Ethernet-kytkimen piirilevyjen valmistus nopeaa verkkolaitteistoa varten

Ethernet -kytkimen piirilevy on valmistusalusta useille eri sähköisille osa-alueille: kytkinlaitteelle tai prosessorille, Ethernet PHY:ille, muistille, kellotukselle, tehomuunnokselle, hallintapiireille ja kupari- tai optisille porttiliitännöille. Levy voi tukea vain muutamia kupariportteja tai yhdistää useita portteja SFP/SFP+/muiden kytkettävien liitäntöjen kanssa. Koska sähköiset vaatimukset muuttuvat arkkitehtuurin ja tiedonsiirtonopeuden mukaan, hyödyllinen valmistussuunnitelma alkaa varsinaisesta kytkentäkaaviosta, pinoamisesta, kanavarajoituksista ja kokoonpanon osaluettelosta – ei yleisestä "verkkokytkimen piirilevyn" spesifikaatiosta. Highleap Electronics tarjoaa nopeaa tietoliikennepiirilevyjen valmistusta ja avaimet käteen -periaatteella toimivia piirilevyjä verkkolaitteistoille, mukaan lukien kontrolloidun impedanssin omaavat monikerroslevyt, tiheä kokoonpano ja tuotantoon suuntautunut suunnittelutarkastus.

1. Aloita kytkinarkkitehtuurilla, älä yleisellä "Ethernet-piirilevyn" spesifikaatiolla

Sama tuotekategoria voi sisältää hyvin erilaisia ​​piirilevyhaasteita. Kompakti ei-hallittava kytkin voi käyttää pitkälle integroitua kytkintä/PHY-laitetta ja useita magneettimoduuleja. Hallittava alusta voi lisätä erillisen suorittimen, DDR-muistia, flash-muistia, useita PHY-piirejä, SFP-häkkejä, redundantin virransyötön, konsoliportteja ja suuren kytkentä-ASIC-piirin.

1.1 Tunnista jokainen nopea liitäntä ennen Stackup-julkaisua

Suunnittelutiimin tulisi merkitä rajapinnat, joiden sähköinen käyttäytyminen riippuu kontrolloidusta geometriasta. Näitä voivat olla PHY:n ja magneettipiirien väliset differentiaaliparit, sarjaliitännät kytkimen ASIC:n ja PHY:iden välillä, nopeat muistiväylät, kellolinjat, PCIe- tai muut isäntäliitännät monimutkaisemmilla alustoilla sekä nopeat yhteydet optisiin moduuleihin.

Kaikki verkot eivät tarvitse impedanssin säätöä. Jokaisen reitin käsitteleminen "suurnopeuksisena" lisää kustannuksia parantamatta suorituskykyä. Valmistuspiirustuksissa tulisi yksilöidä rakenteet, jotka todella vaativat impedanssin säätöä, ja kunkin odotettu toleranssi.

1.2 Kupariportit ja optiset portit luovat erilaisia ​​asettelurajoituksia

Kupariset Ethernet-portit reititetään magneettien ja ulkoisten liittimien kautta. Liitettävät optiset/sähköiset moduulit voivat sisältää nopeita sarjakanavia, häkkimekaniikkaa, liittimien laukaisugeometriaa ja pidempiä häviöherkkiä polkuja. Jos molemmat ovat läsnä, piirilevy saattaa tarvita erilaisia ​​reitityssääntöjä eri alueilla.

1.3 Porttien määrä vaikuttaa muuhunkin kuin piirilevyn kokoon

Porttien määrän kasvaessa suunnittelussa saatetaan tarvita enemmän PHY-kanavia, virtakiskoja, kellojakelua, I/O-liittimiä, lämpöhajotusta ja tiheää pakoreititystä. Tämä voi ohjata suunnittelua kohti suurempaa kerrosmäärää tai HDI- piirilevyominaisuuksia. Valmistustavoitteena on lisätä monimutkaisuutta vain silloin, kun se ratkaisee reititys- tai signaalin eheysrajoitteen.

2. Piirilevyjen pinoaminen ja kontrolloitu impedanssi Switch-to-PHY- ja Port-Side -reitityksille

Pinoaminen on yksi varhaisimmista valmistuspäätöksistä, jotka voivat olennaisesti muuttaa Ethernet-kytkimen suorituskykyä. Dielektrisen paksuuden, kuparin paksuuden, hartsipitoisuuden, lasin tyylin, referenssitason sijoittelun ja lopullisen johdinradan geometrian vaikutus on kaikkien vaikutus impedanssiin ja häviöön.

