Κατασκευή πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος διακόπτη Ethernet για υλικό δικτύωσης υψηλής ταχύτητας

Μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος διακόπτη Ethernet είναι μια πλατφόρμα κατασκευής για διάφορους ηλεκτρικούς τομείς: μια συσκευή ή επεξεργαστή μεταγωγής, φυσικές δομές Ethernet, μνήμη, χρονισμό, μετατροπή ισχύος, κυκλώματα διαχείρισης και διεπαφές χάλκινων ή οπτικών θυρών. Η πλακέτα μπορεί να υποστηρίζει μόνο λίγες χάλκινες θύρες ή να συνδυάζει πολλές θύρες με SFP/SFP+/άλλες συνδεόμενες διεπαφές. Επειδή οι ηλεκτρικές απαιτήσεις αλλάζουν με την αρχιτεκτονική και τον ρυθμό δεδομένων, ένα χρήσιμο σχέδιο κατασκευής ξεκινά από το πραγματικό σχηματικό, το stackup, τους περιορισμούς καναλιού και το BOM συναρμολόγησης - όχι από μια γενική προδιαγραφή "PCB διακόπτη δικτύου". Η Highleap Electronics παρέχει κατασκευή PCB επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας και υποστήριξη PCBA με το κλειδί στο χέρι για υλικό δικτύωσης, συμπεριλαμβανομένων πλακετών πολλαπλών στρώσεων ελεγχόμενης σύνθετης αντίστασης, πυκνής συναρμολόγησης και ανασκόπησης μηχανικής προσανατολισμένης στην παραγωγή.

1. Ξεκινήστε με την αρχιτεκτονική του διακόπτη, όχι με μια γενική προδιαγραφή "Ethernet PCB"

Η ίδια κατηγορία προϊόντων μπορεί να περιέχει πολύ διαφορετικές προκλήσεις PCB. Ένας συμπαγής μη διαχειριζόμενος διακόπτης μπορεί να χρησιμοποιεί μια εξαιρετικά ενσωματωμένη συσκευή διακόπτη/φυσικού συστήματος (PHY) και αρκετές μαγνητικές μονάδες. Μια διαχειριζόμενη πλατφόρμα μπορεί να προσθέσει ξεχωριστή CPU, μνήμη DDR, flash, πολλαπλές PHY, κλωβούς SFP, πλεονάζουσα ισχύ, θύρες κονσόλας και ένα μεγάλο ASIC μεταγωγής.

1.1 Προσδιορίστε κάθε διεπαφή υψηλής ταχύτητας πριν από την κυκλοφορία του Stackup

Η ομάδα σχεδιασμού θα πρέπει να επισημάνει τις διεπαφές των οποίων η ηλεκτρική συμπεριφορά εξαρτάται από την ελεγχόμενη γεωμετρία. Αυτές μπορεί να περιλαμβάνουν διαφορικά ζεύγη PHY-προς-μαγνητικά, σειριακές διεπαφές μεταξύ ενός διακόπτη ASIC και PHY, διαύλους μνήμης υψηλής ταχύτητας, γραμμές ρολογιού, διεπαφές PCIe ή άλλες διεπαφές κεντρικού υπολογιστή σε πιο σύνθετες πλατφόρμες και συνδέσεις υψηλής ταχύτητας με οπτικές μονάδες.

Δεν χρειάζονται όλα τα δίκτυα έλεγχο σύνθετης αντίστασης. Η αντιμετώπιση κάθε διαδρομής ως «υψηλής ταχύτητας» αυξάνει το κόστος χωρίς να προσθέτει απόδοση. Το σχέδιο κατασκευής θα πρέπει να προσδιορίζει τις δομές που απαιτούν πραγματικά ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση και την αναμενόμενη ανοχή για κάθε μία.

