Průvodce návrhem 28vrstvých desek plošných spojů: Skládání, materiály a integrita signálu 28 Gb/s

28vrstvá konstrukce desek plošných spojů se nachází na pomezí maximální hustoty směrování a skutečné výrobní složitosti. Volí se tehdy, když 24 vrstev nedokáže absorbovat počet vrstev signálu požadovaný složitým systémem, když napájení vyžaduje více vyhrazených rovin, než poskytuje nižší počet vrstev, nebo když hustota součástek procesoru umělé inteligence, síťového přepínače ASIC nebo pokročilého FPGA vyžaduje desku, která dokáže směrovat každý signál s řízenou impedancí. Tato příručka je určena pro konstruktéry a manažery nákupu pracující na reálných 28vrstvých programech – zahrnuje rozhodnutí, která určují, zda výrobce 28vrstvých desek plošných spojů dokáže skutečně sestavit váš návrh podle specifikace.

1. Kdy je 28 vrstev správný počet vrstev?

1.1 Požadavky na hustotu trasování, které ovlivňují rozhodnutí ve 28 vrstvách

Rozhodnutí použít 28 vrstev se zřídka činí libovolně. Obvykle se řídí strukturovanou analýzou počtu vrstev: odhadem hustoty trasování (celková délka sítě dělená dostupnou plochou trasování na vrstvu), který ukazuje, že 24 vrstev nemůže pojmout počet signálů s požadovanou šířkou a roztečí tras. Běžné spouštěče:

• Pouzdra BGA s více než 2 500 piny s roztečí 0.8 mm nebo 1.0 mm, kde evakuační směrování vyžaduje více vrstev signálu na straně pouzdra
• Vícečipové pouzdra (konfigurace MCM nebo 2.5D interpozerů), kde celkový počet I/O přesahuje kapacitu směrování 24 vrstev
• Vysokorychlostní sériové spojení má více než 64 diferenciálních párů s rychlostí 28 Gb/s+, kde každý pár musí být směrován s referenčními rovinami nahoře i dole po celé své délce.
• Výkonové domény, jejichž složitost přesahuje 6–8, vyžadující vyhrazené roviny pro více napěťových kolejnic, aby se zabránilo vazbě šumu ve sdílené rovině

Pokud váš návrh nesplňuje alespoň dvě z těchto kritérií, je vhodné provést strukturovaný přehled 24vrstvých alternativ, než se rozhodnete pro 28vrstvé nástroje a výrobní náklady.

1.2 Výhoda 28 vrstev oproti 24 a 32 vrstvám

28vrstvá konstrukce poskytuje o čtyři vrstvy více než 24vrstvá konstrukce, ale užitečné směrování a alokace rovin závisí na návrhu. Cykly laminace, náklady a výtěžnost nelze odvodit pouze z počtu vrstev: výrobní postup určuje také struktura, materiálový systém, rozměry desky, rozložení mědi a požadavky na přijetí. Projděte si Pracovní postup výroby desek plošných spojů against the proposed construction before issuing an RFQ. If routing and power requirements can be met with fewer layers, a Recenze výroby 24vrstvých desek plošných spojů offers a separate construction to evaluate; the stackup and via plan still need to be redesigned and verified.

2. Plánování stackupu pro 28vrstvé vysokorychlostní návrhy

2.1 Principy přiřazování vrstev

Dobře naplánované 28vrstvé vrstvení se řídí zavedenými principy integrity signálu, které se s rostoucím počtem vrstev stávají důležitějšími, nikoli méně:

• Každá vrstva vysokorychlostního signálu musí mít bezprostředně sousedící spojitou referenční rovinu. S 28 vrstvami není nouze o rovinné vrstvy – použijte je k vytvoření páskových vedení pro každou kritickou skupinu signálů. Směrování mikropásků na vnějších vrstvách by mělo být vyhrazeno pro signály, kde je požadavek na řízenou impedanci druhořadý.
• Zachovejte symetrii kolem střední roviny desky. Asymetrické vrstvení – různé hmotnosti mědi, různé tloušťky dielektrika nebo různý počet signálních a rovinných vrstev na každé straně středu – vytváří během laminování a tepelného cyklování čistý ohybový moment na celé desce. Při 28 vrstvách a konečné tloušťce 3.0–3.6 mm je deformace z asymetrického vrstvení obtížně korigovatelná a může způsobit selhání montáže. Třída IPC 3 vyžaduje prohnutí a zkroucení ≤ 0.5 %.
• Seskupte výkonové roviny podle napěťové domény, s vrstvami signálu mezi nimi, kde je to možné. Dvojice rovin (napájení + zem) mezi dvěma signálovými vrstvami funguje jako oddělovací kondenzátor s velmi krátkou indukčností smyčky – což je skutečná výhoda PDN. Navrhněte strukturu tak, aby se tato geometrie použila pro nejrušnější výkonové domény.