2.1 Rakenna pinoaminen referenssitasojen ympärille

Suurilla nopeuksilla varustetuilla kerroksilla tulisi olla yhtenäiset referenssitasot, jotka on sijoitettu kontrolloiduille etäisyyksille. Tämä antaa suunnittelutiimille ennustettavan impedanssin ja lyhyet paluuvirtareitit. Teho- ja maadoituskerrosten sijoittelu vaikuttaa myös tehonjakelun impedanssiin ja reitityskerrosten väliseen ylikuulumiseen.

Valmistusta varten hyväksytyssä piirilevyjen pinoamisspesifikaatiossa tulee yksilöidä laminaattiperhe, ydin-/prepreg-rakenne, kuparin painot, valmiin materiaalin paksuus ja kontrolloidun impedanssin omaavat kerrokset. Jos toimittaja ehdottaa vastaavaa dielektristä rakennetta, muutos tulee tarkistaa sähköisesti ennen julkaisua.

2.2 Tarvitseeko jokainen Ethernet-kytkimen piirilevy vähähäviöistä materiaalia?

Ei. Hyvin suunnitellut FR-4-järjestelmät sopivat monille Ethernet-kytkinkanaville, kun häviöbudjetti ja rakenne sen sallivat. Vähähäviöisistä laminaateista tulee hyödyllisiä, kun reunanopeus, kanavan pituus, liittimien käynnistysajat, sarjaliikennenopeus tai lisäyshäviömarginaali tekevät standardimateriaalista riittämättömän. Oikea päätös tulee kanavabudjetista; nopeaan piirilevymateriaaliin keskittyvä oppaamme selittää valmistusmuuttujat, joita tulisi vertailla sen sijaan, että laminaattimerkkiä pidettäisiin suorituskykytakuuna.

Highleap työskentelee nopeassa piirilevyvalmistuksessa käytettyjen vakiomateriaalien ja pienihäviöisten materiaaliperheiden kanssa . Materiaalien korvattavuus tulisi arvioida Dk:n ja Df:n, paksuuden saatavuuden, kupariprofiilin, lämpökäyttäytymisen ja laminointiyhteensopivuuden suhteen.

2.3 Impedanssimittaukset varmistavat valmistetun rakenteen

Kun tarvitaan kontrolloitua impedanssia , testikappaleet voidaan asettaa tuotantopaneelille ja mitata valmistuksen jälkeen. Koekappale varmistaa valmistetun kokoonpanon ja geometrian; se ei korvaa koko kanavan validointia kootussa järjestelmässä. Testausvaatimukset, kohde, toleranssi, referenssikerros ja koekappalerakenteet tulee sisällyttää tilausdokumentaatioon.

3. Rakenteiden, liittimien ja häviöbudjetin kautta gigabitin ja monigigabitin kytkinlaitteistossa

Epäjatkuvuuksista tulee yhä tärkeämpiä signaalin reunataajuuksien ja kanavataajuuksien noustessa. Läpiviennit, liittimien käynnistysajot, tynkät, kerrossiirtymät ja referenssitason muutokset lisäävät kaikki loisvaikutuksia.

3.1 Tarvitseeko Ethernet-kytkimen piirilevy aina porata taaksepäin?

Ei. Standardi pinnoitettu läpivienti voi olla täysin hyväksyttävä, jos kanavan budjetti sen sallii. Piirilevyn takareiät , sokkoreiät tai mikroreiät otetaan käyttöön, kun käyttämättömät läpivientirajat tai reititystiheys on niin merkittävä, että lisäprosessi on perusteltu. Valmistajan tulisi saada syvyyssäädellyn poraustaulukon tai HDI-rakennusjärjestyksen tiedot sen sijaan, että hän päättelisi tarkoituksen Gerber-tiedostoista.

3.2 Liittimen käynnistysgeometrian on pysyttävä yhdenmukaisena

RJ45-magneetit, piirilevyliittimet, mezzanine-liittimet ja pistokeliitäntäiset moduuliliitännät luovat kaikki siirtymän rakenteiden välille. Liitäntätyynyjen koko, vastaliitäntätyynyjen geometria, referenssiläpivientien sijoittelu ja haaroitusreikien reititys voivat hallita paikallista impedanssia. Valmistus-CAM-muutokset näiden laukaisujen lähellä tulisi minimoida ja tarkistaa tarvittaessa.

