בעת תכנון לוח מודפס, משטח ההארקה (Ground Plane) הוא אחת השכבות החשובות ביותר.
למרות שהוא נראה פשוט, האופן שבו מתכננים ומחברים את משטח ההארקה קובע אם הלוח יעבוד יציב — או יסבול מרעש, אובדן אות או בעיות EMI.
במדריך זה נסביר מה עושה משטח ההארקה, מדוע הוא חשוב למסלול החזרה, ל-EMI ולשלמות האות, וכיצד לתכנן אותו נכון ללוחות דיגיטליים ול-RF.
מהו משטח הארקה ולמה הוא חשוב?
משטח הארקה הוא אזור נחושת רחב המשמש כייחוס חשמלי משותף לכל האותות וההזנות.
הוא מספק מסלול חזרה נמוך עכבה, מפחית רעש אלקטרומגנטי ומפזר חום על פני הלוח.
- בלוחות מרובי שכבות הוא בדרך כלל שכבת נחושת ייעודית מתחת או מעל שכבת האות הראשית.
- בלוחות דו־שכבתיים מדובר לרוב ב־יציקת נחושת בצד התחתון המחוברת ל-GND.
יתרונות משטח הארקה מלא:
- שלמות אות טובה יותר
- יציבות הזנה טובה יותר
- ביצועי EMI/EMC משופרים
- קשיחות מכנית ופיזור חום טובים יותר
בלעדיו מסלולי החזרה מתארכים, שטח הלולאה גדל והקרינה עולה.
מסלול חזרה: הכלל הראשון למשטח הארקה טוב
כל אות היוצא חייב לחזור דרך מסלול חזרה — לרוב דרך משטח ההארקה.
בתדרים גבוהים הזרם החוזר בוחר את המסלול בעל העכבה הנמוכה ביותר — ישירות מתחת למסילה, ולא בהכרח את הקצר גאומטרית.
כאשר משטח ההארקה רציף, מסלול החזרה קצר וצפוי.
כאשר יש פער/חריץ/חלוקה מתחת למסילה, הזרם נאלץ לעקוף — שטח הלולאה גדל, מה שמוביל ל־
- אינדוקטיביות לולאה גבוהה,
- זליגה והחזרים,
- עלייה בקרינת EMI.
לפיכך: שמרו על משטח ייחוס רציף, ובהחלפת שכבה של אות הוסיפו ויות תפירה (Stitching Vias) כדי לאפשר לזרם החוזר לעקוב סמוך למסילה.
אל תחלקו את משטח ההארקה (אלא אם חייבים)
חלוקת ה-Ground — לדוגמה בין AGND ל-DGND — היא טעות שכיחה.
מדוע זה מסוכן?
- החלוקה חוסמת את מסלול החזרה והזרם עוקף את הפער.
- העכבה עולה והקיבול ההדדי גדל.
- אותות מהירים מעל חריץ יוצרים EMI חזק ושגיאות תזמון.
מתי זה מקובל?
- בידוד בטיחותי (מתחים גבוהים לעומת נמוכים)
- אזורים אנלוגיים רגישים מאוד בתדר/זרם נמוכים
- אזורי RF או הספק שבהם נדרש בידוד הארקות תכנוני
אם מחלקים – חברו בין ההארקות בנקודה יחידה ומבוקרת (Star Ground/Net-Tie).
לעולם אל תמסלו אות מהיר או שעון מעל חריץ ההפרדה.
מערך שכבות: שימוש נכון במשטחי הארקה
Stack-up חכם הוא בסיס לשלמות אות.
תצורה נפוצה של 4 שכבות:
- עליונה: אותות
- שכבה 2: משטח הארקה
- שכבה 3: משטח הזנה (Power)
- תחתונה: אותות
כך לכל מסילה יש משטח ייחוס קרוב, שטח הלולאה ו-EMI קטנים.
ב-6/8 שכבות מספר משטחי הארקה משפר את מסלולי החזרה ואת האיזון התרמי.
סמיכות בין Power ל-Ground יוצרת קבל לוחות טבעי המיטיב עם אספקת הכוח והדקופלינג.
בלוחות דו־שכבתיים הקדישו צד אחד ברובו ל-GND והימנעו מ“איים” קטנים.
EMI/EMC: תפקיד משטח ההארקה בבקרת רעשים
הארקה טובה היא קו ההגנה הראשון נגד EMI.
כללים מרכזיים:
- שמרו על משטח הארקה רציף מתחת לכל מסילות מהירות.
- הימנעו ממסלול מעל חריצי חלוקה.
- מזערו את שטח הלולאה בין האות למסלול החזרה.
- מקמו קבלי דקופלינג קרוב לרגלי ההזנה של ה-IC כדי לסגור את מסלול ה-HF ישירות לאדמה.