1.2 Οι θύρες χαλκού και οι οπτικές θύρες δημιουργούν διαφορετικούς περιορισμούς διάταξης

Οι θύρες Ethernet από χαλκό δρομολογούνται μέσω μαγνητικών και εξωτερικών συνδέσμων. Οι οπτικές/ηλεκτρικές μονάδες που μπορούν να συνδεθούν μπορούν να περιλαμβάνουν σειριακά κανάλια υψηλής ταχύτητας, μηχανισμούς κλωβού, γεωμετρία εκκίνησης συνδέσμων και μεγαλύτερες διαδρομές ευαίσθητες στις απώλειες. Εάν υπάρχουν και τα δύο, η πλακέτα ενδέχεται να χρειάζεται διαφορετικούς κανόνες δρομολόγησης σε διαφορετικές περιοχές.

1.3 Ο αριθμός θυρών οδηγεί περισσότερο από το μέγεθος της πλακέτας

Καθώς αυξάνεται ο αριθμός των θυρών, ο σχεδιασμός ενδέχεται να απαιτεί περισσότερα κανάλια PHY, ράγες ισχύος, κατανομή ρολογιού, υποδοχές εισόδου/εξόδου, θερμική διασπορά και πυκνή δρομολόγηση διαφυγής. Αυτό μπορεί να ωθήσει τον σχεδιασμό προς μεγαλύτερο αριθμό στρώσεων ή χαρακτηριστικά PCB HDI . Ο κατασκευαστικός στόχος είναι να προσθέσει πολυπλοκότητα μόνο όπου επιλύει έναν περιορισμό δρομολόγησης ή ακεραιότητας σήματος.

2. Στοίβαξη PCB και ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση για δρομολόγηση Switch-to-PHY και Port-side

Η στοίβαξη είναι μια από τις πρώτες κατασκευαστικές αποφάσεις που μπορούν να αλλάξουν ουσιαστικά την απόδοση του διακόπτη Ethernet. Το πάχος του διηλεκτρικού, το πάχος του χαλκού, η περιεκτικότητα σε ρητίνη, το στυλ γυαλιού, η τοποθέτηση του επιπέδου αναφοράς και η τελική γεωμετρία του ίχνους επηρεάζουν όλα την αντίσταση και τις απώλειες.

2.1 Κατασκευάστε το Stackup γύρω από τα Επίπεδα Αναφοράς

Τα επίπεδα υψηλής ταχύτητας θα πρέπει να έχουν συνεχή επίπεδα αναφοράς τοποθετημένα σε ελεγχόμενες αποστάσεις. Αυτό δίνει στην ομάδα σχεδιασμού προβλέψιμη σύνθετη αντίσταση και σύντομες διαδρομές ρεύματος επιστροφής. Η τοποθέτηση των επιπέδων ισχύος και γείωσης επηρεάζει επίσης την σύνθετη αντίσταση κατανομής ισχύος και την αλληλοπαρεμβολή μεταξύ των επιπέδων δρομολόγησης.

Για την κατασκευή, η εγκεκριμένη προδιαγραφή στοίβαξης PCB θα πρέπει να προσδιορίζει την οικογένεια των ελασμάτων, τη δομή πυρήνα/προεμποτισμού, τα βάρη χαλκού, το τελικό πάχος και τα στρώματα ελεγχόμενης σύνθετης αντίστασης. Εάν ένας προμηθευτής προτείνει μια ισοδύναμη διηλεκτρική κατασκευή, η αλλαγή θα πρέπει να εξεταστεί ηλεκτρικά πριν από την κυκλοφορία.

2.2 Χρειάζεται κάθε πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος διακόπτη Ethernet υλικό χαμηλής απώλειας;

Όχι. Τα καλοσχεδιασμένα συστήματα FR-4 είναι κατάλληλα για πολλά κανάλια διακόπτη Ethernet όταν το επιτρέπουν ο προϋπολογισμός απωλειών και η κατασκευή. Τα ελασματοποιημένα φύλλα με χαμηλότερες απώλειες καθίστανται χρήσιμα όταν ο ρυθμός ακμών, το μήκος καναλιού, οι εκκινήσεις των συνδέσμων, ο ρυθμός σειριακών δεδομένων ή το περιθώριο απώλειας εισαγωγής καθιστούν το τυπικό υλικό ανεπαρκές. Η σωστή απόφαση προέρχεται από τον προϋπολογισμό καναλιού. Ο οδηγός επιλογής υλικού PCB υψηλής ταχύτητας εξηγεί τις μεταβλητές κατασκευής που πρέπει να συγκρίνονται αντί να αντιμετωπίζουμε μια μάρκα ελασματοποιημένου φύλλου ως εγγύηση απόδοσης.

