Projekt 10-warstwowej płytki PCB dla impedancji i płaszczyzn

Dziesięciowarstwowy układ warstw to architektura elektryczna i produkcyjna, a nie lista warstw miedzi oddzielonych nominalną grubością prepregu. Określa on, które sygnały mają ciągłe odniesienia, jaka jest dostępna przepustowość, gdzie jest dystrybuowane zasilanie, jaka geometria ścieżek jest możliwa do wyprodukowania oraz jak panel zachowuje się podczas laminowania. Ponieważ dziesięć warstw miedzi tworzy dziewięć szczelin dielektrycznych, pozornie niewielka zmiana w jednej szczelinie może zmienić impedancję, całkowitą grubość i symetrię.

Poniższe przykłady stanowią punkty wyjścia do projektowania, a nie stosy gotowych elementów do produkcji. Ostateczna konstrukcja rdzenia i prepregów, grubości tłoczenia, folie miedziane i kontrolowana geometria muszą zostać zatwierdzone przez producenta. Użyj tej strony z przewodnik po materiałach oraz specyfikacja impedancji.

Wybierz architekturę warstw przed wyborem grubości dielektryka

Zacznij od sklasyfikowania projektu: liczba kanałów routingu o dużej szybkości, wymagane płaszczyzny zasilania, gęstość wyjść BGA, czułe sekcje analogowe lub RF, struktura przelotowa lub HDI, grubość końcowa i ograniczenia mechaniczne. Celem nie jest maksymalizacja warstw oznaczonych jako „sygnał”. Celem jest zapewnienie każdej krytycznej ścieżce użytecznego odniesienia, zachowanie ciągłości ścieżek powrotnych i zachowanie wystarczającej powierzchni płaszczyzny do dystrybucji zasilania.

Kierunek routingu jest decyzją drugorzędną. Przypisanie warstw „poziomych” i „pionowych” nie naprawia stosu z sąsiednimi warstwami sygnału wysokiej prędkości i bez płaszczyzny odniesienia. Najpierw należy określić strukturę pola i ścieżki powrotnej, a następnie przydzielić preferowane kierunki na podstawie rozmieszczenia i przeciążenia.

Trzy przydatne archetypy układania 10 warstw

Sam stosunek nie dowodzi, że stackup jest dobry. Dwa układy „6 sygnałów / 4 płaszczyzny” mogą zachowywać się bardzo różnie w zależności od umiejscowienia płaszczyzn. Jeśli projekt wymaga sześciu warstw sygnałowych, warstwy sąsiadujące z płaszczyznami należy zarezerwować dla sieci krytycznych, a wolniejsze, krótsze lub ortogonalnie kierowane sygnały umieścić na mniej korzystnej parze.

Przykład 10 warstw bogatych w płaszczyznę odniesienia

Poniższa kolejność warstw stanowi solidny punkt wyjścia dla sztywnej płytki z czterema głównymi warstwami sygnałowymi. Jest ona symetryczna elektrycznie w krytycznych środowiskach sygnałowych i można ją uzyskać symetrycznie mechanicznie poprzez lustrzane odbicie dielektryków i miedzi. Nie podaje ona uniwersalnych grubości dielektryków ani szerokości ścieżek.

Taki układ zapewnia obu wewnętrznym warstwom sygnałowym dwa punkty odniesienia masy i utrzymuje każdy sygnał zewnętrzny blisko masy. Każda centralna płaszczyzna zasilania ma zewnętrznego partnera masy. Centralny odstęp L5-L6 można dobrać pod kątem całkowitej grubości i równowagi mechanicznej, bez błędnego postrzegania go jako pary odsprzęgającej zasilanie-masa.

Projekty wymagające większej liczby tras mogą konwertować płaszczyznę na sygnał, ale konsekwencje muszą być wyraźnie określone. Na przykład, konwersja L6 na sygnał usuwa szeroką płaszczyznę zasilania i tworzy warstwę sygnałową przylegającą do zasilania L5 i masy L7. Krytyczne trasy na tej warstwie muszą unikać podziałów L5 lub być zaprojektowane tak, aby odnosiły się przede wszystkim do L7.

Wyciskanie, miedź i zamknięcie impedancyjne

Grubość prepregu po laminowaniu nie jest równa jego wartości katalogowej w stanie nieutwardzonym. Grubość po prasowaniu zależy od rodzaju szkła, zawartości żywicy, gęstości miedzi, obróbki, cyklu prasowania i lokalnego przepływu żywicy. Producent powinien określić przewidywaną grubość po prasowaniu dla konkretnej konstrukcji i wskazać tolerancję zastosowaną w modelu impedancji.

