دوره طراحی PCB چند لایه و فرکانس بالا

وقتی از طراحی بردهای یک‌لایه و دولایه عبور می‌کنید، مسئله دیگر فقط این نیست که قطعات را روی برد قرار دهید و بین آن‌ها ترک بکشید.
در PCBهای چندلایه و مدارهای فرکانس بالا، تصمیم‌هایی مانند تعداد و ترتیب لایه‌ها، Stack-up، محل Planeهای زمین و تغذیه، مسیر برگشت جریان، نوع Via، فاصله ترک‌ها، متریال PCB و نحوه عبور سیگنال‌ها بین لایه‌ها مستقیماً بر عملکرد برد تأثیر می‌گذارند.
ممکن است مدار روی شماتیک درست باشد و حتی PCB نیز از نظر اتصالات خطایی نداشته باشد، اما انتخاب نامناسب Stack-up یا مسیرکشی می‌تواند مشکلاتی مانند Crosstalk، EMI، افت کیفیت سیگنال و حساسیت بیشتر مدار به نویز ایجاد کند.
دوره پیشرفته طراحی PCB چند لایه و فرکانس بالا برای یادگیری همین مرحله از طراحی PCB ساخته شده است: جایی که باید علاوه بر کار با نرم‌افزار، رفتار الکتریکی برد را نیز در تصمیم‌های طراحی خود وارد کنید.
آموزش دوره در دو بخش پیش می‌رود:

• مفاهیم و اصول طراحی PCB چندلایه و فرکانس بالا
• پیاده‌سازی این مفاهیم در Altium Designer

بنابراین موضوع دوره صرفاً این نیست که چگونه در آلتیوم چند لایه ی جدید بسازید؛ هدف این است که بدانید چه لایه‌هایی نیاز دارید، چگونه آن‌ها را بچینید و تصمیم‌های شما چه اثری بر عملکرد PCB خواهند داشت.

این دوره برای چه کسانی مناسب است؟

این دوره برای کسی طراحی شده که مرحله مقدماتی طراحی PCB را پشت سر گذاشته و اکنون می‌خواهد وارد طراحی بردهای پیچیده‌تر شود. برای مثال اگر:

• PCBهای یک‌لایه و دولایه طراحی کرده‌اید؛
• با شماتیک و PCB Editor در Altium Designer کار کرده‌اید؛
• با Footprint، Via، Design Rule و ترک‌کشی آشنا هستید؛
• با افزایش تراکم مدار دیگر نمی‌توانید همه سیگنال‌ها را به‌سادگی روی دو لایه مدیریت کنید؛
• می‌خواهید طراحی Stack-up را اصولی یاد بگیرید؛
• با مدارهای فرکانس بالا یا سیگنال‌هایی کار می‌کنید که کیفیت مسیرکشی در عملکرد آن‌ها اهمیت دارد؛
• یا می‌خواهید درک دقیق‌تری از نویز، Crosstalk، EMI و مسیر برگشت جریان در PCB پیدا کنید؛

این دوره ادامه طبیعی مسیر یادگیری طراحی PCB برای شماست.

پیش‌نیاز دوره

این دوره از صفر شروع نمی‌شود. پیش‌نیاز آن، تسلط بر Altium Designer و آشنایی عملی با طراحی PCB دولایه است. در طول دوره فرض می‌شود که با روند عادی طراحی شماتیک و PCB آشنا هستید و می‌توانید یک برد دولایه را طراحی کنید.
اگر هنوز در این مرحله قرار ندارید، بهتر است ابتدا دوره آموزش آلتیوم دیزاینر و طراحی PCB حرفه‌ای را بگذرانید. در آن دوره، مسیر طراحی PCB از صفر آموزش داده می‌شود و پس از آن می‌توانید وارد مباحث این دوره شوید.

