تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات 10 طبقات للممانعة والمستويات

إنّ بنية الطبقات العشر هي بنية كهربائية وتصنيعية، وليست مجرد قائمة بطبقات نحاسية مفصولة بسماكات اسمية من مادة ما قبل التشريب. فهي تحدد الإشارات ذات المراجع المستمرة، وسعة التوجيه المتاحة، وتوزيع الطاقة، وهندسة المسارات القابلة للتصنيع، وكيفية استجابة اللوحة أثناء عملية الترقق. ولأنّ عشر طبقات نحاسية تُنشئ تسع فجوات عازلة، فإنّ تغييراً طفيفاً ظاهرياً في إحدى هذه الفجوات قد يُغيّر المعاوقة والسماكة الكلية والتناظر.

الأمثلة الواردة أدناه هي نقاط انطلاق للتصميم وليست نماذج نهائية للتصنيع. يجب على المُصنِّع تأكيد التركيبات النهائية للقلب والطبقة المُشَرَّبة مسبقًا، والسماكات المضغوطة، ورقائق النحاس، والأشكال الهندسية المُتحكَّم بها. استخدم هذه الصفحة مع دليل المواد ومواصفات المعاوقة.

اختر بنية الطبقات قبل اختيار سمك العازل

ابدأ بتصنيف التصميم: عدد قنوات التوجيه عالية السرعة، ومستويات الطاقة المطلوبة، وكثافة مخرج BGA، والأقسام الحساسة للإشارات التناظرية أو الترددات الراديوية، وبنية التوصيل المباشر أو HDI، والسماكة النهائية، والقيود الميكانيكية. الهدف ليس زيادة عدد الطبقات المصنفة "إشارة" إلى أقصى حد، بل توفير مرجع قابل للاستخدام لكل مسار حرج، والحفاظ على استمرارية مسارات العودة، وتوفير مساحة كافية لتوزيع الطاقة.

يُعدّ تحديد اتجاه التوجيه قرارًا ثانويًا. فتعيين طبقات "أفقية" و"رأسية" لا يُصلح مشكلة تراكم طبقات الإشارة عالية السرعة المتجاورة التي لا تحتوي على مستوى مرجعي. لذا، يجب أولًا تحديد بنية الحقل ومسار العودة، ثم تخصيص الاتجاهات المفضلة بناءً على الموقع والازدحام.

ثلاثة نماذج أولية مفيدة لتكوين الطبقات العشر

لا تكفي النسبة وحدها لإثبات جودة تصميم الطبقات. فقد يختلف أداء تصميمين "6 إشارات / 4 مستويات" اختلافًا كبيرًا تبعًا لموقع المستويات. إذا كان التصميم يتطلب ست طبقات إشارات، فاحتفظ بالطبقات المتجاورة للمستويات للشبكات الحرجة، وضع الإشارات الأبطأ أو الأقصر أو ذات المسارات المتعامدة على الزوج الأقل ملاءمة.

مثال غني بمستوى مرجعي مكون من 10 طبقات

يُعدّ ترتيب الطبقات التالي نقطة انطلاق مفاهيمية متينة للوحة صلبة ذات أربع طبقات إشارة رئيسية. وهو متناظر كهربائيًا في بيئات الإشارة الحرجة، ويمكن جعله متناظرًا ميكانيكيًا عن طريق عكس تركيبات العازل والنحاس. ولا يُحدد هذا الترتيب سماكات عازلة أو عرض مسارات موحدة.

يُوفر هذا الترتيب مرجعين أرضيين لكل طبقة إشارة داخلية، ويُبقي كل إشارة خارجية مُلاصقة للأرض. ولكل مستوى طاقة مركزي مُقابل أرضي خارجي. يُمكن اختيار المسافة المركزية بين الطبقتين L5 وL6 لتحقيق السماكة الكلية والتوازن الميكانيكي دون أن يُساء فهمها على أنها زوج فصل بين الطاقة والأرض.