Zewnętrzna miedź jest wymiarem gotowym

Warstwy zewnętrzne powstają z folii bazowej i nabierają miedzi podczas galwanizacji otworów i wzorów. Model o kontrolowanej impedancji powinien uwzględniać przekrój gotowej ścieżki, w tym trapezowy kształt wytrawiania. Warstwy wewnętrzne są zazwyczaj wytrawiane z folii bez tego samego wzrostu galwanizacji, więc ścieżka zewnętrzna i wewnętrzna o tym samym nominalnym oznaczeniu uncji niekoniecznie mają tę samą geometrię.

Nie zwalniaj szerokości śladów przed ułożeniem ich w stos

Rysunek, który ustala 50 Ω na określonej szerokości, jednocześnie pozwalając dostawcy na zmianę konstrukcji dielektrycznej, tworzy sprzeczność. Należy albo udostępnić dokładny układ warstw i geometrię, albo określić docelową impedancję i upoważnić producenta do dostosowania szerokości/odstępów w uzgodnionych granicach. Wszelkie zmiany wpływające na odstęp między ścieżkami lub przekoszenie par należy przesłać do klienta w celu zatwierdzenia.

Użyj właściwych danych materiałowych

Solver terenowy powinien używać współczynnika Dk specyficznego dla danej konstrukcji lub skalibrowanego dla danego procesu, a nie pojedynczego nagłówka rodziny skopiowanego z arkusza danych. Struktury powierzchniowe powinny obejmować maskę lutowniczą, jeśli jest obecna. Analiza strat przy dużych prędkościach wymaga dodatkowo współczynnika Df, chropowatości miedzi i zachowania zależnego od częstotliwości; samo obliczenie impedancji nie kwalifikuje strat w kanale.

Integralność zasilania, ścieżki powrotne i EMI

Ciaśniejszy odstęp między sygnałem a źródłem sygnału zmniejsza indukcyjność pętli i rozproszenie pola, ale dokładna poprawa zależy od geometrii; nie należy jej reklamować jako stałej redukcji dB. Pary płaszczyzn mogą zapewniać rozproszoną pojemność, jednak ich wartość jest zgodna z relacją równoległych płyt i rzeczywistym obszarem nakładania się. Cienki dielektryk uziemienia i zasilania może być przydatny, ale nie eliminuje dyskretnego odsprzęgania ani indukcyjności obudowy.

Utrzymuj ciągłość szybkich płaszczyzn odniesienia. Jeśli płaszczyzna zasilania zawiera wiele wysp, nie umieszczaj tras krytycznych w miejscach, w których dominujący prąd powrotny musiałby przekraczać granicę wyspy. Jeśli warstwa sygnału znajduje się między zasilaniem a masą, zdecyduj, która płaszczyzna jest docelową płaszczyzną odniesienia i upewnij się, że ścieżka alternatywna jest kontrolowana.

Ogrodzenia krawędziowe mogą pomóc w rozwiązaniu wybranych problemów z częstotliwością radiową (RF) lub prądem w obudowie, ale uniwersalny, stały odstęp wokół każdej płytki cyfrowej jest zbędny i może ograniczyć liczbę ścieżek lub spowodować perforację płaszczyzny. Odstępy i zakończenia ogrodzeń powinny być zgodne z najwyższą kontrolowaną częstotliwością i strategią obudowy.

Zaplanuj ścieżkę powrotną przy każdym przejściu warstwy

Przejście sygnału zmienia pole elektromagnetyczne z jednej struktury linii transmisyjnej na inną. Gdy obie warstwy trasowania odwołują się do płaszczyzn uziemienia, pobliskie przejścia uziemienia mogą połączyć te płaszczyzny i zmniejszyć pętlę ścieżki powrotnej, ale ich liczba i rozmieszczenie powinny być zgodne z geometrią przejścia, a nie z uniwersalną zasadą odległości. Gdy trasa zmienia się między warstwami odniesionymi do różnych przewodników, takimi jak uziemienie na jednej warstwie i płaszczyzna zasilania na drugiej, prąd powrotny wymaga przemyślanej ścieżki transferu. Ścieżka ta może wykorzystywać odpowiednio umieszczony kondensator odsprzęgający między przewodnikami odniesienia, inne przypisanie warstw lub przeprojektowane przejście, które utrzymuje oba segmenty odniesione do masy.

