28-kerroksisen piirilevyn suunnitteluopas: Pinoaminen, materiaalit ja 28 Gbps:n signaalin eheys

28-kerroksinen piirilevysuunnittelu on maksimireititystiheyden ja todellisen valmistuksen monimutkaisuuden risteyskohdassa. Se valitaan, kun 24 kerrosta eivät pysty absorboimaan monimutkaisen järjestelmän vaatimaa signaalikerrosten määrää, kun tehonsyöttö vaatii enemmän erillisiä tasoja kuin pienempi kerrosmäärä tarjoaa, tai kun tekoälyprosessorin, verkkokytkimen ASICin tai edistyneen FPGA:n komponenttitiheys vaatii piirilevyn, joka pystyy reitittämään jokaisen signaalin kontrolloidulla impedanssilla. Tämä opas on kirjoitettu suunnittelijoille ja hankintapäälliköille, jotka työskentelevät todellisten 28-kerroksisten ohjelmien parissa – se kattaa päätökset, jotka määräävät, onko... 28-kerroksisen piirilevyn valmistaja voi itse asiassa rakentaa suunnitelmasi spesifikaatioiden mukaisesti.

1. Milloin 28 kerrosta on oikea kerrosmäärä?

1.1 Reititystiheysvaatimukset, jotka ohjaavat 28-tasoisia päätöksiä

Päätös käyttää 28 kerrosta tehdään harvoin mielivaltaisesti. Se seuraa tyypillisesti strukturoitua kerrosmääräanalyysiä: reititystiheysarvio (kokonaisnettopituus jaettuna käytettävissä olevalla reititysalueella kerrosta kohden), joka osoittaa, että 24 kerrosta ei pysty tarjoamaan tarvittavaa signaalimäärää vaaditulla jäljitysleveydellä ja -välillä. Yleisiä laukaisevia tekijöitä:

• Yli 2 500 nastaa sisältävät BGA-kotelot, joissa on 0.8 mm:n tai 1.0 mm:n jako, ja joissa pakoreititys vaatii useita signaalikerroksia kotelon puolta kohden
• Monisiruiset paketit (MCM- tai 2.5D-välittäjäkokoonpanot), joissa yhteenlaskettu I/O-määrä ylittää 24-kerroksisen reitityskapasiteetin
• Nopea sarjaliikenne yhdistää yli 64 differentiaaliparia nopeudella 28 Gbps+, ja jokainen pari on reititettävä referenssitasot ylä- ja alapuolella koko pituudeltaan
• Tehoalueet, joiden monimutkaisuus ylittää 6–8 ja jotka vaativat erillisiä tasoja useille jännitekiskoille jaetun tason kohinan kytkennän välttämiseksi

Jos suunnittelusi ei täytä vähintään kahta näistä kriteereistä, kannattaa tehdä 24-kerroksisten vaihtoehtojen strukturoitu tarkastelu ennen kuin sitoudutaan 28-kerroksiseen työkaluun ja valmistuskustannuksiin.

1.2 28-kerroksisen etu 24- ja 32-kerroksisiin verrattuna

Kaksikymmentäkahdeksan kerrosta tarjoaa neljä lisäreititys- tai tasokerrosta 24-kerroksisen pinon lisäksi, samalla pysyen peräkkäisen laminoinnin alueella, jota laajempi toimittajapooli pystyy hallitsemaan (tyypillisesti 2–3 laminointisykliä verrattuna 3–4:ään, joita tarvitaan yli 30 kerrokseen). Verrattuna 32 kerrokseen, 28 kerrosta tarjoaa merkittävästi alhaisemmat materiaalikustannukset (vähemmän prepreg- ja ydinkerroksia), lyhyemmän peräkkäisen laminointiajan ja suuremman valmistussaannon – samalla kun se täyttää valtaosan 400G-verkkojen, tekoälypäättelyn ja edistyneiden FPGA-alustojen suunnittelun vaatimukset. PCB:n valmistus Peräkkäisen laminoinnin työnkulku auttaa asettamaan realistiset läpimenoaika- ja kustannusodotukset ennen tarjouspyynnön lähettämistä.