يمكن للتصاميم التي تتطلب مسارات توجيه إضافية تحويل مستوى الطاقة إلى إشارة، ولكن يجب توضيح العواقب بوضوح. على سبيل المثال، يؤدي تحويل L6 إلى إشارة إلى إزالة مستوى طاقة واسع وإنشاء طبقة إشارة مجاورة لمستوى طاقة L5 ومستوى أرضي L7. يجب أن تتجنب المسارات الحرجة في هذه الطبقة تقسيمات L5 أو أن تُصمم بحيث تشير بشكل أساسي إلى L7.

إغلاق قابل للضغط، نحاسي، ومقاومة

لا يتساوى سُمك مادة ما قبل التشريب بعد التغليف مع قيمتها قبل المعالجة. يعتمد السُمك بعد الضغط على نوع الزجاج، ومحتوى الراتنج، وكثافة النحاس، والمعالجة، ودورة الضغط، وتدفق الراتنج الموضعي. يجب على المُصنِّع توفير السُمك المتوقع بعد الضغط للتصميم المحدد، مع توضيح التفاوت المسموح به في نموذج المعاوقة.

النحاس الخارجي هو بُعد نهائي

تبدأ الطبقات الخارجية برقائق معدنية أساسية، ثم تُكتسب طبقة من النحاس أثناء عملية طلاء الثقوب والأنماط. يجب أن يستخدم نموذج المعاوقة المُتحكَّم بها المقطع العرضي النهائي للمسار، بما في ذلك شكل الحفر شبه المنحرف. عادةً ما تُحفر الطبقات الداخلية من رقائق معدنية دون نفس عملية نمو طلاء الأنماط، لذا فإن المسار الخارجي والداخلي اللذين يحملان نفس الوزن الاسمي لا يشتركان بالضرورة في نفس الشكل الهندسي.

لا تقم بتحرير عرض التتبع قبل اكتمال عملية التجميع.

يُشكّل رسمٌ يُثبّت قيمة 50 أوم عند عرضٍ مُحدّد، مع السماح للمُورّد بتغيير بنية العازل، تناقضًا. إما أن تُفصح عن التكوين الهندسي الدقيق للطبقات، أو أن تُحدّد قيمة المعاوقة المُستهدفة وتُخوّل المُصنّع بتعديل العرض/المسافة ضمن الحدود المُتفق عليها. أي تغيير يُؤثّر على خلوص التوصيلات أو انحراف الأزواج يجب أن يُعاد إلى العميل للموافقة عليه.

استخدم بيانات المواد الصحيحة

ينبغي أن يستخدم محلل المجال قيمة Dk خاصة بالبنية أو معايرة للعملية، وليس عنوانًا عامًا منسوخًا من ورقة بيانات. يجب أن تتضمن هياكل السطح قناع اللحام عند وجوده. يتطلب تحليل الفقد عالي السرعة أيضًا Df وخشونة النحاس والسلوك المعتمد على التردد؛ فحساب المعاوقة وحده لا يحدد فقد القناة.

سلامة الطاقة، ومسارات العودة، والتداخل الكهرومغناطيسي

يؤدي تقارب المسافة بين الإشارة والمرجع إلى تقليل محاثة الحلقة وانتشار المجال، لكن التحسن الدقيق يعتمد على الهندسة؛ لذا لا ينبغي الإعلان عنه كخفض ثابت بالديسيبل. يمكن لأزواج الألواح المستوية أن توفر سعة موزعة، إلا أن قيمتها تتبع علاقة الألواح المتوازية ومساحة التداخل الفعلية. قد يكون استخدام عازل رقيق بين مصدر الطاقة والأرض مفيدًا، لكنه لا يلغي الفصل المنفصل أو محاثة الغلاف.

حافظ على استمرارية مستويات الإشارة المرجعية عالية السرعة. عند احتواء مستوى الطاقة على عدة جزر، تجنب وضع مسارات حرجة حيث يتعين على تيار العودة الرئيسي عبور حدود إحدى الجزر. إذا كانت طبقة الإشارة بين الطاقة والأرض، فحدد المستوى المرجعي المقصود وتأكد من التحكم في المسار البديل.

