapisan bumi setempat dipasang dalam pengayun dan litar jam, satah imej akan disediakan untuk menangkap tenaga RF yang dijana di dalam pengayun dan litar yang berkaitan supaya sinaran RF dapat dikurangkan.
Peraturan 20-Jam
Sebagai peraturan empirik, peraturan 20-H menerangkan bahawa dalam PCB berbilang lapisan berketumpatan tinggi, bagi mengurangkan tenaga elektromagnet yang dipancarkan ke ruang bebas oleh papan litar, saiz lapisan kuasa hendaklah 20H lebih kecil daripada lapisan tanah, di mana H merujuk kepada jarak antara kedua-dua lapisan tersebut. Dalam Rajah 4, bahagian kiri menunjukkan lapisan kuasa/tanpa sebarang reka bentuk khas di mana sinaran pada bahagian tepi adalah begitu kuat sehingga akan mempengaruhi fungsi litar bersebelahan. Bahagian kanan menunjukkan keadaan sinaran RF dengan mengurangkan saiz permukaan kuasa sebanyak X-H. Dapat dilihat bahawa lapisan tanah menarik banyak garis daya magnet dan tenaga sinaran RF berkurangan. Menurut keputusan eksperimen, daya sinaran RF mula menurun daripada 10-H; dalam keadaan 20-H, tanah mampu menarik 70% aliran magnet; dalam keadaan 100-H, daya magnet mampu berkurang sebanyak 98%.
Secara semula jadi, 20-H tidak sempurna untuk semua orangStruktur PCB. Kecekapan 20-H bergantung pada frekuensi operasi, saiz fizikal lapisan kuasa/tanah dan jarak di antara keduanya, di mana dua elemen terakhir menentukan SRF (frekuensi resonan kendiri) papan PCB. Penyelidikan menunjukkan bahawa apabila PCB beroperasi pada mana-mana SRF, 20-H tidak berfungsi dan tanah juga gagal menarik tenaga radiasi. Lebih buruk lagi, banyak tenaga radiasi akan dihasilkan. Oleh itu, dalam litar berkelajuan tinggi yang praktikal, situasi khusus mesti diambil kira apabila memutuskan sama ada untuk memilih peraturan 20-H atau tidak.