2. Pinoamissuunnittelu 28-kerroksisille suurnopeusmalleille

2.1 Kerrosten määritysperiaatteet

Hyvin suunniteltu 28-kerroksinen järjestelmä noudattaa vakiintuneita signaalin eheysperiaatteita, jotka muuttuvat tärkeämmiksi kerrosmäärän kasvaessa:

• Jokaisella suurnopeussignaalikerroksella on oltava välittömästi vieressä jatkuva referenssitaso. 28 kerroksella tasokerroksista ei ole pulaa – käytä niitä luodaksesi liuskajohtoympäristöjä jokaiselle kriittiselle signaaliryhmälle. Ulkokerrosten mikroliuskareititys tulisi varata signaaleille, joissa kontrolloidun impedanssin vaatimus on toissijainen.
• Säilytä symmetria levyn keskitason suhteen. Epäsymmetrinen pinoaminen – eri kuparipainot, eri dielektriset paksuudet tai eri määrä signaali- ja tasokerroksia keskipisteen kummallakin puolella – luo levylle nettotaivutusmomentin laminoinnin ja lämpökierron aikana. 28 kerroksella ja 3.0–3.6 mm:n valmiilla paksuudella epäsymmetristen pinoamisten aiheuttama käyristyminen on vaikea korjata ja voi aiheuttaa kokoonpanovirheitä. IPC-luokka 3 edellyttää ≤0.5 %:n taipumista ja kiertymistä.
• Ryhmittele tehotasot jännitealueen mukaan siten, että niiden väliin jää signaalikerrokset mahdollisuuksien mukaan. Kahden signaalikerroksen välinen tasopari (teho + maa) toimii erotuskondensaattorina, jolla on hyvin lyhyt silmukkainduktanssi – todellinen PDN-etu. Suunnittele pinoaminen siten, että tätä geometriaa käytetään kohinaisimpiin tehoalueisiin.

Erittäin hienojakoiseen BGA-escape-reititykseen 28 kerroksella HDI rakenteiden kautta – pinottuja mikroreikiä ja reikälevyssä olevia reikiä – tarvitaan usein. Nämä vaativat valmistajalta aktiivisen peräkkäisen laminointilinjan ja erillisen laserporauskyvyn, ei pelkästään kykyä ilmoittaa kerrosmäärää.

2.2 Dielektrisen paksuuden ja impedanssin tavoitearvot

28 kerroksen tapauksessa signaalikerrosten ja niiden referenssitasojen väliset dielektriset paksuudet ovat tyypillisesti 75–150 µm:n välillä sisäisillä liuskajohtokerroksilla. Tämä vaikuttaa juovien leveyksiin – 50 Ω:n yksipäinen juova 100 µm:n dielektrisen kerroksen päällä, jonka Er = 3.7 (Isola 370HR), on noin 170–180 µm leveä, mikä on hallittavissa nykyaikaisilla menetelmillä. impedanssiohjattu piirilevyjen valmistus100 Ω:n differentiaalipareille juovan leveyden ja välistyksen yhdistelmä on määritettävä valmistajan kenttäratkaisijalla käyttäen todellista pinoamisgeometriaa – ei online-laskimilla arvioituna.

Ohuemmat dielektriset materiaalit (75 µm tai vähemmän) mahdollistavat tiiviimmän kytkennän differentiaaliparien välillä ja pienemmän loiskapasitanssin suurnopeussolmuissa, mutta ne edellyttävät valmistajalta osoitettua kykyä dielektrisen paksuuden toleranssin noudattamiseen (IPC-luokan 3 vaatimus on ±10 % nimellispaksuudesta laminoinnin jälkeen). 75 µm:n nimellispaksuudella ±10 % tarkoittaa ±7.5 µm – toleranssi, joka edellyttää valmistajalta prepreg-hartsin virtauksen tarkkaa kuvaamista jokaiselle materiaaliyhdistelmälle ja laminointireseptille.

3. Signaalin eheys 28 Gbps:n ja sitä suuremmilla nopeuksilla

3.1 Lisäyshäviöbudjetti 28-kerroksisille piirilevyille

Saavuttaminen korkeataajuisen signaalin suorituskyky Yli 28 Gbps:n sarjalinkkien kysyntä vaatii huolellista materiaalivalintaa ja kuparifolion määrittelyä ennen pinoamisen jäädyttämistä. 28 Gbps:n NRZ-signaali (14 GHz:n perustaajuus), joka ylittää 300 mm:n levyn sisemmällä liuskajohtokerroksella, kohtaa johdinhäviöitä, dielektrisiä häviöitä ja läpivientihäviöitä. Tyypillisessä 28-kerroksisessa levyssä, jossa käytetään Isola 370HR -eristettä ja standardikuparia:

• Johdinhäviö (standardi ED-kupari): noin 0.18–0.22 dB/cm 14 GHz:n taajuudella
• Dielektrinen häviö (Df = 0.021 10 GHz:ssä): noin 0.12–0.15 dB/cm 14 GHz:ssä
• Yhdistetty kanavahäviö 300 mm:llä: 9–11 dB, ennen läpivientien osuuksia

Tämä budjetti on marginaalinen 28 Gbps:n NRZ:lle ilman taajuuskorjausta. Pienempää häviötä vaativissa malleissa – tai 56 Gbps:n (28 Gbaudin) PAM4-signalointiin, jossa häviöbudjetti on tiukempi – Panasonic Megtron 6 (Df = 0.002) ja VLP-kupari vähentävät yhdistetyn häviön noin 5–6 dB:iin samalla kanavanpituudella, mikä tarjoaa huomattavan pelivaran taajuuskorjaukselle ja järjestelmän luotettavuudelle.

