10-laags PCB-opbouwontwerp voor impedantie en vlakken

Een tienlaagse opbouw is een elektrische en productiearchitectuur, geen opsomming van koperlagen gescheiden door nominale prepreg-diktes. Het bepaalt welke signalen continue referenties hebben, hoeveel routingcapaciteit beschikbaar is, waar de stroom wordt verdeeld, welke spoorgeometrie produceerbaar is en hoe het paneel zich gedraagt ​​tijdens het lamineren. Omdat tien koperlagen negen diëlektrische spleten creëren, kan een ogenschijnlijk kleine verandering in één spleet de impedantie, de totale dikte en de symmetrie beïnvloeden.

De onderstaande voorbeelden dienen als uitgangspunt voor het ontwerp en niet als definitieve samenstelling voor productie. De uiteindelijke kern- en prepregconstructies, geperste diktes, koperfolies en gecontroleerde geometrieën moeten door de fabrikant worden bevestigd. Gebruik deze pagina in combinatie met de materiaalgids en de impedantiespecificatie.

Kies een lagenarchitectuur voordat u de dikte van het diëlektricum bepaalt.

Begin met het classificeren van het ontwerp: aantal snelle routingkanalen, benodigde voedingsvlakken, BGA-uitstroomdichtheid, gevoelige analoge of RF-secties, doorvoer- of HDI-structuur, uiteindelijke dikte en mechanische beperkingen. Het doel is niet om het aantal lagen met het label "signaal" te maximaliseren. Het doel is om elke kritieke route een bruikbare referentie te geven, retourpaden continu te houden en voldoende vlakoppervlak te behouden voor stroomdistributie.

De routeringsrichting is een secundaire beslissing. Het toewijzen van "horizontale" en "verticale" lagen lost een opeenhoping van signalen met aangrenzende hogesnelheidssignalen en zonder referentievlak niet op. Bepaal eerst de veld- en retourpadstructuur en wijs vervolgens de voorkeursrichtingen toe op basis van plaatsing en congestie.

Drie nuttige archetypen voor een stapelstructuur van 10 lagen

De verhouding alleen bewijst niet dat een stackup goed is. Twee "6 signaal / 4 vlakken"-arrangementen kunnen zich heel verschillend gedragen, afhankelijk van waar de vlakken geplaatst zijn. Als een ontwerp zes signaallagen nodig heeft, reserveer dan de lagen naast de vlakken voor kritieke netten en plaats langzamere, kortere of orthogonaal gerouteerde signalen op het minder gunstige paar.

Een voorbeeld van een 10-laags systeem met veel referentievlakken

De volgende lagenvolgorde is een robuust conceptueel uitgangspunt voor een stijve printplaat met vier hoofdsignaallagen. Deze is elektrisch symmetrisch in de kritische signaalomgevingen en kan mechanisch symmetrisch worden gemaakt door de diëlektrische en koperen constructies te spiegelen. Er worden geen universele diëlektrische diktes of spoorbreedtes gepubliceerd.

Deze opstelling geeft beide binnenste signaallagen twee aardreferenties en houdt elk buitenste signaal dicht bij aarde. Elk centraal voedingsvlak heeft een externe aardingspartner. De centrale L5-L6-afstand kan worden gekozen voor de totale dikte en mechanische balans, zonder dat dit ten onrechte wordt aangezien voor een ontkoppelingspaar tussen voeding en aarde.

Ontwerpen die meer routing vereisen, kunnen een vlak omzetten naar een signaalvlak, maar de gevolgen moeten expliciet worden vermeld. Het omzetten van L6 naar een signaalvlak verwijdert bijvoorbeeld een breed voedingsvlak en creëert een signaallaag naast L5 voeding en L7 massa. Kritieke routes op die laag moeten splitsingen met L5 vermijden of zo worden ontworpen dat ze voornamelijk naar L7 verwijzen.

Uitdrukbare, koperen en impedantiesluiting

De dikte van het prepreg na laminering is niet gelijk aan de cataloguswaarde voor ongehard prepreg. De geperste dikte is afhankelijk van het glassoort, het harsgehalte, de koperdichtheid, de behandeling, de perscyclus en de lokale harsvloei. De fabrikant dient de verwachte persdikte voor de specifieke constructie op te geven en de tolerantie aan te geven die in het impedantiemodel is gebruikt.