3.3 Älä jätä huomiotta häkkien ja liittimien ympärillä olevia mekaanisia toleransseja

SFP-perheen häkit, päällekkäiset RJ45-liittimet, LEDit, valoputket ja koteloiden aukot luovat tiukat mekaaniset kytkennät. Levyn ääriviivan toleranssi, liittimen sijainti, kiinnitysreikien sijainti ja juotosliitosten istuvuus voivat vaikuttaa lopulliseen sopivuuteen. 3D-malli tai mekaaninen piirustus auttaa kokoonpanijaa tunnistamaan häiriöt ennen tuotantoa.

4. Virranjakelu, kellot ja paluupolun ohjaus Ethernet-kytkinlevyillä

Signaalireitti saa suurimman osan huomiosta, mutta monet kytkinviat alkavat tehon eheydestä, kellon laadusta tai paluureitin ongelmista.

4.1 Kytkinlaitteet tarvitsevat usein useita pienjännitekiskoja

Kytkin-ASIC-piirit ja -prosessorit voivat käyttää erillisiä ydin-, I/O-, muisti-, analogia- ja SerDes-syötteitä. Säätimen topologia ja sekvenssi ovat laitekohtaisia. Piirilevyllä laajat tehotasot, paikallinen irtikytkentä, sijoittelu ja matalaimpedanssiset liitännät auttavat sähkönjakeluverkkoa toimimaan tarkoitetulla tavalla.

4.2 Kelloreititystä tulisi käsitellä sähköisenä rajapintana

PHY-piirien tai kytkinlaitteiden referenssioskillaattorit ja -kellot voivat olla herkkiä kohinalle ja heijastuskatkoksille. Valmistajan tulisi säilyttää suojaus-/estorakenteet ja välttää yhdistävien läpivientien tai referenssikuparin siirtämistä näiden piirien ympärille ilman lupaa.

4.3 Paluupolun epäjatkuvuudet voivat olla pahempia kuin jäljityspituuksien erot

Jaetun tason ylittävä differentiaalipari tai referenssin muuttuminen ilman riittävää nidontaa voi aiheuttaa yhteismuotoista kohinaa ja sähkömagneettista häirintää. Tätä ei voida korjata valmistamalla piirustuksia sen jälkeen, kun ne on julkaistu. Käytännön DFM-tarkastelu voi merkitä tasokatkoksia, valmistettavuusongelmia ja läpivientirajoituksia, kun taas lopullinen signaalin eheyden validointi on edelleen osa laitteistosuunnitteluprosessia.

5. Piirilevykokoonpano kytkin-ASIC-, PHY-, Magnetics-, RJ45- ja pistokeliitännöille

Ethernet-kytkimen piirilevy on usein sekateknologiaa hyödyntävä rakennelma. Hienojakoinen BGA-kokoonpano voi sijaita QFN-piirien, kiteiden, tehoinduktoreiden, suurten RJ45-liittimien, puristussovitteisten tai läpireikäosien ja metallihäkkien vieressä.

5.1 BGA- ja QFN-kokoonpano vaatii pakettikohtaista prosessinohjausta

Sapluunan suunnittelu, pastan määrä, uudelleensulatusprofiili, piirilevyn tuki ja pakkauksen kosteudenkesto vaikuttavat liitoksen laatuun. BGA- tai QFN-lämpötyynyjen alla olevien reikien täyttö-/korkkimäärityksissä tulisi olla oikeat täyttö-/korkkimääritykset, jos avoimet reiät imevät juotetta. Röntgenkuvaus on hyödyllinen piiloliitoksissa ja lämpötyynyjen aukkojen arvioinnissa, koska näitä ominaisuuksia ei voida täysin arvioida AOI:lla.

5.2 Magneettiset ja Ethernet-liittimet vaativat hallittua korvaamista

Kaksi mekaanisesti samankaltaista RJ45-liitintä voivat käyttää erilaisia ​​integroituja magneetteja, LED-nastajärjestystä, keskikontaktien järjestelyä, suojauksen rakennetta tai PoE-ominaisuutta. Samoin erillisillä magneettimoduuleilla on sähköiset ominaisuudet, joiden on vastattava suunnittelua. Osaluettelon korvaaminen tulisi siksi hyväksyttää suunnittelussa, ei pelkästään jalanjäljen perusteella.