Το Highleap λειτουργεί με τυπικές οικογένειες υλικών και υλικών χαμηλών απωλειών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή PCB υψηλής ταχύτητας . Οι αντικαταστάσεις υλικών θα πρέπει να αξιολογούνται για Dk, Df, διαθεσιμότητα πάχους, προφίλ χαλκού, θερμική συμπεριφορά και συμβατότητα πλαστικοποίησης.

2.3 Κουπόνια σύνθετης αντίστασης επαληθεύουν την κατασκευασμένη δομή

Όταν απαιτείται ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση , τα κουπόνια δοκιμής μπορούν να τοποθετηθούν στον πίνακα παραγωγής και να μετρηθούν μετά την κατασκευή. Ένα κουπόνι επαληθεύει την κατασκευασμένη στοίβαξη και τη γεωμετρία. Δεν αντικαθιστά την επικύρωση καναλιού από άκρο σε άκρο στο συναρμολογημένο σύστημα. Οι δομές των απαιτήσεων δοκιμής, του στόχου, της ανοχής, του επιπέδου αναφοράς και των κουπονιών θα πρέπει να αποτελούν μέρος της τεκμηρίωσης της παραγγελίας.

3. Μέσω Δομών, Συνδετήρων και Προϋπολογισμού Απωλειών σε Υλικό Διακοπτών Gigabit και Πολλαπλών Gigabit

Οι ασυνέχειες αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη σημασία καθώς αυξάνονται οι ρυθμοί ακμής σήματος και οι συχνότητες καναλιών. Οι οπές διέλευσης (vias), οι εκκινήσεις συνδέσμων, τα stubs, οι μεταβάσεις στρώσεων και οι αλλαγές στο επίπεδο αναφοράς προσθέτουν παρασιτικά φαινόμενα.

3.1 Χρειάζεται πάντα οπίσθια διάτρηση μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος διακόπτη Ethernet;

Όχι. Μια τυποποιημένη επιμεταλλωμένη διέλευση μπορεί να είναι απολύτως αποδεκτή όταν το επιτρέπει ο προϋπολογισμός του καναλιού. Η οπίσθια διάτρηση PCB , οι τυφλές διελεύσεις ή οι μικροδιελεύσεις εισάγονται όταν τα αχρησιμοποίητα στέλεχος διελεύσεων ή η πυκνότητα δρομολόγησης γίνονται αρκετά σημαντικά ώστε να δικαιολογούν την πρόσθετη διαδικασία. Ο κατασκευαστής θα πρέπει να λάβει τον πίνακα γεώτρησης ελεγχόμενου βάθους ή την ακολουθία κατασκευής HDI αντί να συμπεράνει την πρόθεση από τα αρχεία Gerber.

3.2 Η γεωμετρία εκκίνησης σύνδεσης πρέπει να παραμένει συνεπής

Τα μαγνητικά καλώδια RJ45, οι σύνδεσμοι πλακέτας-προς-πλακέτα, οι σύνδεσμοι mezzanine και οι πρίζες με δυνατότητα σύνδεσης σε μονάδες δημιουργούν μια μετάβαση μεταξύ των δομών. Το μέγεθος του μαξιλαριού, η γεωμετρία του αντιμαξιλαριού, η τοποθέτηση της διόδου αναφοράς και η δρομολόγηση διακλάδωσης μπορούν να κυριαρχήσουν στην τοπική σύνθετη αντίσταση. Οι αλλαγές στο CAM κατασκευής κοντά σε αυτές τις εκτοξεύσεις θα πρέπει να ελαχιστοποιούνται και να αναθεωρούνται όταν απαιτείται.

