10vrstvá vysokorychlostní konstrukce desek plošných spojů pro DDR5 a PCIe

Desetivrstvá deska může podporovat náročné digitální propojení, ale samotný počet vrstev nestanoví shodu s požadavky. Výsledek závisí na celém kanálu: pouzdro vysílače, rozbočovač, propojky, směrované přenosové vedení, rozhraní konektoru nebo kabelu, pouzdro přijímače a ekvalizace. Deska s prémiovým laminátem může stále selhat kvůli rezonančnímu pahýlu propojky nebo přerušené zpětné cestě; kratší kanál na ekonomičtějším materiálu může projít, pokud jsou přechody dobře navrženy.

Tato stránka je uspořádána kolem inženýrství kanálů. Odděluje fakta o veřejném protokolu od limitů specifických pro daný tvarový faktor, ukazuje, jak alokovat ztráty a diskontinuitu, a definuje důkazy, které může poskytnout výrobce. Detailní geometrie patří do specifikace řízení impedance , zatímco provedení rozvržení patří do průvodce směrováním.

Začněte s kanálem, ne s protokolem

„Schopný PCIe Gen6“, „materiál 112G“ a „PCB 800G“ jsou neúplné popisy. Protokol se může vyskytovat v několika provedeních s různými konektory, dosahy a maskami kanálů. Stejná datová rychlost může být směrována po krátkém propojení mezi čipy, propojení mezi základní deskou a rozšiřující kartou nebo po propojovací desce s velmi odlišným rozdělením ztrát.

Dodavatel by neměl slibovat podporu rozhraní pouze na základě názvu materiálu a počtu vrstev. Zodpovědná reakce je podmíněná: navrhovaná konstrukce může být naceněna a realizována poté, co jsou požadavky zákazníka na ztráty, impedanci a přechody porovnány s vydaným stackupem.

Co vám rychlost přenosu dat říká a co neříká

Rychlost přenosu dat stanoví výchozí bod pro spektrální analýzu, ale modulace je důležitá. PCI Express 5.0 pracuje s rychlostí 32 GT/s při použití NRZ, což dává Nyquistovu frekvenci 16 GHz. PCI Express 6.0 pracuje s rychlostí 64 GT/s při použití PAM4 a zachovává si Nyquistovu frekvenci 16 GHz, přičemž přidává operace FEC a FLIT. PCI Express 7.0 verze 1.0 byla vydána v roce 2025 s rychlostí 128 GT/s při použití PAM4, což posouvá Nyquistovu frekvenci na 32 GHz. Tato veřejně dostupná fakta sama o sobě nedefinují rozpočet na ztráty na desce; ano, příslušná specifikace tvarového faktoru.

Nyquistova frekvence není nejvyšší frekvence, na které záleží. Doba náběhu, jitter, ekvalizace a nespojitosti vytvářejí citlivost nad Nyquistovu frekvenci. Zároveň použití libovolně vysoké frekvence pro každý výpočet může desku příliš omezit. Použijte šířku pásma a masky v příslušné metodě shody.

Vytvořte rozpočet pro vložené ztráty a diskontinuitu

Rozpočet kanálu by měl zohledňovat každou fyzickou sekci mezi referenčními rovinami shody. Například veřejně dostupné materiály PCI-SIG ukazují celkový rozpočet vloženého útlumu kanálu 36 dB při 16 GHz pro kanál PCIe 5.0 CEM. Toto číslo patří k tomuto definovanému kanálu a nemělo by být zobecněno na každou topologii 32 GT/s. Návrhář desky musí před rozhodnutím o dostupném útlumu trasy odečíst alokace pouzdra, konektoru, přídavné karty nebo základní desky, které se vztahují k implementaci.

Ztráta není konstanta v dB na palec

Útlum stopy se mění s frekvencí, šířkou vedení, tloušťkou dielektrika, profilem mědi, konstrukcí skla a s tím, zda je trasa mikropásková nebo pásková. Datový list Df nelze převést na univerzální dosah. Ztráty v konektoru a propojení jsou také frekvenčně závislé a rezonance pahýlu může vytvořit úzký hluboký zářez, který je škodlivější než hladký průměrný útlum.