يمكن أن تساعد الحواف المقواة في حل بعض مشاكل الترددات اللاسلكية أو تيارات الغلاف، ولكن استخدام مسافة ثابتة موحدة حول كل لوحة رقمية ليس ضروريًا، وقد يؤدي إلى تقليل مسارات التوصيل أو إحداث ثقوب في اللوحة. يجب أن تتوافق مسافة القواطع وإنهاءاتها مع أعلى تردد واستراتيجية الغلاف المستخدمة.

خطط لمسار العودة عند كل انتقال بين الطبقات

يُغيّر مسار الإشارة المجال الكهرومغناطيسي من بنية خط نقل إلى أخرى. عندما تُشير كلتا طبقتي التوجيه إلى مستويات أرضية، يُمكن لمسارات أرضية قريبة أن تربط هذه المستويات وتُقلل من مسار العودة، ولكن يجب أن يتبع عددها وموقعها هندسة الانتقال بدلاً من قاعدة مسافة عامة. عندما يتغير المسار بين طبقات مُرتبطة بموصلات مختلفة، مثل الأرض في طبقة ومستوى طاقة في أخرى، يحتاج تيار العودة إلى مسار نقل مُحدد. قد يستخدم هذا المسار مكثف فصل موضوعًا بشكل مناسب بين الموصلات المرجعية، أو تعيين طبقة مختلف، أو انتقال مُعاد تصميمه يُبقي كلا الجزأين مُرتبطين بالأرض.

لذا، ينبغي أن يحدد الرسم التخطيطي للطبقات المرجع المقصود لكل طبقة يتم التحكم فيها، وليس مجرد تسمية الطبقة بأنها "إشارة". يجب مراجعة حقول التوصيل، والوسادات المضادة، ومسافات التباعد بين المستويات معًا، لأنه لا يزال من الممكن تقويض ترتيب الطبقات السليم كهربائيًا عن طريق انتقال يزيل الكثير من النحاس المرجعي القريب.

التناظر، وتوازن النحاس، ومخاطر الانحناء/الالتواء

لا يقتصر التناظر الميكانيكي على مجرد تسمية المكونات بنفس الأسماء على طول الخط المركزي. بل يجب مراعاة أوزان النحاس الخارجية، وبنية العازل، وتغطية النحاس المتوقعة. قد يحتوي جانب المكون عالي الكثافة على كمية نحاس أكبر بكثير من الجانب المقابل حتى مع تطابق أوزان الرقائق الاسمية؛ وقد يتطلب الأمر تعديلات في التصميم أو موازنة التصميم.

يخضع قبول الانحناء والالتواء لمواصفات المنتج المطبقة واحتياجات التجميع. قد يتطلب تجميع BGA ذي المسافة الدقيقة استواءً أدق من الحد الأقصى المسموح به للوحة العارية. لذا، ينبغي أن يراعي تقييم الطبقات حجم اللوحة، ومخططها، وتوزيع النحاس، والفتحات، ومزيج المواد، وطريقة فصل اللوحات، وليس فقط تناظر الطبقات.

المواد الهجينة، وHDI، والأنواع الصلبة المرنة

بناء هجين منخفض الفقد

يمكن تحديد موضع المواد منخفضة الفقد حول طبقات الإشارة المختارة، ولكن يجب تحديد الترتيب الدقيق للطبقة الأساسية أو طبقة ما قبل التشريب أو طبقة الربط. لا تفرض عتبة عالمية لاختلاف معامل التمدد الحراري وتفترض التوافق. راجع تدفق الراتنج، والالتصاق، والتصلب، والحركة البعدية، وعملية الحفر/إزالة التلطيخ، وموثوقية الثقوب المطلية لزوج المواد الكامل.

تراكم HDI

في لوحة ذات بنية 1+8+1 أو 2+6+2 أو 3+4+3، يصف ترميز الطبقات توزيع الطبقات، وليس مسار التصنيع الكامل بحد ذاته. تضيف كل طبقة من طبقات التجميع عمليات التصوير والتصفيح والحفر بالليزر والطلاء المعدني، وعند الحاجة، التعبئة/التسوية. يجب أن يحدد مخطط الطبقات كل امتداد للثقوب الدقيقة، والثقوب المدفونة، والثقوب النافذة، وترتيب تشكيل الهياكل. يجب أن يشمل عدّ دورات الضغط الطبقة الفرعية المركزية وكل طبقة تجميع متسلسلة، باستخدام المصطلحات المحددة من قبل المورد.