Käytännön seuraus: 28-kerroksisen rakenteen materiaalivalinta yli 28 Gbps:n nopeudella ei ole toissijainen päätös. Se tulisi tehdä suunnitteluprosessin alkuvaiheessa, perustuen mitattuun kanavahäviöbudjettiin esiasennussimulaatiosta, ja varmistaa ennen valmistajan valintaa – koska kaikki 28-kerroksisten järjestelmien valmistajat eivät varastoi tai käsittele Megtron 6:tta säännöllisesti.

3.2 Epäjatkuvuuden ja takaisinporauksen kautta 28 kerroksessa

28-kerroksisessa levyssä oleva läpivientireikä, jota käytetään vain murto-osassa levyn paksuudesta, jättää jäljelle pätkän, joka resonoi signaalin kaistanleveyden sisällä. 28-kerroksisessa levyssä, jonka valmiin materiaalin paksuus on 3.2 mm ja jossa läpivienti yhdistää vain kerrokset 1–14, käyttämätön pätkä on noin 1.6 mm – ja resonoi noin 30 GHz:n taajuudella. 28 Gbps:n NRZ-signaaleilla, joiden energia on jopa 14 GHz, tämä resonanssi on harmonisella rajalla; 56 Gbps:n signaaleilla se on suoraan kaistan sisäpuolella.

Takareikäporaus poistaa käyttämättömän läpivientitynkän, jolloin jäljelle jää kontrolloidusti tyypillisesti ≤0.25 mm:n jäännös. Prosessi vaatii syvyyskontrolloitua mekaanista porausta ±50–75 µm:n Z-akselin tarkkuudella ja mittakompensaatiomallin, joka on kalibroitu kullekin levyn paksuudelle. Pyydä poikkileikkausvalokuvia valmistajan viimeaikaisesta tuotannosta takarei'itettyjen läpivientien osalta – mitattu tynkän jäännöspituus näkyy suoraan leikkauksessa ja on luotettavin varmistus heidän takareikäprosessinsa kapasiteetista.

4. Virranjakeluverkon arkkitehtuuri 28-kerroksisissa piirilevyissä

4.1 Tasolaskenta ja tehoalueen eristäminen

28-kerroksisessa rakenteessa tyypillisesti 10–14 kerrosta allokoidaan tasoille (teho ja maa yhteensä) ja 14–18 kerrosta signaalin reititykseen. Tämä tasotiheys mahdollistaa aidon tehoalueen eristämisen: erilliset tasot ydinjännitteelle, I/O-jännitteelle, analogiselle syötölle, DDR-päätejännitteelle ja apukiskoille – jokaisella on oma paluureittinsä ja irtikytkentästrategiansa. Vaihtoehto – jaetut tasot jaetulla kuparivalunnalla – tuo mukanaan korkeataajuisen kytkennän tehoalueiden välille, jota on vaikea mallintaa ja vaikea poistaa olemassa olevasta rakenteesta.

varten Tekoälyllä varustetut datakeskuslevyt Ja huippuluokan verkkoalustoissa, joissa on toimitettava kymmeniä ampeereja alle 1 V:n ydinjännitteellä millivolttitason ripple-tasolla, PDN-suunnittelu on yhteistyössä pinoamisjärjestelmän kanssa. Ydinjännitteelle valitut tasoparit on tunnistettava ennen sijoittelun aloittamista, eikä niitä ole määrätty signaalin reitityksen jälkeen jäljelle jääville kerroksille.