De buitenste koperlaag is een afgewerkte afmeting.

De buitenste lagen beginnen met een basisfolie en krijgen koper tijdens het galvaniseren van gaten en patronen. Het model met gecontroleerde impedantie moet de voltooide doorsnede van de printspoor gebruiken, inclusief de trapeziumvormige etsvorm. Binnenste lagen worden meestal geëtst uit folie zonder dezelfde groei tijdens het galvaniseren van patronen, waardoor een buitenste en binnenste printspoor met dezelfde nominale ounce-aanduiding niet noodzakelijkerwijs dezelfde geometrie hebben.

Geef de spoorbreedtes niet vrij voordat de stackup is voltooid.

Een tekening die 50 Ω vastlegt op een bepaalde breedte, terwijl de leverancier de diëlektrische constructie mag wijzigen, leidt tot een tegenstrijdigheid. Geef ofwel de exacte opbouw en geometrie vrij, ofwel specificeer de impedantiedoelstelling en geef de fabrikant toestemming om de breedte/afstand binnen overeengekomen grenzen aan te passen. Elke wijziging die de routingvrijheid of de paarskew beïnvloedt, moet ter goedkeuring aan de klant worden voorgelegd.

Gebruik de juiste materiaalgegevens.

De veldberekening moet gebruikmaken van constructiespecifieke of procesgekalibreerde Dk-waarden, en niet van een algemene term die is overgenomen uit een datasheet. Oppervlaktestructuren moeten, indien aanwezig, soldeermasker omvatten. Analyse van hogesnelheidsverliezen vereist bovendien Df, koperruwheid en frequentieafhankelijk gedrag; de impedantieberekening alleen is niet voldoende om het kanaalverlies te kwantificeren.

Stroomvoorzieningsintegriteit, retourpaden en EMI

Een kleinere afstand tussen het signaal en de referentie vermindert de lusinductantie en de veldspreiding, maar de exacte verbetering is afhankelijk van de geometrie; het mag niet worden aangeprezen als een vaste dB-reductie. Vlakke paren kunnen een verdeelde capaciteit bieden, maar hun waarde volgt de parallelle-plaatrelatie en het werkelijke overlappingsgebied. Een dunne diëlektrische laag tussen de voedings- en aardingsgeleider kan nuttig zijn, maar elimineert geen discrete ontkoppeling of pakketinductantie.

Zorg ervoor dat referentievlakken met hoge snelheid continu zijn. Wanneer een voedingsvlak meerdere eilanden bevat, plaats dan geen kritieke routes waar de dominante retourstroom een ​​eilandgrens zou moeten overschrijden. Als een signaallaag zich tussen voeding en aarde bevindt, bepaal dan welk vlak het beoogde referentievlak is en zorg ervoor dat het alternatieve pad gecontroleerd wordt.

Randdoorvoeren met hekken kunnen bepaalde RF- of behuizingsstroomproblemen verhelpen, maar een universele vaste afstand rond elke digitale printplaat is niet nodig en kan de routing beperken of perforaties in het vlak veroorzaken. De afstand en afwerking van de hekken moeten afgestemd zijn op de hoogste frequentie en de te beheersen behuizingsstrategie.

Plan het terugpad bij elke laagovergang.

Een signaalvia verandert het elektromagnetische veld van de ene transmissielijnstructuur naar de andere. Wanneer beide routinglagen verwijzen naar aardingsvlakken, kunnen nabijgelegen aardingsvias deze vlakken verbinden en de retourlus verminderen. Het aantal en de plaatsing van deze vias moeten echter de overgangsgeometrie volgen in plaats van een universele afstandsregel. Wanneer een route verandert tussen lagen die verwijzen naar verschillende geleiders, zoals aarding op de ene laag en een voedingsvlak op de andere, heeft de retourstroom een ​​weloverwogen overdrachtspad nodig. Dat pad kan gebruikmaken van een geschikte ontkoppelingscondensator tussen de referentiegeleiders, een andere laagtoewijzing of een herontworpen overgang die beide segmenten naar aarding verbonden houdt.