تكديس صلب-مرن

لا يشترط أن تحمل لوحة مرنة صلبة ذات عشر طبقات جميع الطبقات العشر عبر منطقة الانحناء. ففي كثير من الأحيان، تستمر طبقات مرنة مختارة فقط بينما تنتهي طبقات النحاس الأخرى في المنطقة الصلبة. يجب أن يحدد التصميم عدد الطبقات المرنة، ونوع التركيب (لاصق أو بدون لاصق)، والغطاء الواقي، والدعامات، ونوع النحاس، واتجاه الانحناء، والاستخدام (ثابت أو ديناميكي). يُعدّ معيار IPC-2223 معيارًا للتصميم، بينما يتناول معيار IPC-6013 أداء اللوحات المرنة والصلبة المرنة النهائية.

حزمة إصدار Stackup وبوابة DFM

ينبغي أن تخضع عملية تجميع الإنتاج للتحكم في المراجعة وأن تشمل جميع طبقات النحاس العشر، وجميع الفجوات العازلة التسعة، ودرجة المواد وبنيتها، وتسمية اللب/الطبقة المشبعة مسبقًا، والسمك الاسمي وسمك التفاوت، ونوع النحاس وسمكه، وسمك اللوحة النهائية، والهياكل الخاضعة للتحكم، وامتدادات الثقوب وأي ملاحظات تتعلق بالتصفيح التسلسلي.

أكمل هذه المرحلة قبل الموافقة النهائية على التوجيه. إن اتباع إجراءات "التكوين النهائي بعد تقديم ملفات Gerber" يُجبر على إجراء تغييرات غير ضرورية في التصميم، وقد يُبطل محاكاة التوقيت والقنوات. قدّم التصميم من خلال مراجعة DFM مع جدول المعاوقة المُتحكَّم بها وافتراضات التوجيه الأساسية.

أخطاء التراكم الشائعة وعواقبها

وظائف العد غير صحيحة

إن جدول الطبقات الذي يدّعي وجود ست طبقات إشارة ولكنه لا يذكر سوى أربع طبقات إشارة فقط، يُقوّض الأساس المنطقي للتصميم برمته. لذا، يجب حساب وظائف النحاس مباشرةً والتحقق من بيئة الإشارة المرجعية لكل إشارة.

مع إغفال الفجوات العازلة

تتطلب عشر طبقات من النحاس تسع فواصل عازلة. غالبًا ما يغفل الجدول الذي يسرد العازل "أسفل" طبقات محددة فقط الفواصل أو يحسبها مرتين، ولا يمكن التوفيق بينه وبين السماكة النهائية.

استخدام عرض المسار العالمي

لا ينبغي أن تظهر الأبعاد الثابتة 50 أو 100 أوم المنسوخة من تصميم آخر كقواعد جاهزة للتصنيع. يجب إعادة حسابها باستخدام نموذج المادة العازلة المضغوطة والنحاس والمادة الفعلية.

تسمية مستويين للطاقة بزوج فصل

تُعدّ السعة المستوية الموزعة مفيدة بين الموصلات التي تحمل شحنات متعاكسة، وعادةً ما تكون موصلات الطاقة والأرضي. ولا يُعدّ وجود مستويين متجاورين للطاقة على مسارين مختلفين بديلاً عامًا عن زوج الطاقة والأرضي، وقد يُؤدي ذلك إلى حدوث اقتران بين المسارين.

بافتراض أن الملصقات الكهربائية تخلق تناظرًا ميكانيكيًا

يعتمد التشوّه على المادة وسُمكها وتوزيع النحاس. ولا تكفي أسماء الطبقات المتطابقة إذا كان أحد الجانبين يحتوي على نحاس كثيف والآخر على مسارات متفرقة.

قم بمطابقة السماكة النهائية قبل إصدار التصميم.