Rysunek stosu powinien zatem wskazywać zamierzone odniesienie dla każdej kontrolowanej warstwy, a nie tylko oznaczać warstwę jako „sygnałową”. Pola przelotowe, anty-pady i odstępy między płaszczyznami należy analizować łącznie, ponieważ elektrycznie poprawny porządek warstw może zostać zakłócony przez przejście, które usuwa zbyt dużo pobliskiej miedzi odniesienia.

Symetria, równowaga miedzi i ryzyko wygięcia/skręcenia

Symetria mechaniczna oznacza coś więcej niż przypisanie tych samych nazw sieci wzdłuż linii środkowej. Należy sparować zewnętrzne masy miedzi, konstrukcje dielektryczne i oczekiwane pokrycie miedzią. Strona komponentu o dużej gęstości może mieć znacznie więcej miedzi niż strona przeciwna, nawet gdy nominalne masy folii są takie same; może być konieczne zastosowanie mechanizmu CAM lub zrównoważenie projektu.

Akceptowalność wygięcia i skręcenia zależy od odpowiedniej specyfikacji produktu i potrzeb montażowych. Montaż BGA o drobnym skoku może wymagać większej płaskości niż standardowy limit dla płytki drukowanej. Dlatego analiza stosu powinna uwzględniać rozmiar panelu, obrys płytki, rozkład miedzi, wycięcia, mieszankę materiałów i metodę depanelizacji, a nie tylko symetrię warstw.

Materiały hybrydowe, warianty HDI i Rigid-Flex

Hybrydowa konstrukcja o niskich stratach

Materiał o niskiej stratności można zlokalizować wokół wybranych warstw sygnałowych, ale dokładny układ rdzenia, prepregu lub bondply musi zostać określony. Nie należy narzucać uniwersalnego progu różnicy współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) i zakładać zgodności. Należy przeanalizować przepływ żywicy, przyczepność, utwardzanie, ruch wymiarowy, proces wiercenia/odtłuszczania oraz niezawodność otworów metalizowanych dla całej pary materiałów.

Wzrost HDI

W płytkach o strukturze 1+8+1, 2+6+2 lub 3+4+3, oznaczenie warstw opisuje rozkład warstw, a nie sam proces produkcji. Każdy poziom warstw obejmuje naświetlanie, laminowanie, wiercenie laserowe, metalizację oraz, w razie potrzeby, wypełnianie/planaryzację. Struktura warstw musi identyfikować każdy zakres mikroprzelotek, przelotkę zakopaną, przelotkę przelotową oraz kolejność formowania struktur. Zliczanie cykli prasy powinno obejmować centralny podkompozyt i każdą sekwencyjną warstwę warstw, zgodnie z terminologią zdefiniowaną przez dostawcę.

Układ sztywno-giętki

Dziesięciowarstwowa płyta sztywno-giętka niekoniecznie przechodzi przez strefę gięcia. Często tylko wybrane warstwy giętkie są kontynuowane, podczas gdy pozostałe warstwy miedziane kończą się w strefie sztywnej. Projekt powinien określać liczbę warstw giętkich, konstrukcję bezklejową lub klejącą, warstwę wierzchnią, usztywnienia, rodzaj miedzi, kierunek gięcia oraz obciążenie statyczne lub dynamiczne. IPC-2223 to norma projektowa; parametry gotowych płyt giętkich i sztywno-giętkich są określone w normie IPC-6013.

Pakiet wydania Stackup i bramka DFM

Zestawienie produkcyjne powinno być kontrolowane pod kątem rewizji i obejmować wszystkie dziesięć warstw miedzi, wszystkie dziewięć szczelin dielektrycznych, gatunek materiału i konstrukcję, oznaczenie rdzenia/prepregu, grubość nominalną i tolerancyjną, typ i grubość miedzi, grubość gotowej płytki, kontrolowane struktury, rozstawy przelotek oraz wszelkie uwagi dotyczące laminowania sekwencyjnego.

Uzupełnij tę bramkę przed zatwierdzeniem routingu. Przepływ pracy „ostateczny stos po przesłaniu pliku Gerber” wymusza niepotrzebne zmiany w grafice i może unieważnić symulację czasu i kanału. Prześlij konstrukcję przez Recenzja DFM z tabelą kontrolowanej impedancji i założeniami dotyczącymi krytycznego routingu.