3.3 Μην αγνοείτε τις μηχανικές ανοχές γύρω από τα κλουβιά και τους συνδετήρες

Οι κλωβοί της οικογένειας SFP, οι στοιβαγμένοι σύνδεσμοι RJ45, οι λυχνίες LED, οι σωλήνες φωτισμού και οι εγκοπές του περιβλήματος δημιουργούν στενές μηχανικές σχέσεις. Η ανοχή στο περίγραμμα της πλακέτας, η θέση του συνδέσμου, η θέση της οπής στήριξης και η έδραση των αρμών συγκόλλησης μπορούν να επηρεάσουν την τελική εφαρμογή. Ένα τρισδιάστατο μοντέλο ή ένα μηχανικό σχέδιο βοηθά τον συναρμολογητή να εντοπίσει παρεμβολές πριν από την παραγωγή.

4. Κατανομή ισχύος, ρολόγια και έλεγχος διαδρομής επιστροφής σε πλακέτες διακόπτη Ethernet

Η διαδρομή σήματος τραβάει το μεγαλύτερο μέρος της προσοχής, αλλά πολλές βλάβες του διακόπτη ξεκινούν με προβλήματα ακεραιότητας ισχύος, ποιότητας ρολογιού ή διαδρομής επιστροφής.

4.1 Οι συσκευές μεταγωγής συχνά χρειάζονται πολλαπλές ράγες χαμηλής τάσης

Τα ASIC και οι επεξεργαστές διακόπτη ενδέχεται να χρησιμοποιούν ξεχωριστά τροφοδοτικά πυρήνα, εισόδου/εξόδου, μνήμης, αναλογικού και SerDes. Η τοπολογία και η ακολουθία του ρυθμιστή είναι ειδικές για κάθε συσκευή. Στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, τα ευρεία επίπεδα ισχύος, η τοπική αποσύνδεση, η τοποθέτηση μέσω σύνδεσης και οι συνδέσεις χαμηλής σύνθετης αντίστασης βοηθούν το δίκτυο διανομής ισχύος να συμπεριφέρεται όπως προβλέπεται.

4.2 Η δρομολόγηση ρολογιού πρέπει να αντιμετωπίζεται ως ηλεκτρική διεπαφή

Οι ταλαντωτές αναφοράς και τα ρολόγια για τα PHY ή τις συσκευές διακόπτη μπορεί να είναι ευαίσθητα στον θόρυβο και στις ασυνέχειες επιστροφής. Ο κατασκευαστής θα πρέπει να διατηρεί τις δομές προστασίας/απομόνωσης και να αποφεύγει την μετακίνηση συρραφής διόδων ή χαλκού αναφοράς γύρω από αυτά τα κυκλώματα, εκτός εάν έχει εγκριθεί.

4.3 Οι ασυνέχειες της διαδρομής επιστροφής μπορεί να είναι χειρότερες από τις διαφορές μήκους ίχνους

Ένα διαφορικό ζεύγος που διασχίζει ένα διαιρεμένο επίπεδο ή αλλάζει αναφορά χωρίς επαρκή συρραφή μπορεί να παράγει θόρυβο κοινής λειτουργίας και ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI). Αυτό δεν μπορεί να διορθωθεί με κατασκευή μετά την κυκλοφορία της διάταξης. Μια πρακτική ανασκόπηση DFM μπορεί να επισημάνει σπασίματα επιπέδου, προβλήματα κατασκευασιμότητας και περιορισμούς μέσω, ενώ η τελική επικύρωση ακεραιότητας σήματος παραμένει μέρος της διαδικασίας σχεδιασμού υλικού.