Pro ultrajemné BGA únikové trasování s 28 vrstvami jsou často vyžadovány struktury HDI via – vrstvené mikrovlákna a via-in-pad. Ty vyžadují výrobce s aktivní sekvenční laminovací linkou a specializovanou možností laserového vrtání, nejen schopnost uvést počet vrstev.

2.2 Dielektrické cíle pro měření tloušťky a impedance

U 28 vrstev se dielektrická tloušťka mezi signálovými vrstvami a jejich referenčními rovinami pro vnitřní vrstvy páskového vedení obvykle pohybuje v rozmezí 75–150 µm. To ovlivňuje šířku stop – jednostranná stopa 50 Ω na dielektriku 100 µm s Er = 3.7 (Isola 370HR) je široká přibližně 170–180 µm, což je zvládnutelné pro moderní výrobu desek plošných spojů s řízenou impedancí . U diferenciálních párů 100 Ω musí být kombinace šířky stopy a rozteče charakterizována řešičem pole výrobce s použitím skutečné geometrie vrstvy – nikoli aproximované z online kalkulaček.

Tenčí dielektrika (75 µm nebo méně) umožňují těsnější vazbu mezi diferenciálními páry a nižší parazitní kapacitu na vysokorychlostních uzlech, ale vyžadují výrobce s prokázanou schopností dodržet toleranci tloušťky dielektrika (±10 % nominální hodnoty po laminaci je požadavek IPC třídy 3). Při nominální tloušťce 75 µm znamená ±10 % ±7.5 µm – toleranci, která vyžaduje, aby výrobce přesně charakterizoval tok prepregové pryskyřice pro každou kombinaci materiálů a recepturu laminace.

3. Integrita signálu při rychlosti 28 Gb/s a vyšší

3.1 Rozpočet na vložené ztráty pro 28vrstvé desky

Dosažení vysokofrekvenčního signálového výkonu , který vyžadují linky Serdes s rychlostí 28 Gb/s a více, vyžaduje pečlivý výběr materiálu a specifikaci měděné fólie předtím, než je sestava zmrazena. Signál NRZ s rychlostí 28 Gb/s (základní 14 GHz) procházející 300mm deskou na vnitřní vrstvě páskového vedení naráží na ztráty ve vodičích, dielektrické ztráty a ztráty na propojkách. V typické 28vrstvé desce s použitím Isola 370HR se standardní mědí:

• Ztráta vodiče (standardní ED měď): přibližně 0.18–0.22 dB/cm při 14 GHz
• Dielektrická ztráta (Df = 0.021 při 10 GHz): přibližně 0.12–0.15 dB/cm při 14 GHz
• Kombinovaný útlum kanálu pro 300 mm: 9–11 dB, před příspěvky přes kanály

Tento rozpočet je marginální pro 28 Gbps NRZ bez ekvalizace. Pro konstrukce, které vyžadují nižší ztráty – nebo pro signalizaci PAM4 s rychlostí 56 Gbps (28 Gbaud), kde je rozpočet na ztráty nižší – Panasonic Megtron 6 (Df = 0.002) s mědí VLP snižuje kombinované ztráty na přibližně 5–6 dB pro stejnou délku kanálu, což poskytuje značnou rezervu pro ekvalizaci a spolehlivost systému.

Praktický důsledek: volba materiálu pro 28vrstvý design s rychlostí 28 Gb/s a více není druhotným rozhodnutím. Měla by být provedena v rané fázi procesu návrhu, na základě naměřeného rozpočtu ztrát kanálu z předběžné simulace rozvržení a uzamčena před výběrem výrobce – protože ne všichni výrobci 28vrstvých materiálů mají skladem nebo pravidelně zpracovávají Megtron 6.

3.2 Přes diskontinuitu a zpětné vrtání ve 28 vrstvách

Průchozí otvor v 28vrstvé desce, který je použit pouze pro zlomek tloušťky desky, zanechává pahýl, který rezonuje v rámci šířky pásma signálu. U 28vrstvé desky s konečnou tloušťkou 3.2 mm, kde otvor spojuje pouze vrstvy 1–14, je nevyužitý pahýl přibližně 1.6 mm – rezonuje na frekvenci přibližně 30 GHz. Pro signály NRZ s rychlostí 28 Gb/s a energií do 14 GHz je tato rezonance na hranici harmonické; pro signály s rychlostí 56 Gb/s je přímo v pásmu.

Zpětným vrtáním se odstraní nepoužitý pahýl průchodu a zůstane kontrolovaný zbytek, obvykle ≤0.25 mm. Proces vyžaduje mechanické vrtání s kontrolovanou hloubkou s přesností osy Z ±50–75 µm a model rozměrové kompenzace kalibrovaný pro každou tloušťku desky. Vyžádejte si fotografie průřezů zpětně vrtaných průchodů z nedávné výroby výrobce – naměřená délka zbytku pahýlu je přímo viditelná v řezu a je nejspolehlivějším ověřením schopnosti procesu zpětného vrtání.