يُحسب سُمك اللوحة الاسمي بناءً على مجموع فجوات العازل التسعة المضغوطة، وطبقات النحاس العشر، ومساهمة الطلاء، وطريقة القياس المعتمدة لدى المورد. قد يكون الجمع البسيط لقيم النوى والألياف المشبعة مسبقًا غير دقيق، لأن النحاس يُدمج في الراتنج، ويُضاف الطلاء الخارجي بعد عملية الترقق. يجب أن يُظهر التركيب المُعتمد القيمة النهائية المحسوبة من قِبل المورد، بالإضافة إلى التفاوت المسموح به، ثم التأكد من أن متطلبات الموصلات، والتركيب بالضغط، وحواف البطاقات، والعلبة تستخدم نفس التعريف.

يؤثر تفاوت السُمك أيضًا على المعاوقة وهندسة الثقوب الخلفية. قد يتطلب التصميم القريب من حدود نطاق تلامس الموصل أو نافذة العمق المُتحكم بها للثقب تحكمًا أدق في عملية التصنيع مقارنةً باللوحات العادية. إذا اقتُرح استخدام لوحة أرق لتقليل طول الثقوب، فيجب التحقق من الصلابة، وسهولة التجميع، والتشوه، وتوافق الموصل، بدلًا من اعتبار السُمك متغيرًا كهربائيًا فقط.

التحكم في مراجعة التراكم

قم بمراجعة كل تصميم مُعتمد، واربط رسم التصنيع وجدول المعاوقة ونموذج المحاكاة ومجموعة قواعد التخطيط بهذه المراجعة. أي تغيير مُقترح من المورد في القلب أو مادة ما قبل التشريب أو النحاس أو المادة يجب أن يُنشئ تصميمًا مُعدّلًا ويُحدد الأشكال الهندسية المُتحكم بها التي تغيرت. هذا يمنع استبدالًا بسيطًا ظاهريًا في عملية الشراء من إبطال قيود التوجيه دون علم المستخدم.

تأثيرات على مستوى اللوحة

قد يختلف سلوك نفس تصميم اللوحة عند وضعها على لوحة إنتاج مختلفة. فاستخدام النحاس، وتصميم القضبان، ووضع العينات، وتحميل المكابس، وتوجيه عناصر الفصل، كلها عوامل تؤثر على تجانس السماكة والتقوس/الالتواء. لذا، يُنصح بتضمين عملية تجميع اللوحات في مراجعة المقالة الأولى عندما يكون التسطيح، أو التحكم في العمق، أو أخذ عينات المعاوقة أمراً بالغ الأهمية.

هياكل خاصة من النحاس الثقيل، والترددات الراديوية، والحرارة

لا يقتصر تأثير النحاس السميك على سعة التيار فحسب، بل يتطلب أيضًا مساحة حفر أكبر، ويؤثر على الحد الأدنى للمسارات والمسافة، ويزيد من استهلاك الراتنج أثناء عملية الترقق، وقد يُصعّب تحقيق توازن النحاس. قد تحتاج لوحة ذات عشر طبقات، تحتوي على طبقات مختارة ذات قدرة عالية، إلى هياكل مُسبقة التشريب مملوءة بالراتنج، أو نحاس متدرج، أو هياكل ناقل موضعية، بدلًا من استخدام نحاس سميك موحد في كل طبقة. يجب على المورد توفير تصميم هندسي قابل للتنفيذ لسمك النحاس وحجم اللوحة بدقة.

يمكن وضع طبقات الترددات الراديوية على السطح الخارجي أو داخل بنية هجينة، وذلك حسب إمكانية الوصول إلى نقطة الإطلاق، والتدريع، ومعالجة المواد. قد تتطلب هياكل الترددات الراديوية المُتحكَّم بها أرضًا مستوية، وحواجز عبرية، وتجويفًا، أو طلاءً للحواف، وطلاءً خاليًا من النيكل في تطبيقات مُحدَّدة. ينبغي التعامل مع هذه الميزات كتصميم دائرة موزعة مُحدَّد؛ وقد يكون معيار IPC-2228 وإرشادات عملية مُورِّد المواد المُختار ذات صلة. لا ينبغي اختزالها إلى "استخدام رقائق مُخصَّصة منخفضة الفقد على الطبقة L1".

