Výroba desek plošných spojů ethernetových přepínačů pro vysokorychlostní síťový hardware

Deska plošných spojů ethernetového přepínače je výrobní platforma pro několik různých elektrických domén: přepínací zařízení nebo procesor, ethernetové fyzické jednotky (PHY), paměť, hodinové obvody, převod energie, řídicí obvody a rozhraní měděných nebo optických portů. Deska může podporovat pouze několik měděných portů nebo kombinovat mnoho portů s SFP/SFP+/jinými zásuvnými rozhraními. Protože se elektrické požadavky mění s architekturou a rychlostí přenosu dat, užitečný výrobní plán začíná skutečným schématem, stohováním, omezeními kanálů a kusovníkem sestavy – nikoli obecnou specifikací „desky plošných spojů síťového přepínače“. Společnost Highleap Electronics poskytuje výrobu vysokorychlostních komunikačních desek plošných spojů a komplexní podporu pro síťový hardware, včetně vícevrstvých desek s řízenou impedancí, husté montáže a inženýrského přezkumu orientovaného na výrobu.

1. Začněte s architekturou přepínače, ne s obecnou specifikací „ethernetové desky plošných spojů“

Stejná kategorie produktů může obsahovat velmi odlišné výzvy týkající se desek plošných spojů. Kompaktní nespravovaný přepínač může používat vysoce integrované zařízení přepínač/PHY a několik magnetických modulů. Spravovaná platforma může přidávat samostatný procesor, paměť DDR, flash, více PHY, SFP moduly, redundantní napájení, konzolové porty a velký přepínací ASIC.

1.1 Identifikujte všechna vysokorychlostní rozhraní před vydáním Stackupu

Konstrukční tým by měl označit rozhraní, jejichž elektrické chování závisí na řízené geometrii. Může se jednat o diferenciální páry PHY-magnetic, sériová rozhraní mezi přepínačem ASIC a PHY, vysokorychlostní paměťové sběrnice, hodinové linky, PCIe nebo jiná hostitelská rozhraní na složitějších platformách a vysokorychlostní připojení k optickým modulům.

Ne každá síť potřebuje řízení impedance. Zacházení s každou trasou jako s „vysokorychlostní“ zvyšuje náklady, aniž by to přidalo výkon. Výrobní výkres by měl identifikovat struktury, které skutečně vyžadují řízení impedance, a očekávanou toleranci pro každou z nich.

1.2 Měděné porty a optické porty vytvářejí různá omezení rozvržení

Měděné ethernetové porty jsou směrovány přes magnetické prvky a externí konektory. Zásuvné optické/elektrické moduly mohou zahrnovat vysokorychlostní sériové kanály, mechaniku klece, geometrii spuštění konektoru a delší cesty citlivé na ztráty. Pokud jsou přítomny obojí, deska může v různých oblastech vyžadovat různá pravidla směrování.

1.3 Počet portů pohání více než velikost desky

S rostoucím počtem portů může návrh vyžadovat více PHY kanálů, napájecích kolejnic, distribuce hodin, I/O konektorů, tepelného rozptylu a hustého únikového směrování. To může návrh tlačit směrem k vyššímu počtu vrstev nebo prvkům HDI PCB . Cílem výroby je zvýšit složitost pouze tam, kde řeší omezení směrování nebo integrity signálu.

2. Skládání desek plošných spojů a řízená impedance pro směrování Switch-to-PHY a Port-Side

Skládání vodičů je jedním z prvních výrobních rozhodnutí, které může podstatně změnit výkon ethernetového přepínače. Tloušťka dielektrika, tloušťka mědi, obsah pryskyřice, typ skla, umístění referenční roviny a konečná geometrie stopy ovlivňují impedanci a ztráty.

2.1 Vytvořte vrstvu kolem referenčních rovin

Vysokorychlostní vrstvy by měly mít spojité referenční roviny umístěné v kontrolovaných vzdálenostech. To dává návrhářskému týmu předvídatelnou impedanci a krátké cesty zpětného proudu. Umístění napájecí a zemnící vrstvy také ovlivňuje impedanci distribuce energie a přeslechy mezi směrovacími vrstvami.

Pro výrobu by schválená specifikace vrstvení desek plošných spojů měla identifikovat řadu laminátů, strukturu jádra/prepregu, hmotnosti mědi, konečnou tloušťku a vrstvy s řízenou impedancí. Pokud dodavatel navrhne ekvivalentní dielektrickou konstrukci, měla by být změna před uvolněním elektricky posouzena.

2.2 Potřebuje každá deska plošných spojů ethernetového přepínače nízkoztrátový materiál?

Ne. Dobře navržené systémy FR-4 jsou vhodné pro mnoho kanálů ethernetových přepínačů, pokud to rozpočet na ztráty a konstrukce dovolují. Lamináty s nižšími ztrátami se stávají užitečnými, když rychlost na hraně, délka kanálu, spuštění konektoru, rychlost sériového přenosu dat nebo rezerva vložných ztrát činí standardní materiál nedostatečným. Správné rozhodnutí vychází z rozpočtu kanálu; náš průvodce výběrem materiálu pro vysokorychlostní desky plošných spojů vysvětluje výrobní proměnné, které by měly být porovnávány, namísto toho, aby se značka laminátu považovala za záruku výkonu.