Typowe błędy stosu i ich konsekwencje

Nieprawidłowe liczenie funkcji

Tabela warstw, która deklaruje sześć warstw sygnału, ale wymienia tylko cztery, podważa cały sens projektu. Należy bezpośrednio policzyć funkcje miedzi i zweryfikować środowisko odniesienia każdego sygnału.

Pomijanie przerw dielektrycznych

Dziesięć warstw miedzi wymaga dziewięciu separacji dielektrycznych. Tabela, która wymienia tylko dielektryk „poniżej” wybranych warstw, często pomija lub podwaja liczbę przerw i nie jest zgodna z grubością końcową.

Korzystanie z uniwersalnych szerokości śladów

Stałe wymiary 50 Ω lub 100 Ω skopiowane z innej konstrukcji nie powinny pojawiać się jako reguły gotowe do produkcji. Należy je przeliczyć na podstawie rzeczywistego modelu dielektryka, miedzi i materiału.

Nazywanie dwóch płaszczyzn mocy parą odsprzęgającą

Rozproszona pojemność płaszczyzny jest przydatna między przewodnikami o przeciwnym ładunku, zazwyczaj zasilającymi i uziemiającymi. Dwie sąsiednie płaszczyzny zasilające na różnych szynach nie zastępują zazwyczaj pary zasilanie-masa i mogą wprowadzać sprzężenie między szynami.

Zakładając, że etykiety elektryczne tworzą symetrię mechaniczną

Wypaczenie zależy od materiału, grubości i rozkładu miedzi. Lustrzane nazwy warstw nie wystarczą, jeśli jedna strona ma gęstą miedź, a druga rzadkie ścieżki.

Uzgodnienie grubości gotowej przed wydaniem układu

Nominalna grubość płytki jest wynikiem wszystkich dziewięciu prasowanych szczelin dielektrycznych, dziesięciu warstw miedzi, wkładu powłoki oraz standardu pomiarowego dostawcy. Prosta suma rdzeni katalogowych i prepregów może być błędna, ponieważ miedź zostaje zatopiona w żywicy, a powłoka zewnętrzna jest dodawana po laminowaniu. Udostępniony stos powinien zawierać obliczoną przez dostawcę wartość i tolerancję gotowego produktu, a następnie potwierdzać, że wymagania dotyczące złącza, dopasowania wciskowego, krawędzi karty i obudowy opierają się na tej samej definicji.

Tolerancja grubości zmienia również impedancję i geometrię wiercenia wstecznego. Projekt bliski granicy zakresu styków złącza lub okno wiercenia o kontrolowanej głębokości może wymagać ściślejszej kontroli konstrukcyjnej niż w przypadku zwykłej płytki. Jeśli w celu zmniejszenia długości przelotki proponuje się cieńszą płytkę, należy sprawdzić sztywność, obsługę montażu, odkształcenia i kompatybilność złącza, zamiast traktować grubość wyłącznie jako zmienną elektryczną.

Kontrola wersji stosu

Należy dokonać rewizji każdego zatwierdzonego układu warstw i powiązać z nim rysunek wykonawczy, tabelę impedancji, model symulacyjny i zestaw reguł rozmieszczenia. Proponowana przez dostawcę zmiana rdzenia, prepregu, miedzi lub materiału powinna generować poprawkę układu warstw i identyfikować kontrolowane zmiany geometrii. Zapobiega to sytuacji, w której pozornie drobna zmiana w zakupie automatycznie unieważnia ograniczenia trasowania.

Efekty na poziomie panelu

Ten sam obrys płytki może zachowywać się inaczej po umieszczeniu na innym panelu produkcyjnym. Kradzież miedzi, konstrukcja szyny, rozmieszczenie kuponów, obciążenie prasy i frezowanie elementów odrywających mogą wpływać na jednorodność grubości oraz wygięcia/skręcenia. Należy uwzględnić panelizację w przeglądzie pierwszego artykułu, gdy płaskość, kontrolowana głębokość lub próbkowanie impedancji mają kluczowe znaczenie.

Ciężkie konstrukcje miedziane, RF i specjalne konstrukcje termiczne

Gruba miedź zmienia się bardziej niż aktualna wydajność. Gruba folia wymaga większego naddatku na trawienie, wpływa na minimalną ilość śladu i przestrzeni, zwiększa zapotrzebowanie na żywicę podczas laminowania i może utrudniać bilans miedzi. Płytka dziesięciowarstwowa z wybranymi warstwami o dużej mocy może wymagać konstrukcji prepregów wypełnionych żywicą, miedzi schodkowej lub lokalnych struktur magistralnych zamiast równomiernej grubej miedzi na każdej warstwie. Dostawca powinien zapewnić możliwą do uzyskania geometrię dla dokładnej grubości miedzi i rozmiaru panelu.