از PCB دولایه به PCB چندلایه چه چیزی تغییر می‌کند؟

در یک برد دولایه، بیشتر تصمیم‌های مسیرکشی بین Top و Bottom انجام می‌شود. اما با اضافه شدن لایه‌های داخلی، مسئله فقط افزایش فضای ترک‌کشی نیست. باید تصمیم بگیرید:

• کدام لایه برای Signal باشد؟
• کدام لایه به Ground یا Power اختصاص داده شود؟
• سیگنال‌های حساس در کدام لایه قرار بگیرند؟
• مرجع هر سیگنال چه Planeای باشد؟
• فاصله لایه‌ها چقدر باشد؟
• در چه شرایطی باید از Through Via، Blind Via، Buried Via یا Microvia استفاده کرد؟
• مسیر برگشت جریان از کجا عبور می‌کند؟
• دو ترک نزدیک به هم چه اثری بر یکدیگر دارند؟

و حتی قبل از شروع Layout باید بدانید که تعداد لایه‌ها و ساختار برد چه تأثیری بر هزینه و فرایند ساخت خواهد داشت.

این همان نقطه‌ای است که طراحی PCB چندلایه از «داشتن چند لایه بیشتر» به یک مسئله مهندسی تبدیل می‌شود.

ساختار دوره و بخش‌های اصلی آموزش

سرفصل‌ها و جزئیات آموزش طراحی PCB چندلایه
PCB چندلایه از بیش از دو لایه مسی تشکیل می‌شود و امکان توزیع مسیرها، Power و Ground را در لایه‌های مختلف فراهم می‌کند.
افزایش تعداد لایه‌ها می‌تواند به طراح امکان دهد مدارهای متراکم‌تر را در فضای محدودتری پیاده‌سازی کند، برای سیگنال‌ها Plane مرجع مناسبی در نظر بگیرد و مسیرکشی را بهتر مدیریت کند.
اما اضافه کردن لایه به‌تنهایی باعث بهتر شدن PCB نمی‌شود.
اگر ترتیب لایه‌ها، فاصله آن‌ها، تعداد Planeها و مسیر سیگنال‌ها درست انتخاب نشوند، حتی یک برد چندلایه می‌تواند از یک طراحی ساده‌تر، عملکرد بدتری داشته باشد.
به همین دلیل، اولین موضوع مهم دوره این است که چه زمانی PCB چندلایه لازم است و چگونه باید ساختار آن را انتخاب کرد.

انتخاب تعداد لایه‌های PCB

یکی از اولین تصمیم‌ها در طراحی Multilayer PCB، تعداد لایه‌هاست. افزایش تعداد لایه‌ها فضای بیشتری برای سیگنال‌ها و Planeهای Power و Ground فراهم می‌کند، اما هزینه و پیچیدگی ساخت را نیز افزایش می‌دهد.
بنابراین تعداد لایه‌ها نباید صرفاً با این منطق انتخاب شود که «لایه بیشتر بهتر است». در دوره بررسی می‌کنیم که عواملی مانند:

• پیچیدگی و تراکم مدار
• تعداد مسیرها
• نیازهای Power و Ground
• فرکانس کاری
• محدودیت ابعاد PCB
• نیازهای سیگنال
• فناوری ساخت
• و هزینه تولید

چگونه در این تصمیم دخالت می‌کنند.
هدف این است که بتوانید پیش از شروع Layout درباره ساختار برد تصمیم بگیرید، نه اینکه در میانه طراحی برد متوجه شوید تعداد لایه‌های انتخاب‌شده کافی نیست.

طراحی Stack-up

یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های طراحی برد دولایه و چندلایه، نیاز به طراحی Layer Stack-up است.
Stack-up مشخص می‌کند لایه‌های مس و عایق PCB با چه ترتیب و فاصله‌ای روی یکدیگر قرار گرفته‌اند. در یک Stack-up فقط تعداد لایه‌ها مهم نیست. باید مشخص باشد:

• کدام لایه Signal است؛
• کدام لایه Ground است؛
• کدام لایه Power است؛
• لایه‌های سیگنال به کدام Plane مرجع هستند؛
• فاصله بین لایه‌ها چگونه انتخاب شده؛
• و ساختار کلی برد تا چه اندازه متقارن است.