5. Συγκρότημα PCB για διακόπτες ASIC, PHY, Magnetics, RJ45 και Pluggable Interfaces

Τα PCBA διακόπτη Ethernet είναι συχνά μια κατασκευή μικτής τεχνολογίας. Το συγκρότημα BGA λεπτού βήματος μπορεί να τοποθετηθεί δίπλα σε QFN, κρυστάλλους, επαγωγείς ισχύος, μεγάλους συνδετήρες RJ45, εξαρτήματα με πρεσαριστή τοποθέτηση ή διαμπερή οπή και μεταλλικά κλουβιά.

5.1 Η συναρμολόγηση BGA και QFN χρειάζεται έλεγχο διεργασίας ειδικά για κάθε πακέτο

Ο σχεδιασμός του στένσιλ, ο όγκος της πάστας, το προφίλ αναπλήρωσης, η στήριξη της σανίδας και ο χειρισμός της υγρασίας της συσκευασίας επηρεάζουν την ποιότητα των αρμών. Τα πλακίδια εισόδου οπών κάτω από θερμικά πλακίδια BGA ή QFN θα πρέπει να έχουν τις σωστές προδιαγραφές πλήρωσης/καλύμματος, όπου οι ανοιχτές οπές εισόδου θα απορροφούσαν συγκολλητικό υλικό. Η ακτινογραφία είναι χρήσιμη για κρυφές ενώσεις και αξιολόγηση κενών θερμικού πλακιδίου, επειδή αυτά τα χαρακτηριστικά δεν μπορούν να αξιολογηθούν πλήρως με AOI.

5.2 Οι μαγνητικές και οι υποδοχές Ethernet χρειάζονται ελεγχόμενη αντικατάσταση

Δύο υποδοχές RJ45 που μοιάζουν μηχανικά μπορεί να χρησιμοποιούν διαφορετικά ενσωματωμένα μαγνητικά στοιχεία, ακίδες LED, διατάξεις κεντρικής διακλάδωσης, κατασκευή θωράκισης ή δυνατότητα PoE. Ομοίως, οι διακριτές μαγνητικές μονάδες έχουν ηλεκτρικές προδιαγραφές που πρέπει να ταιριάζουν με το σχεδιασμό. Η αντικατάσταση BOM θα πρέπει επομένως να εγκριθεί από τους μηχανικούς και όχι μόνο με βάση το αποτύπωμα.

5.3 Οι μεγάλοι σύνδεσμοι επηρεάζουν τη διαδρομή συγκόλλησης

Ανάλογα με το σχεδιασμό του συνδετήρα και το μείγμα της πλακέτας, τα εξαρτήματα των οπών μπορούν να συγκολληθούν με κυματοειδή συγκόλληση, επιλεκτικά ή χειροκίνητα μετά από SMT. Η θερμική ανακούφιση, το μέγεθος της οπής, η χάλκινη σύνδεση και η προστασία από τα γειτονικά εξαρτήματα θα πρέπει να είναι συμβατά με την επιλεγμένη διαδικασία. Η υπηρεσία συναρμολόγησης PCB SMT της Highleap μπορεί να ενσωματωθεί με τη συναρμολόγηση οπών για ολοκληρωμένες PCBA διακοπτών.

6. Επιθεώρηση και Στρατηγική Λειτουργικών Δοκιμών για PCBA Διακόπτη Ethernet

Ένα καλό σχέδιο δοκιμών διαχωρίζει τα κατασκευαστικά ελαττώματα από την απόδοση του Ethernet σε επίπεδο συστήματος.

6.1 Γυμνή σανίδα

Η δοκιμή 100% ηλεκτρικής συνέχειας/μόνωσης είναι ένα κανονικό σημείο εκκίνησης για τις κατασκευασμένες πλακέτες. Τα κουπόνια σύνθετης αντίστασης προστίθενται όταν καθορίζεται ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση. Οι διαστάσεις, η μάσκα συγκόλλησης, το φινίρισμα, η διάτρηση και η οπτική επιθεώρηση επιβεβαιώνουν ότι η φυσική πλακέτα πληροί τις απαιτήσεις που έχουν εκδοθεί.