Warstwy RF można umieścić na zewnątrz lub w hybrydowym stosie, w zależności od dostępu do startu, osłony i obróbki materiału. Kontrolowane struktury RF mogą wymagać uziemienia współpłaszczyznowego, przez ogrodzenia, wnęki lub pokrycia krawędzi oraz wykończenia bezniklowego w wybranych zastosowaniach. Cechy te należy traktować jako specyficzny projekt układu rozproszonego; istotne mogą być normy IPC-2228 i wytyczne procesowe wybranego dostawcy materiałów. Nie należy ich sprowadzać do „użyj Rogersa na L1”.

Wbudowane miedziane monety, wkłady termiczne i metalowe rozpraszacze ciepła tworzą lokalne ograniczenia grubości, pokrycia i laminowania. Ich interfejsy, izolacja, planarność i ścieżka termiczna muszą zostać zdefiniowane przed zwolnieniem stosu. Element termiczny może zakłócić pobliską impedancję lub odkształcenie, jeśli zostanie dodany po trasowaniu. Należy skoordynować model termiczny, rysunek mechaniczny i kolejność warstw elektrycznych w ramach jednego projektu.

W przypadku wszelkich konstrukcji specjalnych należy poprosić o rysunek przekroju poprzecznego i odpowiedź DFM dotyczącą konkretnego procesu. Ogólna tabela możliwości dziesięciu warstw nie powinna sugerować, że każdą opcję grubej miedzi, RF, giętkiej i wbudowanej termicznie można połączyć bez kwalifikacji projektu.

Kontrola zmian stosu po rozpoczęciu układu

Po powiązaniu reguł trasowania, celów opóźnień i modeli kanałów z zatwierdzonym układem warstw, zmiana materiału lub konstrukcji jest zmianą inżynierską, a nie zmianą zakupu. Zmiany w konstrukcji rdzenia lub prepregu, zawartości żywicy, folii miedzianej, wykończonej miedzi, masce lutowniczej, rozstawie przelotek lub kolejności laminowania mogą wpływać na więcej niż jedno ograniczenie projektowe jednocześnie.

Gdy dział zaopatrzenia wymaga innej grubości dielektryka, należy ponownie przeprowadzić kontrolę elektryczną i mechaniczną. Zmiana jednego prepregu może zmienić szerokość ścieżek, odstępy między parami, opóźnienie propagacji, całkowitą grubość i równowagę żywicy. Zmieniony rysunek powinien identyfikować nową konstrukcję, a nie zachowywać stary numer wersji. Ta zasada jest szczególnie ważna, gdy stos jest ponownie wykorzystywany w kilku produktach lub zakładach produkcyjnych.

Lista kontrolna zatwierdzenia Stackup

Układ jest gotowy do publikacji po uzgodnieniu architektury elektrycznej i konstrukcji materiałów możliwych do produkcji. Pakiet zatwierdzający powinien zawierać wszystkie dziesięć warstw miedzi i dziewięć przerw dielektrycznych, identyfikować płaszczyznę odniesienia dla każdej kontrolowanej warstwy sygnałowej oraz zamykać obliczenia grubości gotowej, wykorzystując wartości dielektryczne z tłoczenia, a nie z katalogu.

• Potwierdź funkcje warstw, ciągłość odniesienia i segmentację płaszczyzny zasilania.
• Zrównoważyć konstrukcję dielektryczną, rozmieszczenie miedzi i specjalne materiały wokół środka mechanicznego, tam gdzie to możliwe.
• Określ dokładne opcje rdzenia, prepregu, zawartości żywicy i folii miedzianej stosowane w modelach impedancji i strat.
• Przed ostatecznym numerowaniem należy rozwiązać problemy z sublaminacjami HDI, przelotkami zakopanymi, przejściami giętkimi i wiązaniami materiałów hybrydowych.
• Zwróć szerokości produkcyjne, odstępy między parami i grubość końcową do zatwierdzenia.
• Zablokuj wersję stosu przed sfinalizowaniem ograniczeń routingu i reguł dopasowywania opóźnień.

Przydatny rysunek warstwowy stanowi zarówno granicę modelu elektrycznego, jak i instrukcję produkcyjną. Jeśli nie wyjaśnia ścieżki powrotnej, całkowitej grubości, konstrukcji miedzi i kolejności laminowania, nie jest gotowy do wydania.