Ztráta odrazu a přeslechy také spotřebovávají rezervu

Spoj může dosáhnout určitého čísla vložného útlumu a přesto selhat, protože nespojitosti impedance, konverze módu, přeslechy na blízkém nebo vzdáleném konci nebo šum napájecího zdroje zavírají oko. Hodnocení sériového spoje by proto mělo používat metriky požadované protokolem – jako je provozní rezerva kanálu, COM, statistické oko nebo model spoje specifický pro dodavatele – spíše než pouze tabulku ztrát trasy.

Vyberte materiál, měď a geometrii společně

Výběr materiálu by měl být založen na extrahovaném kanálu, nikoli na tabulce protokolu. Dielektrický systém, drsnost mědi a geometrie vrstvy fungují společně. Širší linie na tenkém dielektriku může snížit ztráty vodiče, ale spotřebuje prostor pro trasování; materiál s nižší hodnotou Dk může změnit šířku potřebnou pro stejnou impedanci; velmi hladká fólie může snížit ztráty, ale vyžaduje kvalifikovaný proces lepení.

Hybridní konstrukce umisťují nízkoztrátový systém kolem vrstev nesoucích nejcitlivější kanály, zatímco jinde používají kvalifikovaný konvenční materiál. Mohou být cenově výhodné, ale je nutné uvolnit přesný pár materiálů, spojovací vrstvu a lisovací cyklus. Průvodce výběrem materiálů vysvětluje, proč nelze rodiny nízkoztrátových laminátů MEGTRON, I-Tera, Tachyon a speciální řady nízkoztrátových laminátů považovat za automatické ekvivalenty.

Nepřiřazujte generace protokolů k názvům laminátů

Prohlášení jako „MEGTRON 6 podporuje osm palců PCIe Gen5“ nebo „Tachyon je vyžadován pro 112G“ opomíjejí příliš mnoho proměnných, aby byla spolehlivá. Krátká trasa 112G se může uzavírat na několika systémech s nízkými ztrátami; dlouhá trasa s více konektory může vyžadovat konstrukci s nižšími ztrátami nebo jinou architekturu systému. Správným výstupem je simulovaná rezerva pro skutečnou trasu a výrobní model.

Skleněná vazba a zkosení

Při 112G a vyšších hodnotách se může lokální odchylka zpoždění v důsledku propojení skelných vláken stát srovnatelnou s vnitropárovým rozpočtem zkosení. Rozptýlené sklo, úhel směrování, šířka trasy a umístění párů by měly být zvoleny s ohledem na skutečnou konstrukci. Výkres desky by měl identifikovat jakékoli omezené styly skla nebo zmírnění zkosení použité v rozvržení.

Prostřednictvím přechodů, zpětného vrtání a prolamování

Průchozí propojení zahrnuje kapacitu kontaktní plošky, indukčnost válce a nevyužitou část válce pod nebo nad signálovým připojením. Tato nevyužitá část se chová jako pahýl. Její rezonance závisí na elektrické délce a dielektrickém prostředí, takže fixní tabulka „maximálního pahýlu podle protokolu“ je pouze plánovací heuristikou. Přijatelný reziduum musí vycházet z modelu kanálu a schopnosti dodavatele řídit hloubku.

Zpětné vrtání

Zpětné vrtání odstraňuje nepoužitý pokovený válec pomocí sekundárního vrtáku s řízenou hloubkou. Konstrukce musí definovat vrtanou stranu, cílovou vrstvu, nominální zbývající pahýl, povolenou toleranci hloubky, nadměrný vrták, vymezení vzdálenosti od sousedních prvků a metodu ověření. V závislosti na plánu kvality lze použít rentgenové snímky, procesní vzorky, mikrořezy nebo záznamy o hloubce stroje. „Ověření každé desky rentgenem“ by nemělo být slíbeno, pokud objednávka výslovně nevyžaduje a nenabízí toto vzorkování.