Highleap pracuje se standardními a nízkoztrátovými materiálovými skupinami používanými při vysokorychlostní výrobě desek plošných spojů . Náhrady materiálů by měly být vyhodnoceny z hlediska Dk, Df, dostupnosti tloušťky, profilu mědi, tepelného chování a kompatibility laminace.

2.3 Impedanční kupóny Ověření vyrobené struktury

Pokud je vyžadována řízená impedance , lze na výrobní panel umístit zkušební kupóny a po výrobě je změřit. Kupón ověřuje vyrobené uspořádání a geometrii; nenahrazuje validaci kanálů od začátku do konce na sestaveném systému. Požadavky na zkoušku, cíl, tolerance, referenční vrstva a struktury kupónů by měly být součástí dokumentace objednávky.

3. Propojovací struktury, konektory a rozpočet na ztráty v gigabitovém a multigigabitovém přepínačovém hardwaru

Nespojitosti nabývají na významu s rostoucími frekvencemi hran signálu a kanálů. Propojení, spuštění konektorů, pahýly, přechody vrstev a změny referenční roviny přidávají parazitní efekty.

3.1 Je vždy nutné vrtat desku plošných spojů ethernetového přepínače?

Ne. Standardní pokovený průchozí otvor může být naprosto přijatelný, pokud to rozpočet kanálu dovolí. Zavrtávání desky plošných spojů , slepé průchodky nebo mikroprochodky se zavádějí, když se nevyužité pahýly průchodek nebo hustota trasování stanou natolik významnými, že ospravedlňují přidaný proces. Výrobce by měl obdržet tabulku vrtání s řízenou hloubkou nebo sekvenci sestavení HDI, spíše než aby záměr odvodil ze souborů Gerber.

3.2 Geometrie spuštění konektoru musí zůstat konzistentní

Magnetické prvky RJ45, konektory mezi deskami, mezaninové konektory a zásuvné moduly vytvářejí přechod mezi strukturami. Velikost kontaktních plošek, geometrie protilehlých kontaktů, umístění referenčních propojení a směrování propojovacích vodičů mohou dominovat lokální impedanci. Změny výrobního modulu CAM v blízkosti těchto míst by měly být minimalizovány a v případě potřeby přezkoumány.

3.3 Nezanedbávejte mechanické tolerance kolem klecí a konektorů

Klece řady SFP, vrstvené konektory RJ45, LED diody, světlovody a výřezy v krytech vytvářejí těsné mechanické vazby. Tolerance obrysu desky, poloha konektoru, umístění montážního otvoru a usazení pájeného spoje mohou ovlivnit konečné usazení. 3D model nebo mechanický výkres pomáhá montérovi identifikovat interference před výrobou.

4. Distribuce napájení, hodiny a řízení zpětné cesty na ethernetových přepínačích

Největší pozornost je věnována signálové cestě, ale mnoho poruch přepínačů začíná problémy s integritou napájení, kvalitou hodin nebo zpětnou cestou.

4.1 Spínací zařízení často potřebují více nízkonapěťových kolejnic

Přepínací ASIC a procesory mohou používat oddělené napájení pro jádra, I/O, paměť, analogové a SerDes obvody. Topologie a sekvence regulátorů jsou specifické pro dané zařízení. Na desce plošných spojů pomáhají široké napájecí roviny, lokální oddělení, umístění propojení a nízkoimpedanční připojení, aby se síť pro distribuci energie chovala podle očekávání.

4.2 Směrování hodin by mělo být chápáno jako elektrické rozhraní

Referenční oscilátory a hodiny pro fyzické obvody (PHY) nebo spínací zařízení mohou být citlivé na šum a nespojitosti odrazů. Výrobce by měl zachovat ochranné/ochranné struktury a vyhnout se přesouvání propojovacích otvorů nebo referenční mědi kolem těchto obvodů, pokud to není schváleno.

4.3 Diskontinuity zpětné cesty mohou být horší než rozdíly v délce stopy

Diferenciální pár protínající rozdělenou rovinu nebo měnící se referenci bez dostatečného propojení může způsobit šum v souhlasném režimu a EMI. To nelze po vydání rozvržení opravit výrobou. Praktická kontrola DFM může odhalit přerušení roviny, problémy s vyrobitelností a omezení průchodů, zatímco finální ověření integrity signálu zůstává součástí procesu návrhu hardwaru.

5. Sestava desek plošných spojů pro přepínače ASIC, PHY, magnety, RJ45 a zásuvná rozhraní

Deska plošných spojů (PCBA) ethernetových přepínačů je často konstruována smíšenou technologií. Sestava BGA s jemnou roztečí může být umístěna vedle QFN, krystalů, výkonových induktorů, velkých konektorů RJ45, lisovaných nebo průchozích dílů a kovových klecí.