این تصمیم‌ها قبل از ترک‌کشی گرفته می‌شوند، زیرا ساختار Stack-up روی رفتار الکتریکی مسیرها و نحوه حرکت جریان در برد اثر می‌گذارد.

انتخاب متریال PCB

متریال PCB فقط یک بستر مکانیکی برای نگه داشتن قطعات نیست. ویژگی‌های دی‌الکتریک، حرارتی و مکانیکی متریال می‌توانند در عملکرد PCB نقش داشته باشند؛ به‌خصوص زمانی که با فرکانس‌های بالاتر، توان بیشتر یا شرایط حرارتی متفاوت روبه‌رو هستیم.
در این بخش با پارامترهای مهم انتخاب متریال و نقش آن‌ها در طراحی آشنا می‌شوید و بررسی می‌کنیم چرا انتخاب متریال باید بخشی از تصمیم‌گیری Stack-up باشد.

Signal Layer، Ground Plane و Power Plane

در یک PCB چندلایه دیگر تمام لایه‌ها نقش مشابهی ندارند. برخی لایه‌ها برای مسیرکشی سیگنال‌ها استفاده می‌شوند و برخی می‌توانند به Ground یا Power اختصاص داده شوند. نحوه قرار گرفتن این لایه‌ها نسبت به یکدیگر در کیفیت طراحی اهمیت دارد. در دوره بررسی می‌کنیم:

• Signal Layer چیست؛
• Plane چه نقشی دارد؛
• چرا قرارگیری Ground و Power در Stack-up مهم است؛
• سیگنال باید نسبت به چه لایه‌ای مرجع داشته باشد؛
• و چگونه ترتیب نامناسب لایه‌ها می‌تواند مشکلات نویز و تداخل ایجاد کند.

طراحی متقارن Stack-up

در بردهای چندلایه، ساختار مکانیکی PCB نیز باید در نظر گرفته شود. یکی از موضوعاتی که هنگام تعریف Stack-up بررسی می‌کنیم، تقارن لایه‌ها است.
در Altium Designer از Layer Stack Manager برای تعریف ساختار برد، متریال، لایه‌های Signal، Planeها و سایر تنظیمات Stack-up استفاده می‌کنیم و نحوه تعریف یک ساختار متقارن را به‌صورت عملی می‌بینیم.

انواع Via در PCB چندلایه

در PCB دولایه معمولاً با Through Via سروکار دارید؛ Viaای که از Top تا Bottom برد ادامه دارد.
اما در PCBهای چندلایه، بسته به فناوری ساخت و نیاز طراحی، گزینه‌های بیشتری وجود دارد:
Through-hole Via
Blind Via
Buried Via
Microvia
Stacked Via
هرکدام از این Viaها محدودیت و هزینه ساخت متفاوتی دارند. بنابراین انتخاب Via نباید صرفاً بر اساس کوچک‌تر بودن یا پیشرفته‌تر بودن فناوری انجام شود.
در این بخش ابتدا ساختار و کاربرد انواع Via را بررسی می‌کنیم و سپس نحوه تعریف Viaها در Altium Designer را می‌بینیم.

مسیر برگشت جریان در PCB

یکی از مفاهیمی که در طراحی بردهای سریع و فرکانس بالا اهمیت زیادی پیدا می‌کند، Current Return Path است.
در شماتیک، مسیر رفت و برگشت جریان معمولاً ساده به نظر می‌رسد؛ اما در PCB واقعی، هندسه ترک‌ها، Planeها، فاصله لایه‌ها و فرکانس سیگنال روی مسیری که جریان برگشتی طی می‌کند تأثیر می‌گذارند.
اگر فقط مسیر رفت سیگنال را ببینید و مسیر برگشت آن را نادیده بگیرید، بخشی از رفتار واقعی مدار را از تحلیل خود حذف کرده‌اید. در این بخش بررسی می‌کنیم:

• جریان برگشتی چگونه مسیر خود را پیدا می‌کند؛
• چرا رفتار آن با افزایش فرکانس تغییر می‌کند؛
• Plane مرجع چه نقشی دارد؛
• و چرا طراحی مسیر سیگنال بدون توجه به Return Path می‌تواند مشکل‌ساز شود.