Slepé průchody a HDI

Slepé mikrootvory mohou zkrátit přechody a zlepšit hustotu průchodů, ale vrstvené struktury zavádějí aspekty spolehlivosti rozhraní. Typ otvoru se volí na základě úniku BGA, dosahu vrstev, směrování a kvalifikace – nejen na základě rychlosti přenosu dat. Konvenční průchozí otvor s dobře navrženým antipadem a zadním vrtáním může překonat špatně kvalifikovaný vrstvený mikrootvor.

Referenční přechody

Když signál změní vrstvu, jeho návratový proud potřebuje blízkou cestu mezi starou a novou referenční rovinou. Pokud jsou obě reference uzemněny, může tuto cestu poskytnout propojení průchodů. Pokud se reference mění mezi napájením a zemí, může být nutná správně umístěná oddělovací cesta. Rozteč je určena geometrií přechodu a frekvencí; univerzální pravidlo 50 mil nenahrazuje analýzu.

Obrázek 3. Přehled 10vrstvého vysokorychlostního plošného spoje a kanálů.

Ověření před výrobou a po výrobě

Před výrobou

Prefabrikační kontrola by měla potvrdit uspořádání vrstev, materiálové konstrukce, impedanční třídy, model mědi, kritické přechody propojení, definici zpětného vrtání a plán výběru parametrů. U nejrychlejších spojů porovnejte extrakci po rozvržení s modelem shody a zahrňte spíše výrobní rohy než pouze nominální geometrii.

Po výrobě

Standardní záznamy o holých deskách mohou na objednání zahrnovat výsledky elektrických zkoušek a řízené impedance. Vysokorychlostní programy mohou navíc vyžadovat kupóny na měření vložného útlumu, měření zpětného vrtání, mikrořezy, certifikáty materiálů nebo data S-parametrů prvního výrobku. Požadovaný balíček dokumentace by měl být dohodnut před cenovou nabídkou; není realistické tvrdit, že každá pokročilá zpráva je dodávána s každou deskou.

Standard IPC-TM-650 zahrnuje metody pro testování charakteristické impedance a ztráty signálu, ale zákazník musí stále definovat reprezentativní kupón, mez přijetí, vzorkování a uspořádání šarže. U produktu, u kterého je shoda s předpisy kritická, korelujte data kupónu s extrahovaným modelem trasy, spíše než abyste kupón považovali za samostatnou certifikaci.

Informace potřebné pro cenovou nabídku na vysokorychlostní výrobu

Rychlá cenová nabídka může být vypracována pouze tehdy, je-li technický balíček kompletní. Dodejte nativní výrobní data, soubory pro vrtání a trasování, seznam sítí, vydané stackup nebo omezení stackupu, tabulku impedance, pravidla pro schvalování materiálů, požadavky na měď, výkresy pro zadní vrtání, definice řízené hloubky, povrchovou úpravu, třídu desky, množství a požadované zprávy.

U návrhů citlivých na kanály uveďte také specifikaci rozhraní/tvarového faktoru, přiřazení kritických vrstev, maximální cílové hodnoty ztrát trasy nebo extrahovaných dat, jakékoli zakázané materiály nebo styly skla a zda může výrobce upravovat řízenou geometrii. Identifikujte prvky, které vyžadují schválení zákazníkem před změnami CAM.

Výrobní postup a záznamy jsou popsány v návodu k výrobě 10 vrstev . Náklady by měly být vypočítávány na základě celkové konstrukce, nikoli na základě fixního „příplatku za vysokorychlostní provoz“.

Žádost o recenzi vysokorychlostní 10vrstvé desky plošných spojů

Výroba a provoz modelů

Výsledek nominálního kanálu nestačí pro uvedení do výroby. Extrahovaný model by měl zahrnovat realistické parametry s vysokými a nízkými ztrátami: dielektrickou tloušťku, Dk/Df, šířku leptání, drsnost mědi, registraci otvorů a zbytky po zpětném vrtání. Teplota může také ovlivnit dielektrické chování a rezervu přijímače. Účelem není nerealisticky kombinovat všechny nejhorší případy, ale identifikovat proměnné, které dominují rezervě, a potvrdit, že je ovlivňuje tolerance při zadávání dodavatelů.