تُفرض قيود على سُمك الطبقات، والطلاء، والتصفيح، وذلك من خلال دمج العملات النحاسية، والحشوات الحرارية، ومشتتات الحرارة المعدنية. يجب تحديد واجهاتها، وعزلها، واستوائها، ومسارها الحراري قبل فكّ التكديس. قد تُؤثر الميزة الحرارية على المعاوقة أو التشوه في الطبقات المجاورة إذا أُضيفت بعد التوجيه. لذا، يُنصح بتنسيق النموذج الحراري، والرسم الميكانيكي، وترتيب الطبقات الكهربائية في تصميم واحد.

لأي تصميم إنشائي خاص، يُرجى طلب رسم مقطعي واستجابة خاصة بعملية التصنيع. لا يعني جدول القدرات العامة ذو العشر طبقات إمكانية دمج جميع خيارات الأسلاك النحاسية السميكة، وأسلاك الترددات اللاسلكية، والأسلاك المرنة، والأسلاك الحرارية المدمجة دون الحصول على موافقة المشروع.

التحكم في تغييرات التكوين بعد بدء التخطيط

بمجرد ربط قواعد التوجيه، وأهداف التأخير، ونماذج القنوات بتكوين معتمد، يصبح أي تغيير في المواد أو البنية تغييرًا هندسيًا وليس مجرد استبدال للمكونات. ويمكن أن تؤثر التغييرات في بنية اللب أو مادة ما قبل التشريب، ومحتوى الراتنج، ورقائق النحاس، والنحاس النهائي، وقناع اللحام، وامتداد الثقوب، أو تسلسل الترقق، على أكثر من قيد تصميمي في الوقت نفسه.

عندما تتطلب عملية الشراء تغيير سُمك العازل، يجب إعادة إجراء كلٍ من الفحوصات الكهربائية والميكانيكية. تغيير طبقة واحدة من مادة ما قبل التشريب قد يؤثر على عرض المسار، والمسافة بين أزواج الطبقات، وتأخير الانتشار، والسُمك الكلي، وتوازن الراتنج. يجب أن يُحدد الرسم المُعدَّل التركيب الجديد بدلاً من الاحتفاظ برقم المراجعة القديم. يُعد هذا الإجراء بالغ الأهمية عند إعادة استخدام نفس التركيب في عدة منتجات أو مواقع تصنيع.

قائمة التحقق من الموافقة النهائية على Stackup

تكون بنية الطبقات جاهزة للإصدار عند اكتمال التوافق بين البنية الكهربائية وبنية المواد القابلة للتصنيع. يجب أن تتضمن حزمة الموافقة النهائية جميع طبقات النحاس العشر وجميع فجوات العزل الكهربائي التسع، وتحديد المستوى المرجعي لكل طبقة إشارة مُتحكَّم بها، وإتمام حساب السُمك النهائي باستخدام قيم العزل الكهربائي المضغوطة (وليس القيم الموجودة في الكتالوج).

• تأكيد وظائف الطبقات، واستمرارية المرجع، وتقسيم مستوى الطاقة.
• موازنة البنية العازلة، وتوزيع النحاس، واستخدام مواد خاصة حول المركز الميكانيكي حيثما كان ذلك عمليًا.
• حدد الخيارات الدقيقة للقلب، والطبقة المسبقة التشريب، ومحتوى الراتنج، ورقائق النحاس المستخدمة في نماذج المعاوقة والفقد.
• قم بحل مشكلة الطبقات الفرعية HDI، والوصلات المدفونة، والانتقالات المرنة، وروابط المواد الهجينة قبل الترقيم النهائي.
• يرجى إعادة عرض الإنتاج، وفجوات الأزواج، والسماكة النهائية للموافقة عليها.
• قم بقفل مراجعة المكدس قبل الانتهاء من قيود التوجيه وقواعد مطابقة التأخير.

يُعدّ الرسم التخطيطي المفيد بمثابة حدود نموذج كهربائي وتعليمات تصنيع في آنٍ واحد. إذا لم يُوضّح مسار العودة، والسماكة الإجمالية، وبنية النحاس، وتسلسل الترقق، فهو غير جاهز للنشر.