رفتار پارازیتی PCB

ترک‌های PCB در عمل فقط اتصال‌های ایده‌آل بین دو نقطه نیستند. هادی‌های مجاور می‌توانند رفتارهای خازنی و سلفی ایجاد کنند و در کنار مقاومت مسیر، رفتار واقعی PCB را شکل دهند.
شناخت این اثرات کمک می‌کند بفهمید چرا در طراحی فرکانس بالا نمی‌توان تنها به اتصال صحیح Netها اکتفا کرد و چرا هندسه مسیر نیز بخشی از طراحی مدار است.

Crosstalk چیست؟

دو ترک برای تأثیر گذاشتن بر یکدیگر لازم نیست مستقیماً به هم متصل باشند. قرار گرفتن مسیرهای سیگنال در فاصله نامناسب می‌تواند باعث کوپلینگ الکترومغناطیسی شود و بخشی از سیگنال یک مسیر روی مسیر مجاور اثر بگذارد. این پدیده Crosstalk نام دارد.
در دوره با دو سازوکار اصلی آن آشنا می‌شوید:
کوپلینگ خازنی
کوپلینگ القایی
همچنین بررسی می‌کنیم که چگونه فاصله ترک‌ها، طول مسیرهای موازی، موقعیت لایه‌ها و ساختار Stack-up می‌تواند میزان Crosstalk را تغییر دهد.

Crosstalk بین لایه‌ها

Crosstalk فقط بین دو ترک کنار هم روی یک لایه اتفاق نمی‌افتد. مسیرهای موازی روی لایه‌های مجاور نیز می‌توانند با یکدیگر کوپل شوند.
به همین دلیل در طراحی Stack-up باید علاوه بر تعداد Signal Layerها، جهت و موقعیت آن‌ها نسبت به یکدیگر و Planeهای مرجع را نیز در نظر گرفت.

روش‌های کاهش Crosstalk

هدف عملی فقط شناخت Crosstalk نیست؛ باید بدانید در Layout چگونه احتمال ایجاد آن را کاهش دهید. در این بخش تکنیک‌های طراحی برای کاهش کوپلینگ ناخواسته بین مسیرها بررسی می‌شوند تا بتوانید هنگام Placement، Routing و طراحی Stack-up تصمیم‌های مناسب‌تری بگیرید.

مثالهای Stack-up از ۴ لایه و بالاتر

برای طراحی Stack-up یک نسخه ثابت وجود ندارد که بتوان برای همه بردها استفاده کرد. به همین دلیل در دوره نمونه‌هایی از ساختار PCBهای چندلایه از ۴ لایه و بالاتر بررسی می‌شوند.
در هر ساختار، موضوعاتی مانند:

• تعداد Signal Layerها
• تعداد Ground و Power Planeها
• ترتیب لایه‌ها
• فاصله بین لایه‌ها
• مرجع سیگنال‌ها
• و مزایا و محدودیت‌های هر چیدمان

مورد بررسی قرار می‌گیرند.
هدف این بخش حفظ کردن Stack-upهای آماده نیست؛ هدف این است که بتوانید منطق پشت یک چیدمان را تحلیل کنید.

پیاده‌سازی طراحی Multilayer در Altium Designer

پس از بررسی مفاهیم، وارد Altium Designer می‌شویم و ساختار PCB چندلایه را در محیط واقعی نرم‌افزار تعریف می‌کنیم.