De opbouwtekening moet daarom de beoogde referentie voor elke gecontroleerde laag aangeven, en niet alleen een laag labelen als "signaal". Via-velden, anti-pads en vlakafstanden moeten gezamenlijk worden beoordeeld, omdat een elektrisch correcte laagvolgorde nog steeds kan worden ondermijnd door een overgang die te veel nabijgelegen referentiekoper verwijdert.

Symmetrie, koperbalans en risico op kromming/verdraaiing

Mechanische symmetrie houdt meer in dan alleen het toewijzen van dezelfde netnamen over de middenlijn. Stem de buitenste kopergewichten, diëlektrische constructies en de verwachte koperdekking op elkaar af. Een componentzijde met een hoge dichtheid kan veel meer koper bevatten dan de tegenoverliggende zijde, zelfs als de nominale foliegewichten overeenkomen; in dat geval kan het nodig zijn om de juiste CAM-gegevens te vinden of het ontwerp te optimaliseren.

De acceptatie van kromming en verdraaiing wordt bepaald door de toepasselijke productspecificatie en assemblagevereisten. Fine-pitch BGA-assemblage kan een strakkere vlakheid vereisen dan een algemene limiet voor een kale printplaat. Bij de beoordeling van de stackup moet daarom rekening worden gehouden met paneelgrootte, printplaatcontouren, koperverdeling, uitsparingen, materiaalsamenstelling en de methode voor het verwijderen van panelen, en niet alleen met de symmetrie van de lagen.

Hybride materialen, HDI- en stijf-flexibele varianten

Hybride constructie met laag verlies

Materiaal met lage verliezen kan rond geselecteerde signaallagen worden aangebracht, maar de exacte kern-, prepreg- of bondply-configuratie moet worden gekwalificeerd. Hanteer geen universele drempelwaarde voor CTE-verschillen en ga niet uit van compatibiliteit. Controleer de harsvloei, hechting, uitharding, dimensionale beweging, boor-/ontsmettingsproces en betrouwbaarheid van de geplateerde gaten voor het complete materiaalpaar.

HDI-opbouw

Bij een 1+8+1, 2+6+2 of 3+4+3 printplaat beschrijft de laagnotatie de opbouwverdeling, niet het volledige productieproces. Elk opbouwniveau omvat beeldvorming, laminering, laserboring, metallisatie en, indien nodig, vulling/planarisatie. De opbouw moet elke microvia, ingebedde via, doorgaande via en de volgorde waarin structuren worden gevormd, identificeren. Het tellen van de perscycli moet het centrale subcomposiet en elke opeenvolgende opbouw omvatten, met gebruikmaking van de door de leverancier gedefinieerde terminologie.

Stijf-flexibele stapeling

Een stijf-flexibele printplaat met tien lagen hoeft niet per se alle tien lagen door de buigzone te voeren. Vaak lopen slechts bepaalde flexibele lagen door, terwijl andere koperlagen eindigen in het stijve gedeelte. Het ontwerp moet het aantal flexibele lagen, de lijmloze of lijmloze constructie, de afdeklaag, de verstevigingen, het kopertype, de buigrichting en de statische of dynamische belasting specificeren. IPC-2223 is een ontwerpnorm; de prestaties van afgewerkte flexibele en stijf-flexibele printplaten worden behandeld in IPC-6013.

Stackup Release Package en DFM Gate

Een productie-opbouw moet onder revisiebeheer vallen en alle tien koperlagen, alle negen diëlektrische spleten, materiaalkwaliteit en -constructie, kern-/prepreg-aanduiding, nominale en tolerantiedikte, kopertype en -dikte, uiteindelijke printplaatdikte, gecontroleerde structuren, via-afstanden en eventuele opmerkingen over sequentiële laminering bevatten.

Voltooi deze stap vóór de definitieve goedkeuring van de routing. Een workflow met "definitieve stackup na indiening van Gerber-bestanden" dwingt tot onnodige wijzigingen in het artwork en kan de timing- en kanaalsimulatie ongeldig maken. Dien de constructie in via de DFM-review met de tabel voor gecontroleerde impedantie en de kritische routingaannames.

Veelvoorkomende stapelfouten en hun gevolgen

De telfuncties werken onjuist.

Een lagentabel die beweert zes signaallagen te hebben, maar er slechts vier vermeldt, ondermijnt de hele ontwerpfilosofie. Tel de koperfuncties direct en controleer de referentieomgeving van elk signaal.