במחברים כמו USB/HDMI/Ethernet הקפידו על ייחוס אדמה מוצק מתחת לממשק; הימנעו מחלונות/חסרים במשטח – הם מגבירים רעש מוד משותף.
הארקת RF-PCB: Microstrip, Stripline ותפירת ויות
בעיצובי RF/מיקרוגל משטח ההארקה קריטי אף יותר.
כל קו תמסורת — Microstrip (שכבה חיצונית) או Stripline (פנימית) — זקוק למשטח ייחוס רציף לשליטה בעכבה ולמזעור קרינה.
- השתמשו ב-Via Stitching / Via Fence לאורך מסילות RF או היקפי אזורים רגישים — “חומה” של ויות מאל־אדמה שמונעת דליפת אנרגיה.
- בחרו חומרים בקפידה: למינציה דלת-הפסד (PTFE, Rogers, או FR-4 היברידי) לשמירת Dk יציב והפסדים נמוכים.
- שמרו על עובי דיאלקטרי קבוע בין מסילת RF למשטח ההארקה כדי לשמור על העכבה.
יציקת נחושת לעומת שכבת הארקה מלאה
כאשר אין אפשרות להקדיש שכבה שלמה ל-GND (כמו בלוחות דו-שכבתיים) ניתן להשתמש ב-Copper Pour ולקשור אותו ל-GND.
טיפים:
- הסירו איי נחושת מבודדים או חברו אותם בויות כדי שלא יתנהגו כאנטנות.
- השתמשו ב-Thermal Relief להלחמה קלה, ובחיבור מלא למסלולי זרם גבוה.
- הימנעו ממילוי רשת/משבצות בשכבות מהירות — נחושת מוצקה טובה יותר.
ל-High-Speed או ללוחות צפופים, שכבת הארקה מלאה עדיפה: עכבה צפויה והצללה טובה.
ויות תפירה וחיבורי הארקה
כאשר מסילה מחליפה שכבה, גם מסלול החזרה חייב לעבור.
הוסיפו ויה לאדמה סמוך לכל ויה אות כדי לספק מסלול חזרה ישיר.
באזורים בתדר גבוה מקמו ויות תפירה כל 5–10 מ״מ לאורך קצוות מילוי האדמה או ליד מסילות מהירות.
למטרות הצללה/RF ניתן לצופף אף יותר — בערך λ/10 של תדר האות.
הימנעו מחורים/רווחים גדולים במשטח האדמה סמוך לויות — הם יוצרים קפיצות עכבה.
כללי פריסת Mixed-Signal ואזורי הספק
בלוחות משולבים (אנלוגי + דיגיטלי) יש להפריד פיזית בין אזורים רועשים לשקטים — לא חשמלית.
- מקבצים מעגלים אנלוגיים, דיגיטליים והספק ל־אזורים נפרדים.
- מקטינים לולאות מיתוג בעלות di/dt גבוה ושומרים אותן קרוב לקבלי הדקופלינג.
- מסלילים אותות אנלוגיים רגישים רק מעל אזור הייחוס האנלוגי.
- משתמשים ב־נקודת חיבור יחידה בין AGND ל-DGND.
בלוחות מרובי שכבות רצוי ששכבות האות יהיו סמוכות לאדמה.
ערימת Power ו-Ground יחד משפרת Power Integrity ומדכאת EMI.
טעויות נפוצות וכיצד לתקן
- כישלון בבדיקת EMI – חריצים/פערים מתחת למסילות → לסגור את משטח האדמה, להוסיף ויות תפירה.
- עיוות אות או Ringing – ייחוס מנותק/לא רציף → לבחור שכבת GND קרובה יותר; לבדוק עכבה.
- זליגה בין מסילות (Crosstalk) – מסלולי חזרה משותפים → להפריד מסילות או להוסיף מסילות/ויות אדמה.
- מדידות אנלוגיות לא יציבות – שיתוף אדמה עם דיגיטל רועש → להפריד אזורית ולחבר בנקודה יחידה.
- קרינת RF בלתי צפויה – אי נחושת “צף” → להסיר או לקשור ל-GND הראשי.
סיכום
משטח ההארקה הוא היסוד של שלמות האות, בקרת EMI ו-יציבות ההזנה.
שמרו עליו רציף, קרוב למסילות ו-מחובר היטב.
הימנעו מחלוקות מיותרות, ותמיד ספקו לזרם החוזר דרך קצרה ובעלת עכבה נמוכה.
בין אם אתם מתכננים אב־טיפוס דיגיטלי או מודול RF, שליטה טובה במשטחי הארקה תביא לפחות הפתעות, לאותות נקיים יותר ולמוצר אמין יותר.