4. Architektura sítě pro dodávku energie v 28vrstvých deskách

4.1 Počet rovin a izolace výkonové domény

28vrstvá konstrukce obvykle přiděluje 10–14 vrstev rovinám (kombinované napájení a uzemnění) a 14–18 vrstev směrování signálu. Tato hustota rovin umožňuje skutečnou izolaci napájecích domén: samostatné vyhrazené roviny pro napětí jádra, napětí I/O, analogové napájení, zakončovací napětí DDR a pomocné kolejnice – každá s vlastní zpětnou cestou a strategií oddělení. Alternativa – sdílené roviny s rozdělenými měděnými vývody – zavádí vysokofrekvenční vazbu mezi napájecími doménami, kterou je obtížné modelovat a v existujícím uspořádání obtížně eliminovat.

Pro desky datových center s umělou inteligencí a špičkové síťové platformy, kde musí být při napětí jádra pod 1 V dodávány desítky ampérů se zvlněním na úrovni milivoltů, je návrh PDN navrhován společně se stackupem. Páry rovin vybrané pro napětí jádra musí být identifikovány před zahájením umístění, nikoli přiřazeny k jakýmkoli vrstvám, které zbývají po dokončení směrování signálu.

4.2 Umístění oddělovacích kondenzátorů a vliv propojovacích pahýlů

Oddělovací kondenzátory umístěné na povrchu desky se musí připojit k napájecí a zemnící rovině pomocí propojovacích struktur. Každá propojovací struktura vnáší indukčnost – přibližně 0.5–1.0 nH pro standardní propojovací strukturu procházející 3.2 mm deskou. U 28 vrstev, kde mohou být napájecí roviny hluboko v vrstvách, může být indukčnost propojovací struktury od povrchově montovaného oddělovacího kondenzátoru k příslušné napájecí rovině dostatečně významná, aby snížila účinnost kondenzátoru nad 100–200 MHz. Minimalizace této indukčnosti propojovací struktury vyžaduje použití polí propojovacích struktur (více propojovacích struktur paralelně) a umístění oddělovacích kondenzátorů na vrstvě nejblíže součástce, kterou obsluhují – což u 28 vrstev často znamená jejich zabudování do vrstvení v mezifázi laminace.

5. Převod požadavků SI do výrobních specifikací

5.1 Prvky specifikace, které musí být explicitní

Objednávka panelizované 28vrstvé desky plošných spojů, která specifikuje pouze Gerberova data a počet vrstev, není výrobní specifikací. Následující prvky musí být výslovně uvedeny písemně:

• Laminovaný materiál podle výrobce, třídy a označení listu podle IPC-4101 (např. „Isola 370HR, /126“)
• Typ a hmotnost měděné fólie podle vrstvy nebo skupiny vrstev (např. „VLP měď, 0.5 oz na vnitřních signálních vrstvách L3–L26“)
• Cílové hodnoty řízené impedance s třídou sítě, přiřazením vrstev a tolerancí (např. „diferenciál 100 Ω, pár L5/L6, ±5 %“)
• Požadavky na zpětné vrtání: které skupiny otvorů, směr vrtání, maximální délka pahýlu
• Třída IPC: explicitně „IPC-6012 Třída 3“ – nenechávejte toto neuvedeno
• Povrchová úprava se specifikací tloušťky (např. „ENIG, minimálně 2 µin Au / 150 µin Ni“)
• Požadavky na zkoušku: 100% elektrický test sondy nebo přípravku s volným chodem, impedanční kupónový test TDR na panel

5.2 Kontrola DFM jako kvalifikační událost pro dodavatele

Před schválením výroby si vyžádejte výstup z kontroly DFM od výrobce. Způsobilý výrobce 28vrstvých konstrukcí odhalí skutečné problémy: narušení mezikruží u průchodů s vysokým poměrem stran, konflikty vůlí při zadním vrtání, problémy s vyvážením mědi, které předpovídají deformaci, nebo problémy s výběrem prepregu u tenkých dielektrických terčů. Výrobce, který vrátí kontrolu DFM bez komentářů ke složitému 28vrstvému ​​návrhu, buď soubory nezkontroloval, nebo nemá inženýry, kteří by je byli schopni zkontrolovat. Oba výsledky by měly vést k diskvalifikaci dodavatele.