5.1 Osazování BGA a QFN vyžaduje řízení procesu specifické pro dané pouzdro

Návrh šablony, objem pasty, profil přetavení, podpěra desky a vlhkost pouzdra ovlivňují kvalitu spoje. Propojení otvorů v podložce pod tepelnými podložkami BGA nebo QFN by mělo mít správnou specifikaci výplně/zakrytí tam, kde by otevřené propojení odvádělo pájku. Rentgen je užitečný pro skryté spoje a posouzení dutin v tepelných podložkách, protože tyto vlastnosti nelze plně vyhodnotit pomocí optické infrastruktury (AOI).

5.2 Magnetické a ethernetové konektory vyžadují řízenou substituci

Dva konektory RJ45, které vypadají mechanicky podobně, mohou používat různé integrované magnety, zapojení pinů LED diod, uspořádání středových odboček, konstrukci stínění nebo podporu PoE. Stejně tak mají diskrétní magnetické moduly elektrické specifikace, které musí odpovídat designu. Záměna kusovníku by proto měla být schválena inženýrem, nikoli pouze na základě rozměrů.

5.3 Velké konektory ovlivňují cestu pájení

V závislosti na konstrukci konektoru a kombinaci desek plošných spojů mohou být součásti s průchozími otvory pájeny vlnou, selektivně pájeny nebo ručně pájeny po SMT. Tepelné odlehčení, velikost otvoru, měděné spojení a ochrana proti vniknutí do sousedních součástek by měly být kompatibilní se zvoleným procesem. Službu SMT osazování desek plošných spojů od společnosti Highleap lze integrovat s osazováním průchozími otvory pro kompletní desky plošných spojů spínačů.

6. Strategie inspekce a funkčního testování desek plošných spojů ethernetových přepínačů

Dobrý plán testování odděluje výrobní vady od výkonu Ethernetu na úrovni systému.

6.1 Holá deska

100% testování elektrické kontinuity/izolace je běžným výchozím bodem pro vyrobené desky s plošnými spoji. Impedanční kupóny se přidávají, pokud je specifikována řízená impedance. Rozměrová kontrola, kontrola pájecí masky, povrchová úprava, vrtání a vizuální kontrola potvrzují, že fyzická deska splňuje vydané požadavky.

6.2 Kontrola montáže

SPI dokáže zkontrolovat nanesení pájecí pasty před jejím umístěním. AOI kontroluje přítomnost součástek, polaritu, zarovnání a viditelné pájené spoje. Pro BGA, LGA, QFN nebo jiná skrytá pájená rozhraní je přidána rentgenová kontrola . Tyto metody se vzájemně doplňují; žádná sama o sobě neprokazuje, že ethernetový port funguje správně.

6.3 Co by mělo zahrnovat funkční testování desek plošných spojů ethernetového přepínače?

Funkční testování může zahrnovat napájecí sběrnice, spotřebu proudu, bootovací sekvenci, programování, rozhraní pro správu, propojení portů, testování zpětné smyčky nebo provozu, provoz LED diod a případně rozpoznání optických modulů. Hloubka testu závisí na dodaném nebo společně vyvinutém příslušenství a softwaru pro daný projekt. Inspekce desek plošných spojů/desek plošných spojů nenahrazuje interoperabilitu IEEE 802.3, EMC, bezpečnost ani regulační kvalifikaci hotového přepínače.

7. Kontrolní seznam konstrukčních prvků: Od prototypu desky plošných spojů ethernetového přepínače po sériovou výrobu

Pro přesnou cenovou nabídku a řízené uvolnění do výroby uveďte:

• Datové a drillové soubory Gerber/ODB++
• Výrobní výkres s rozměry desky, tolerancemi a speciálními procesy
• Schválené požadavky na stohování a materiál
• Seznam řízené impedance s cílovou, toleranční a referenční vrstvou
• Kusovník se schválenými čísly dílů výrobce a alternativní zásadami
• Data pro výběr a umístění a montážní výkresy
• Mechanické detaily konektorů/klecí pro kritická rozhraní
• Programovací soubory a instrukce
• Postup funkčního testu, software, přípravky a limity pro úspěšné/neúspěšné provedení
• Prototypové, pilotní a výrobní množství plus požadavky na sledovatelnost

Postupná sestava prototypu desek plošných spojů je užitečná pro ověření uspořádání, mechanického uložení, procesu montáže, tepelného chování a zkušební metody před zmrazením dat o výrobě. Společnost Highleap Electronics může v závislosti na zadání a rozsahu testování definovaném vaším týmem podporovat pouze výrobu, montáž na zakázku nebo montáž desek plošných spojů na klíč. Související témata týkající se architektury přepínačů a ověřování naleznete v našem přehledu desek plošných spojů přepínačů a v průvodci testováním spolehlivosti desek plošných spojů síťových přepínačů.