6.2 Επιθεώρηση Συναρμολόγησης

Το SPI μπορεί να ελέγξει την εναπόθεση της κόλλας συγκόλλησης πριν από την τοποθέτηση. Το AOI ελέγχει την παρουσία εξαρτημάτων, την πολικότητα, την ευθυγράμμιση και τις ορατές ενώσεις συγκόλλησης. Προστίθεται έλεγχος με ακτίνες Χ για BGA, LGA, QFN ή άλλες κρυφές διεπαφές συγκόλλησης. Αυτές οι μέθοδοι αλληλοσυμπληρώνονται. Καμία από μόνη της δεν αποδεικνύει ότι μια θύρα Ethernet λειτουργεί σωστά.

6.3 Τι πρέπει να καλύπτει η λειτουργική δοκιμή PCBA διακόπτη Ethernet;

Οι λειτουργικές δοκιμές μπορούν να περιλαμβάνουν ράγες ισχύος, κατανάλωση ρεύματος, ακολουθία εκκίνησης, προγραμματισμό, διεπαφή διαχείρισης, σύνδεση θυρών, δοκιμή βρόχου επιστροφής ή κυκλοφορίας, λειτουργία LED και αναγνώριση οπτικής μονάδας, όπου εφαρμόζεται. Το βάθος της δοκιμής εξαρτάται από το εξάρτημα και το λογισμικό που παρέχεται ή αναπτύσσεται από κοινού για το έργο. Η επιθεώρηση PCB/PCBA δεν αντικαθιστά τη διαλειτουργικότητα IEEE 802.3, την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα, την ασφάλεια ή την κανονιστική πιστοποίηση του τελικού διακόπτη.

7. Λίστα ελέγχου πακέτου μηχανικής: Από το πρωτότυπο πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος διακόπτη Ethernet έως την παραγωγή

Για μια ακριβή προσφορά και μια ελεγχόμενη έκδοση παραγωγής, συμπεριλάβετε:

• Δεδομένα Gerber/ODB++ και αρχεία εξερεύνησης
• Σχέδιο κατασκευής με διαστάσεις σανίδας, ανοχές και ειδικές διαδικασίες
• Εγκεκριμένες απαιτήσεις στοίβαξης και υλικών
• Λίστα ελεγχόμενης σύνθετης αντίστασης με στόχο, ανοχή και επίπεδο αναφοράς
• Υλικό κατασκευής (BOM) με εγκεκριμένους αριθμούς εξαρτημάτων κατασκευαστή και εναλλακτική πολιτική
• Δεδομένα επιλογής και τοποθέτησης και σχέδια συναρμολόγησης
• Μηχανικές λεπτομέρειες σύνδεσης/κλωβού για κρίσιμες διεπαφές
• Αρχεία και οδηγίες προγραμματισμού
• Διαδικασία λειτουργικής δοκιμής, λογισμικό, εξαρτήματα και όρια επιτυχίας/αποτυχίας
• Πρωτότυπες, πιλοτικές και παραγωγικές ποσότητες συν απαιτήσεις ιχνηλασιμότητας

Μια σταδιακή κατασκευή πρωτοτύπου PCB είναι χρήσιμη για την επικύρωση της στοίβαξης, της μηχανικής εφαρμογής, της διαδικασίας συναρμολόγησης, της θερμικής συμπεριφοράς και της μεθόδου δοκιμής πριν από την κατάψυξη του συνόλου δεδομένων παραγωγής. Η Highleap Electronics μπορεί να υποστηρίξει συναρμολόγηση μόνο με κατασκευή, συναρμολόγηση με προμήθεια ή συναρμολόγηση PCB με το κλειδί στο χέρι, σύμφωνα με την προμήθεια και το εύρος δοκιμών που ορίζονται από την ομάδα σας. Για σχετικά θέματα αρχιτεκτονικής και επαλήθευσης διακόπτη, ανατρέξτε στην επισκόπηση PCB διακόπτη και στον οδηγό δοκιμής αξιοπιστίας PCB διακόπτη δικτύου.