6. Hodnocení dodavatele 28vrstvých desek plošných spojů: Důkazy, na kterých záleží

6.1 Matice důkazů dodavatele

6.2 Varovné signály během hodnocení dodavatelů

• Dodavatel nemůže v posledních 90 dnech vytvořit snímky průřezů z 28vrstvé produkce – to znamená, že 28L pro něj není aktivní produkcí.
• Údaje o impedanci Cpk nejsou k dispozici nebo ukazují Cpk <1.33 – indikuje nedostatečné řízení procesu pro toleranci ±5 %
• Dodavatel nepoužívá pro výpočet impedance řešič pole (Polar SI, iCD nebo ekvivalent) – šířky stop jsou odhadované, nikoli modelované.
• Doba trvání kontroly DFM u komplexního návrhu s 28 vrstvami je kratší než 4 hodiny – což naznačuje, že soubory nebyly zkontrolovány inženýrem.
• Dodavatel nemůže uvést chemii pokovování použitou pro průchodky s vysokým poměrem stran – což naznačuje neznalost požadavků na pokovování třídy 3.

Prodiskutujte svůj projekt 28vrstvé desky plošných spojů

7. Dodací lhůta, faktory ovlivňující náklady a přechod od prototypu k výrobě

7.1 Realistická dodací lhůta pro 28vrstvé prototypy desek plošných spojů

Dodací lhůta pro prototyp 28vrstvé desky plošných spojů závisí na dostupnosti materiálu, schválené struktuře vrstvení a propojení, požadavcích na vrtání a pokovování, rozsahu kontroly a výrobním harmonogramu výrobce. Požádejte dodavatele o potvrzení plánované sekvence laminace, požadavků na testování a dodacího milníku po kontrole DFM. Samotný počet vrstev nestačí k ověření nebo zamítnutí navrhované dodací lhůty.

U výrobních dávek 50–500 desek jsou u kvalifikovaných dodavatelů typické dodací lhůty 20–30 pracovních dnů, přičemž nejčastějším faktorem je dostupnost materiálu. Dodavatel, který má skladem Isola 370HR a Megtron 6 ve standardních tloušťkách, může zahájit výrobu v den schválení DFM; dodavatel, který objednává materiál na zakázku, přidává ke každé objednávce 1–3 týdny.

7.2 Struktura nákladů na 28vrstvou desku plošných spojů

Dominantní faktory, které ovlivňují náklady na 28vrstvé desce plošných spojů, seřazené podle dopadu:

• Materiálové náklady: 30–40 % celkových nákladů na desku. Megtron 6 stojí 4–6× více než Isola 370HR na jednotku plochy. Tento cenový rozdíl musí být odůvodněn analýzou SI, nikoliv na základě předpokladu, že „lepší materiál je lepší“.
• Práce a doba sekvenční laminace: Každý laminovací cyklus zvyšuje přímé náklady a prodlužuje dodací lhůtu. Návrhy, které lze vyrobit ve 2 cyklech místo 3, jsou výrazně levnější – rozhodnutí o architektuře stackup učiněná v rané fázi návrhu významně ovlivňují náklady.
• Zpětné vrtání: Zvyšuje náklady na skupinu propojovacích otvorů, která vyžaduje vrtání, a prodlužuje dobu cyklu. Zpětné vrtání by mělo být aplikováno selektivně – pouze na skupiny propojovacích otvorů, kde rezonance pahýlu spadá do šířky pásma signálu, nikoli univerzálně na všechny průchozí propojovací otvory.
• Povrchová úprava: ENIG přidává minimální náklady v porovnání s 28vrstvou deskou. ENEPIG pro aplikace s drátovými spoji nebo požadavky na spolehlivost přidává více. Specifikujte, co je potřeba, ale nevolte nejdražší povrchovou úpravu bez odůvodnění použití.

7.3 Řízení přechodu od prototypu k produkci

Většina 28vrstvých programů se potýká s problémy v mezerách mezi úspěšným prototypem a opakovatelnou výrobou. Prototyp byl vyroben s mimořádnou inženýrskou pozorností; výrobní šarže probíhá v dávkovém režimu se standardním procesním postupem. Pro ochranu kvality výroby:

• Vyžádejte si data impedance Cpk z předvýrobní šarže – nejen z prototypu
• Před zahájením výroby uzavřít dohodu o uzamčení procesu, která definuje schválený zdroj šarže laminátu, parametry pokovování a profil laminace.
• Specifikovat 100% elektrické testování — pohyblivá sonda nebo upínací přípravek — jako smluvní požadavek v nákupní specifikaci, nikoli požadavek ponechaný na uvážení výrobce
• Zarovnat Sestava DPS požadavky s výrobními tolerancemi v rané fázi: volba povrchové úpravy, specifikace výplně, a rovinnost desky přímo ovlivňují výtěžnost následného SMT a tyto parametry by měly být potvrzeny mezi výrobními a montážními týmy před vydáním první výrobní šarže.
• Definujte postupy nápravných opatření v dohodě o jakosti před první výrobní šarží – nikoli po první poruše