کار با Layer Stack Manager

Layer Stack Manager یکی از ابزارهای اصلی Altium Designer برای تعریف ساختار فیزیکی برد چندلایه است. در این قسمت با نحوه تعریف و مدیریت مواردی مانند:

• لایه‌های Signal
• Planeها
• ساختار Stack-up
• ترتیب لایه‌ها
• متریال
• فاصله بین لایه‌ها
• و تقارن ساختار برد

آشنا می‌شوید.
هدف فقط معرفی پنجره Layer Stack Manager نیست؛ تنظیمات نرم‌افزار را در ارتباط با مفاهیمی که در بخش تئوری یاد گرفته‌اید بررسی می‌کنیم.

تعریف Viaهای مختلف در Altium Designer

پس از شناخت انواع Via و کاربرد آن‌ها، نحوه تعریف ساختار Viaها در برد چندلایه را در Altium Designer بررسی می‌کنیم.
در این قسمت می‌بینید که چگونه ارتباط عمودی بین لایه‌های مختلف PCB تعریف می‌شود و انتخاب نوع Via چگونه به ساختار Stack-up و فناوری ساخت برد وابسته است.

چرا بخش تئوری و عملی از هم جدا نشده‌اند؟

بعضی مفاهیم طراحی PCB را می‌توان در چند دقیقه در نرم‌افزار اجرا کرد، اما تصمیم درست درباره آن‌ها نیاز به درک فیزیک پشت طراحی دارد. برای مثال تعریف یک Ground Plane در آلتیوم ساده است؛ سؤال مهم‌تر این است که: چرا این Plane را اینجا قرار داده‌ایم؟
یا ایجاد Via چند کلیک بیشتر زمان نمی‌برد؛ اما باید بدانید:
چه نوع Viaای برای این ساختار لازم است و هزینه ساخت آن چه تغییری می‌کند؟
همین موضوع درباره Stack-up، Return Path و Crosstalk نیز وجود دارد.
به همین دلیل این دوره مفاهیم را ابتدا از نظر طراحی بررسی می‌کند و سپس آن‌ها را در Altium Designer پیاده‌سازی می‌کند.

بعد از این دوره چه چیزی باید بهتر شده باشد؟

هدف دوره این نیست که فقط اصطلاحات بیشتری درباره PCB بدانید. پس از طی کردن آموزش‌ها باید بتوانید هنگام شروع یک PCB چندلایه، سؤال‌های درست‌تری بپرسید و تصمیم‌های طراحی را آگاهانه‌تر بگیرید؛ از جمله:

• آیا این مدار واقعاً به PCB چندلایه نیاز دارد؟
• چند لایه برای آن مناسب است؟
• Signal، Ground و Power چگونه بین لایه‌ها توزیع شوند؟
• Stack-up چگونه تعریف شود؟
• مسیر برگشت سیگنال از کجا عبور می‌کند؟
• آیا مسیرکشی فعلی احتمال Crosstalk را افزایش می‌دهد؟
• چه نوع Viaای متناسب با طراحی و فناوری ساخت است؟
• چه چیزهایی باید قبل از شروع Layout با سازنده PCB مشخص شوند؟
• و این ساختار چگونه در Altium Designer پیاده‌سازی شود؟

این تغییر در نوع تصمیم‌گیری، تفاوت اصلی بین طراحی یک PCB دولایه معمولی و ورود به طراحی بردهای چندلایه و فرکانس بالا است.

پشتیبانی دوره

پس از تهیه دوره، اگر هنگام مشاهده آموزش‌ها یا اجرای مباحث روی PCB خودتان با سؤال مرتبط با دوره مواجه شوید، می‌توانید با بخش پشتیبانی در ارتباط باشید.
پشتیبانی دوره از طریق راه‌های ارتباطی اعلام‌شده، از جمله واتساپ و تلگرام، انجام می‌شود.
شماره تماس: 09157731696
پشتیبانی این دوره دائمی است.