4.2 Kondensaattorien sijoittelun ja läpivientipäiden vaikutusten erotus

Levyn pinnalle sijoitetut irrotuskondensaattorit on kytkettävä teho- ja maatasoon läpivientirakenteiden kautta. Jokainen läpivienti tuo induktanssia – noin 0.5–1.0 nH tavalliselle läpiviennille 3.2 mm:n levyllä. 28 kerroksessa, jossa tehotasot voivat olla syvällä pinossa, pinta-asennetun irrotuskondensaattorin läpivienti-induktanssi asiaankuuluvaan tehotasoon voi olla niin merkittävä, että se heikentää kondensaattorin tehokkuutta yli 100–200 MHz:n taajuusalueilla. Tämän läpivienti-induktanssin minimointi edellyttää läpivientimatriisien (useita rinnakkaisia ​​läpivientejä) käyttöä ja irrotuskondensaattoreiden sijoittamista kerrokselle, joka on lähimpänä niiden palvelemaa komponenttia – mikä 28 kerroksessa tarkoittaa usein niiden upottamista pinoon laminointivaiheessa.

5. SI-vaatimusten muuntaminen valmistusspesifikaatioiksi

5.1 Spesifikaation elementit, joiden on oltava eksplisiittisiä

A paneloitu 28-kerroksisen piirilevyn tilaus, jossa on määritelty vain Gerber-tiedot ja kerrosmäärä, ei ole valmistusspesifikaatio. Seuraavat tiedot on ilmoitettava kirjallisesti:

• Laminaattimateriaali valmistajan, laadun ja IPC-4101-standardin mukaisen viivamerkinnän mukaan (esim. ”Isola 370HR, /126”)
• Kuparifolion tyyppi ja paino kerroksittain tai kerrosryhmittäin (esim. ”VLP-kupari, 0.5 oz sisäisillä signaalikerroksilla L3–L26”)
• Ohjatut impedanssikohteet verkkoluokalla, kerrosmäärityksellä ja toleranssilla (esim. ”100 Ω differentiaalinen, L5/L6-pari, ±5 %”)
• Takaporauksen vaatimukset: mitkä ryhmittelyn kautta, poraussuunta, enimmäistynkäpituus
• IPC-luokka: nimenomaisesti ”IPC-6012 luokka 3” – älä jätä tätä ilmoittamatta
• Pinnan viimeistely paksuusmäärityksellä (esim. ”ENIG, vähintään 2 µin Au / 150 µin Ni”)
• Testivaatimukset: 100 % lentävän anturin tai kiinnittimen sähköinen testaus, TDR-impedanssitesti paneelia kohden

5.2 DFM-tarkastus toimittajan kelpoisuustapahtumana

Pyydä valmistajalta DFM-tarkistuksen tulokset ennen tuotannon hyväksymistä. Taitava 28-kerroksisen rakenteen valmistaja tunnistaa todelliset ongelmat: rengasmaiset rikkoutumiset korkean kuvasuhteen läpivienneissä, takaporavälysristiriidat, kuparin tasapaino-ongelmat, jotka ennustavat vääntymistä, tai prepregin valintaongelmat ohuissa dielektrisissä kohteissa. Valmistaja, joka palauttaa DFM-tarkistuksen ilman kommentteja monimutkaisesta 28-kerroksisesta suunnittelusta, ei ole joko tarkistanut tiedostoja tai sillä ei ole insinöörejä, jotka pystyvät tarkistamaan niitä. Molempien tulosten pitäisi johtaa toimittajan hylkäämiseen.

6. 28-kerroksisen piirilevyn toimittajan arviointi: Todisteet, joilla on merkitystä

6.1 Toimittajien näyttömatriisi

6.2 Varoitusmerkit toimittajan arvioinnin aikana

• Toimittaja ei ole pystynyt tuottamaan poikkileikkauskuvia 28-kerroksisesta tuotannosta viimeisten 90 päivän aikana – mikä osoittaa, että 28L ei ole heidän aktiivisessa tuotannossaan.
• Impedanssi Cpk-tietoja ei ole saatavilla tai Cpk on < 1.33 – osoittaa riittämätöntä prosessinohjausta ±5 %:n toleranssin osalta.
• Toimittaja ei käytä kenttäratkaisijaa (Polar SI, iCD tai vastaava) impedanssin laskemiseen – tämä osoittaa, että juovien leveydet ovat arvioita, eivät mallinnettuja.
• DFM-tarkistuksen läpimenoaika on alle 4 tuntia monimutkaiselle 28-kerroksiselle suunnittelulle – tarkoittaa, että insinööri ei ole tarkistanut tiedostoja
• Toimittaja ei voi nimetä korkean kuvasuhteen läpivientien pinnoituskemiaa – se viittaa siihen, ettei ole perehtynyt luokan 3 pinnoitusvaatimuksiin.