5.3 Suuret liittimet vaikuttavat juotosreittiin

Liittimen suunnittelusta ja piirilevyjen kokoonpanosta riippuen läpireikäosat voidaan juottaa aaltojuottamalla, valikoivasti juottamalla tai manuaalisesti SMT-juottamalla. Lämpötilan hallinnan, reiän koon, kupariliitännän ja viereisten komponenttien ympärillä olevan eristyksen tulee olla yhteensopivia valitun prosessin kanssa. Highleapin SMT-piirilevyjen kokoonpanopalvelu voidaan integroida läpireikäkokoonpanoon täydellisiä kytkinpiirilevyjä varten.

6. Ethernet-kytkimen piirilevyjen tarkastus- ja toimintatestausstrategia

Hyvä testaussuunnitelma erottaa valmistusvirheet järjestelmätason Ethernet-suorituskyvystä.

6.1 Paljas lauta

100 %:n sähköisen jatkuvuuden/eristyksen testaus on normaali lähtökohta valmistetuille piirilevyille. Impedanssikokeet lisätään, kun kontrolloitu impedanssi on määritelty. Mittatarkastus, juotosmaski, viimeistely, poraus ja visuaalinen tarkastus varmistavat, että fyysinen piirilevy vastaa julkaistuja vaatimuksia.

6.2 Kokoonpanon tarkastus

SPI voi tarkistaa juotospastan kertymisen ennen asennusta. AOI tarkistaa komponenttien läsnäolon, napaisuuden, kohdistuksen ja näkyvät juotosliitokset. Röntgentarkastus lisätään BGA-, LGA-, QFN- tai muille piilossa oleville juotosliitoksille. Nämä menetelmät täydentävät toisiaan; mikään yksinään ei todista Ethernet-portin oikeaa toimintaa.

6.3 Mitä Ethernet-kytkimen piirilevyjen toiminnallisen testauksen tulisi kattaa?

Toiminnallinen testaus voi sisältää virtakiskojen, virrankulutuksen, käynnistysjärjestyksen, ohjelmoinnin, hallintaliittymän, porttilinkityksen, silmukka- tai liikennetestauksen, LED-toiminnan ja optisten moduulien tunnistuksen soveltuvin osin. Testien laajuus riippuu projektia varten toimitetusta tai yhteiskehitetystä kalustosta ja ohjelmistosta. Piirilevy-/piirilevyasennusten tarkastus ei korvaa valmiin kytkimen IEEE 802.3 -yhteentoimivuus-, EMC-, turvallisuus- tai sääntelykelpoisuutta.

7. Suunnittelupaketin tarkistuslista: Ethernet-kytkimen prototyyppipiirilevystä tuotantoon

Tarkan tarjouksen ja valvotun tuotantoluvan saamiseksi liitä mukaan:

• Gerber/ODB++-data- ja poraustiedostot
• Valmistuspiirustus, jossa on levyn mitat, toleranssit ja erikoisprosessit
• Hyväksytyt pinoamis- ja materiaalivaatimukset
• Kontrolloidun impedanssin lista kohde-, toleranssi- ja referenssikerroksella
• Tuoteluettelo hyväksytyillä valmistajan osanumeroilla ja vaihtoehtoisella käytännöllä
• Poimi ja sijoita -tiedot ja kokoonpanopiirustukset
• Kriittisten rajapintojen liittimen/häkin mekaaniset yksityiskohdat
• Ohjelmointitiedostot ja -ohjeet
• Toiminnallisen testauksen menettely, ohjelmisto, kiinnittimet ja hyväksymis-/hylkäysrajat
• Prototyyppi-, pilotti- ja tuotantomäärät sekä jäljitettävyysvaatimukset

Vaiheittainen piirilevyn prototyypin rakentaminen on hyödyllinen pinoamisen, mekaanisen sopivuuden, kokoonpanoprosessin, lämpökäyttäytymisen ja testausmenetelmän validoinnissa ennen tuotantodatan jäädyttämistä. Highleap Electronics voi tukea pelkästään valmistusta, ulkoista kokoonpanoa tai avaimet käteen -periaatteella tapahtuvaa piirilevyn kokoonpanoa tiimisi määrittelemän hankinta- ja testauslaajuuden mukaisesti. Katso asiaankuuluvia kytkinarkkitehtuurin ja todentamisen aiheita kytkinpiirilevyn yleiskatsauksestamme ja verkkokytkimen piirilevyn luotettavuustestausoppaastamme.