Het weglaten van diëlektrische spleten

Tien koperlagen vereisen negen diëlektrische scheidingslagen. Een tabel die alleen diëlektrische lagen "onder" geselecteerde lagen vermeldt, laat vaak tussenruimtes weg of telt ze dubbel en kan niet overeenkomen met de uiteindelijke dikte.

Gebruikmakend van universele spoorbreedtes

Vaste afmetingen van 50 Ω of 100 Ω die zijn overgenomen van een andere constructie, mogen niet als fabricageklare regels worden weergegeven. Ze moeten opnieuw worden berekend met het daadwerkelijke geperste diëlektrische materiaal, koper en materiaalmodel.

Twee voedingsvlakken een ontkoppelingspaar noemen

Verdeelde vlakcapaciteit is nuttig tussen geleiders met tegengestelde lading, meestal voedings- en aardingsgeleiders. Twee naast elkaar gelegen voedingsvlakken op verschillende rails zijn geen algemene vervanging voor een voedings-aarde-paar en kunnen koppeling tussen de rails veroorzaken.

Ervan uitgaande dat elektrische labels mechanische symmetrie creëren

Kromming is afhankelijk van het materiaal, de dikte en de koperverdeling. Gespiegelde laagnamen zijn niet voldoende als de ene kant een hoge koperdichtheid heeft en de andere kant een lage koperverdeling.

Controleer de uiteindelijke dikte voordat de lay-out wordt vrijgegeven.

De nominale dikte van de printplaat is het resultaat van alle negen geperste diëlektrische spleten, tien koperlagen, de bijdrage van de beplating en de meetmethode van de leverancier. Een eenvoudige optelling van cataloguskernen en prepregs kan onjuist zijn, omdat koper in de hars wordt ingebed en de buitenste beplating na het lamineren wordt aangebracht. De vrijgegeven opbouw moet de door de leverancier berekende eindwaarde en tolerantie weergeven. Controleer vervolgens of de eisen voor connectoren, perspassing, kaartranden en behuizingen dezelfde definitie hanteren.

Diktetolerantie beïnvloedt ook de impedantie en de geometrie van de achterboring. Een ontwerp nabij de grens van het contactbereik van een connector of een gecontroleerd boordieptevenster vereist mogelijk een strengere constructiecontrole dan een standaard printplaat. Als een dunnere printplaat wordt voorgesteld om de lengte van de via's te verkorten, controleer dan de stijfheid, de assemblage, de kromtrekking en de connectorcompatibiliteit in plaats van de dikte alleen als een elektrische variabele te beschouwen.

Stackup revisiebeheer

Geef elke goedgekeurde stackup een revisie en koppel de fabricagetekening, impedantietabel, simulatiemodel en lay-outregelset aan die revisie. Een door de leverancier voorgestelde wijziging in de kern, prepreg, koper of materiaal moet een aangepaste stackup opleveren en aangeven welke gecontroleerde geometrieën veranderen. Dit voorkomt dat een ogenschijnlijk kleine aankoopwijziging ongemerkt de routingbeperkingen ongeldig maakt.

Effecten op paneelniveau

Dezelfde printplaatcontour kan zich anders gedragen wanneer deze op een ander productiepaneel wordt geplaatst. Koperdiefstal, railontwerp, plaatsing van de teststukken, persbelading en het frezen van afbreekbare onderdelen kunnen de dikteuniformiteit en kromming/verdraaiing beïnvloeden. Neem paneelindeling mee in de eerste productbeoordeling wanneer vlakheid, gecontroleerde diepte of impedantiemeting cruciaal zijn.

Zware koperen, RF- en thermische speciale constructies

Dik koper verandert meer dan alleen de huidige capaciteit. Dikke folie vereist een grotere etsmarge, beïnvloedt de minimale spoorbreedte en -afstand, verhoogt de harsbehoefte tijdens het lamineren en kan het balanceren van koper lastiger maken. Een printplaat met tien lagen en geselecteerde lagen met een hoog vermogen vereist mogelijk met hars gevulde prepreg-constructies, getrapt koper of gelokaliseerde busstructuren in plaats van uniform dik koper op elke laag. De leverancier moet de haalbare geometrie voor de exacte koperdikte en paneelgrootte kunnen opgeven.