Keskustele 28-kerroksisen piirilevyprojektisi kanssa

7. Läpimenoaika, kustannustekijät ja prototyypistä tuotantoon siirtyminen

7.1 Realistinen läpimenoaika 28-kerroksisille piirilevyprototyypeille

28-kerroksinen prototyyppi Hyväksytyllä valmistajalla DFM-hyväksynnästä toimitukseen kuluu 15–25 arkipäivää. Läpimenoaikaan vaikuttavat pääasiassa peräkkäinen laminointiaikataulu (jokainen sykli vaatii puristusajan, kovettumisajan ja mittaluonneanalyysin ennen seuraavan syklin alkua) ja pinnoitusjärjestys (korkean kuvasuhteen omaavien läpivientien PPR-pinnoitus vaatii pidemmän kylpyajan verrattuna tasavirtapinnoitukseen). Kaikilta toimittajilta, jotka väittävät 28-kerroksisen prototyypin toimittavan 5–7 päivässä, tulisi kysyä erikseen, miten he suorittavat 3 laminointisykliä tuossa aikataulussa – fysiikka ei tue tätä.

50–500 levyn tuotantoerille hyväksytyillä toimittajilla toimitusajat ovat tyypillisesti 20–30 arkipäivää, ja materiaalin saatavuus on yleisin muuttuja. Toimittaja, jolla on varastossa Isola 370HR- ja Megtron 6 -levyjä vakiopaksuuksina, voi aloittaa tuotannon DFM-hyväksyntäpäivänä; toimittaja, joka tilaa materiaalia työtä kohden, lisää jokaiseen tilaukseen 1–3 viikkoa.

7.2 28-kerroksisen piirilevyn kustannusrakenne

28-kerroksisen piirilevyn hallitsevat kustannustekijät vaikutusjärjestyksessä:

• Ainekustannukset: 30–40 % piirilevyn kokonaiskustannuksista. Megtron 6 maksaa 4–6 kertaa enemmän kuin Isola 370HR pinta-alayksikköä kohden. Tämä kustannusero on perusteltava SI-analyysillä, eikä sitä saa olettaa sillä, että ”parempi materiaali on parempi”.
• Peräkkäisen laminoinnin työ ja puristusaika: Jokainen laminointisykli lisää suoria kustannuksia ja pidentää läpimenoaikaa. Suunnitelmat, jotka voidaan rakentaa kahdessa syklissä kolmen sijaan, ovat merkittävästi halvempia – suunnittelun alkuvaiheessa tehdyt pinoamisarkkitehtuuripäätökset vaikuttavat kustannuksiin merkittävästi.
• Takareikäporaus: Lisää kustannuksia porausta vaativaa läpivientiryhmää kohden sekä pidentää sykliaikaa. Takareikää tulisi käyttää valikoivasti – vain läpivientiryhmiin, joissa tynkäresonanssi osuu signaalin kaistanleveydelle, ei yleisesti kaikkiin läpivienteihin.
• Pinnan viimeistely: ENIG lisää kustannuksia vain vähän 28-kerroksisen piirilevyn arvoon verrattuna. ENEPIG lisää kustannuksia lankaliitosten tai kultasormipintojen vaatimuksiin. Määritä, mitä tarvitaan, mutta älä valitse oletuksena kalleinta pintakäsittelyä ilman käyttötarkoituksen perusteluja.

7.3 Prototyypistä tuotantoon siirtymisen hallinta

Useimmissa 28-kerroksisissa ohjelmissa on ongelmia onnistuneen prototyypin ja toistettavan tuotannon välillä. Prototyypin rakentamisessa kiinnitettiin erityistä teknistä huomiota; tuotantoerä ajetaan eräajotilassa vakioprosessilla. Tuotannon laadun suojaamiseksi:

• Pyydä impedanssi Cpk-tietoja esituotantoerästä – ei vain prototyypistä
• Laadi prosessilukkosopimus, jossa määritellään hyväksytty laminaattierän lähde, pinnoitusparametrit ja laminointiprofiili ennen tuotannon aloittamista.
• Eritellä 100% sähkötestaus — lentävä luotain tai kiinnityslaite — sopimusvaatimuksena ostoeritelmässä, ei valmistajan harkinnan varaan jätettynä pyyntönä
• Kohdistaa PCB -kokoonpano vaatimukset valmistustoleransseineen varhaisessa vaiheessa: pinnan viimeistelyn valinta täyttömäärityksen kautta ja levyn tasaisuus vaikuttavat suoraan loppupään SMT-saantoon, ja nämä parametrit tulisi vahvistaa valmistus- ja kokoonpanotiimien välillä ennen ensimmäisen tuotantoerän julkaisua
• Määrittele korjaavat toimenpidemenettelyt laatusopimuksessa ennen ensimmäistä tuotantoerää – ei ensimmäisen vian jälkeen