Proveďte korelaci simulačních a výrobních dat v prvním článku. Kupón TDR může ověřit impedanci, kupón ztrát může ověřit zvolený model dielektrika/mědi a kupón ze zpětného vrtání nebo mikrořez může ověřit předpoklad o reziduálním pahýlu. Pokud se naměřená data liší od modelu, aktualizujte model nebo proces před použitím konstrukce jako opakovaně použitelné vysokorychlostní platformy.

Dodržování protokolu zůstává odpovědností systému

Dodavatel desek s holými deskami může ověřit konstrukci, elektrickou kontinuitu, reprezentativní impedanci a dohodnuté kupony. Nemůže certifikovat kompletní PCIe, ethernetové nebo paměťové připojení bez sestavených zařízení, pouzder, konektorů, firmwaru a nastavení testů shody. Znění webových stránek by mělo rozlišovat mezi „vyrobeno dle požadavků zákazníka na vysokou rychlost“ a „certifikováno dle protokolu“.

Stav standardů a hranice implementace

Názvy rozhraní musí být vázány na revizi a tvarový faktor používaný produktem. PCI Express 7.0 verze 1.0 byla vydána v roce 2025, zatímco limity na úrovni desky stále závisí na příslušných základních dokumentech a dokumentech o tvarovém faktoru. Norma IEEE 802.3df-2024 pokrývá Ethernet s rychlostí 400 Gb/s a 800 Gb/s. Práce na Ethernetu s rychlostí 1.6 Tb/s a dalších fyzických vrstvách 200/400/800 Gb/s pokračuje v rámci normy IEEE P802.3dj, takže návrh založený na této práci musí identifikovat přesný použitý návrh nebo specifikaci zákazníka. Projekty třídy OIF 224G rovněž definují více kategorií dosahu, nikoli jeden univerzální kanál PCB.

Toto rozlišení je důležité pro výrobu, protože ztrátové masky, předpoklady pro pouzdra, konektory, testovací přípravky a vyrovnávání se liší podle implementace. Dodavatel by nikdy neměl převádět „800G“, „1.6T“ nebo „224G“ na pevnou hodnotu materiálu, délky stopy nebo hodnoty zpětného vrtání bez definice rozhodujícího kanálu.

Odhlášení z vysokorychlostního kanálu

• Určete revizi rozhraní, tvarový faktor, koncové body a metodu shody.
• Rozdělte ztráty, odrazové ztráty, přeslechy a rezervy nespojitosti napříč pouzdry, deskami, průchody a konektory.
• Vyberte laminát, měděný profil a geometrii z extrahovaného kanálu, nikoli z popisku protokolu.
• Modelové rohy pro výrobu z hlediska dielektrické tloušťky, Dk/Df, drsnosti mědi, šířky čáry, hloubky propojení a registrace.
• Definujte reprezentativní kupóny pro impedanci a ztráty odděleně od testování shody na úrovni produktu.
• Vydejte stejné revize stackup a pad-stack pro týmy pro rozvržení, simulaci, výrobu a testování.

Od simulace ke korelaci prvního článku

Model kanálu je nejužitečnější, když lze vyrobený první výrobek zpětně vztáhnout k jeho předpokladům. Korelační plán by měl identifikovat, které rozměry a materiálové proměnné budou měřeny, které kupóny budou testovány a jak tyto výsledky aktualizují model.

Korelace neznamená vynucení naměřených dat, aby odpovídala optimistickému modelu. Znamená to aktualizaci modelu se skutečně vyrobenou konstrukcí a určení, zda kanál stále splňuje mezní hodnoty v procesních a provozních rozích. Pokud korelace odhalí, že drsnost mědi, obsah pryskyřice nebo hloubka propojení se liší od předpokladu, může být nápravným opatřením změna v řízení materiálu, přepracování přechodu nebo revize limitu trasy – nikoli pouze přísnější tolerance impedance.