RF-lagen kunnen aan de buitenkant of in een hybride stapelstructuur worden geplaatst, afhankelijk van de lanceertoegang, afscherming en materiaalverwerking. Gecontroleerde RF-structuren kunnen in bepaalde toepassingen een coplanaire aarding, via-afschermingen, holte- of randbeplating en een nikkelvrije afwerking vereisen. Deze kenmerken moeten worden behandeld als een specifiek ontwerp voor gedistribueerde circuits; IPC-2228 en de procesrichtlijnen van de geselecteerde materiaalleverancier kunnen relevant zijn. Ze mogen niet worden gereduceerd tot "gebruik speciaal verliesarm laminaat op L1".

Ingebedde koperen elementen, thermische inlays en metalen warmteverspreiders creëren lokale beperkingen met betrekking tot dikte, beplating en laminering. Hun interfaces, isolatie, vlakheid en thermische pad moeten worden gedefinieerd voordat de stapelstructuur wordt vrijgegeven. Een thermisch element kan de nabijgelegen impedantie verstoren of kromtrekking veroorzaken als het na het routeren wordt toegevoegd. Coördineer het thermische model, de mechanische tekening en de elektrische laagvolgorde in één ontwerp.

Voor speciale constructies kunt u een dwarsdoorsnedetekening en een proces-specifieke DFM-reactie aanvragen. De algemene tabel met tien lagen mag niet impliceren dat elke optie met dik koper, RF, flexibele kabel en ingebouwde thermische isolatie zonder projectkwalificatie gecombineerd kan worden.

Stackup Change Control na het starten van de lay-out

Zodra routeringsregels, vertragingsdoelen en kanaalmodellen zijn gekoppeld aan een goedgekeurde configuratie, is een wijziging in materiaal of constructie een technische wijziging en geen vervanging door inkoop. Wijzigingen in de kern- of prepregconstructie, harsgehalte, koperfolie, afgewerkt koper, soldeermasker, via-afstand of lamineervolgorde kunnen meerdere ontwerpbeperkingen tegelijk beïnvloeden.

Wanneer de inkoopafdeling een andere diëlektrische dikte vereist, moeten zowel de elektrische als de mechanische controles opnieuw worden uitgevoerd. Het wijzigen van één prepreg kan de spoorbreedte, de paarafstand, de voortplantingsvertraging, de totale dikte en de harsbalans beïnvloeden. De herziene tekening moet de nieuwe constructie aangeven in plaats van het oude revisienummer te behouden. Deze discipline is met name belangrijk wanneer een stackup wordt hergebruikt voor meerdere producten of productielocaties.

Stackup-goedkeuringschecklist

Een stackup is klaar voor vrijgave van de lay-out wanneer de elektrische architectuur en de produceerbare materiaalconstructie op elkaar zijn afgestemd. Het definitieve ontwerp moet alle tien koperlagen en alle negen diëlektrische spleten tonen, het referentievlak voor elke aangestuurde signaallaag identificeren en de berekening van de uiteindelijke dikte afsluiten met behulp van geperste diëlektrische waarden (niet de cataloguswaarden).

• Controleer de laagfuncties, de continuïteit van de referentie en de segmentatie van het voedingsvlak.
• Zorg voor een evenwichtige diëlektrische constructie, koperdistributie en speciale materialen rondom het mechanische centrum waar dat praktisch mogelijk is.
• Identificeer de exacte kern, prepreg, harsgehalte en koperfolie-opties die in de impedantie- en verliesmodellen zijn gebruikt.
• Los HDI-sublaminaties, verborgen via's, flexibele overgangen en verbindingen tussen hybride materialen op vóór de definitieve nummering.
• Geef de productiebreedtes, de tussenruimtes en de uiteindelijke dikte ter goedkeuring door.
• Vergrendel de stackup-revisie voordat de routeringsbeperkingen en vertragingsafstemmingsregels definitief zijn vastgesteld.

Een bruikbare opbouwtekening is zowel een elektrische modelbegrenzing als een productie-instructie. Als deze het retourpad, de totale dikte, de koperconstructie en de lamineervolgorde niet kan verklaren, is deze niet geschikt voor vrijgave.