Design de stivuire PCB cu 10 straturi pentru impedanță și planuri

O suprapunere cu zece straturi este o arhitectură electrică și de fabricație, nu o listă de straturi de cupru separate prin grosimi nominale de prepreg. Aceasta determină ce semnale au referințe continue, câtă capacitate de rutare este disponibilă, unde este distribuită energia, ce geometrie a traseului este fabricabilă și cum se comportă panoul în timpul laminării. Deoarece zece straturi de cupru creează nouă goluri dielectrice, o modificare aparent mică a unui gol poate modifica impedanța, grosimea totală și simetria.

Exemplele de mai jos reprezintă puncte de plecare pentru proiectare, mai degrabă decât etape de la fabricație la lansare. Construcțiile finale ale miezului și prepreg-ului, grosimile presate, foliile de cupru și geometriile controlate trebuie confirmate de către fabricant. Utilizați această pagină cu ghid material și specificația impedanței.

Alegeți o arhitectură de straturi înainte de a alege grosimea dielectricului

Începeți prin clasificarea designului: numărul de canale de rutare de mare viteză, planurile de putere necesare, densitatea de evadare BGA, secțiunile analogice sau RF sensibile, structura de tip „via” sau HDI, grosimea finală și constrângerile mecanice. Scopul nu este de a maximiza straturile etichetate „semnal”. Scopul este de a oferi fiecărei rute critice o referință utilizabilă, de a menține căile de retur continue și de a păstra suficientă suprafață plană pentru distribuția puterii.

Direcția de rutare este o decizie secundară. Atribuirea straturilor „orizontale” și „verticale” nu repară o suprapunere cu straturi de semnal de mare viteză adiacente și fără plan de referință. Rezolvați mai întâi structura câmpului și a căii de retur, apoi alocați direcțiile preferate pe baza plasării și a congestiei.

Trei arhetipuri utile de stivuire cu 10 straturi

Raportul în sine nu dovedește că o suprapunere este bună. Două aranjamente „6 semnale / 4 plane” se pot comporta foarte diferit în funcție de locul în care sunt plasate planurile. Dacă un design are nevoie de șase straturi de semnal, rezervați straturile adiacente planului pentru rețele critice și plasați semnale mai lente, mai scurte sau rutate ortogonal pe perechea mai puțin favorabilă.

Un exemplu de 10 straturi bogate în planuri de referință

Următoarea ordine a straturilor este un punct de plecare conceptual robust pentru o placă rigidă cu patru straturi principale de semnal. Este simetrică din punct de vedere electric în mediile critice de semnal și poate fi făcută simetrică mecanic prin oglindirea construcțiilor dielectrice și de cupru. Nu publică grosimi universale ale dielectricului sau lățimii urmelor.

Această configurație oferă ambelor straturi interne de semnal două referințe la masă și menține fiecare semnal exterior lângă masă. Fiecare plan central de putere are un partener de masă exterior. Spațierea centrală L5-L6 poate fi selectată pentru grosimea totală și echilibrul mecanic fără a fi reprezentată greșit ca o pereche de decuplare putere-masă.

Proiectele care necesită mai multe rutare pot converti un plan în semnal, dar consecințele trebuie să fie explicite. De exemplu, convertirea L6 în semnal elimină un plan de putere larg și creează un strat de semnal adiacent puterii L5 și solului L7. Rutele critice de pe acel strat trebuie să evite divizările L5 sau să fie proiectate să facă referire predominant la L7.

Închidere prin presare, cupru și impedanță

Grosimea prepreg-ului după laminare nu este egală cu valoarea sa din catalog neîntărită. Grosimea presată depinde de tipul sticlei, conținutul de rășină, densitatea cuprului, tratament, ciclul de presare și curgerea locală a rășinii. Fabricantul trebuie să furnizeze grosimea de presare așteptată pentru construcția exactă și să indice toleranța utilizată în modelul de impedanță.

Cuprul exterior este o dimensiune finită

Straturile exterioare încep cu folia de bază și acumulează cupru în timpul galvanizării prin găuri și prin model. Modelul cu impedanță controlată ar trebui să utilizeze secțiunea transversală a urmei finite, inclusiv forma de gravare trapezoidală. Straturile interioare sunt de obicei gravate din folie fără aceeași creștere a modelului de galvanizare, astfel încât o urmă exterioară și una interioară cu aceeași denumire nominală a unciei nu au neapărat aceeași geometrie.

Nu eliberați lățimile urmelor înainte de stivuire

Un desen care fixează 50 Ω la o anumită lățime, permițând în același timp furnizorului să modifice construcția dielectricului, creează o contradicție. Fie se publică stivuirea și geometria exacte, fie se specifică impedanța țintă și se autorizează fabricatorul să ajusteze lățimea/spațierea în limitele convenite. Orice modificare care afectează distanța dintre firele de rutare sau asimetria perechilor trebuie returnată spre aprobarea clientului.

Folosește datele corecte despre materiale

Rezolvatorul de câmp ar trebui să utilizeze un Dk specific construcției sau calibrat în funcție de proces, nu un singur titlu de familie copiat dintr-o fișă tehnică. Structurile de suprafață ar trebui să includă o mască de lipire, acolo unde este prezentă. Analiza pierderilor de mare viteză necesită suplimentar Df, rugozitatea cuprului și comportamentul dependent de frecvență; calculul impedanței în sine nu califică pierderea canalului.

Integritatea puterii, căile de retur și EMI

O distanță mai mică între semnal și referință reduce inductanța buclei și dispersia câmpului, dar îmbunătățirea exactă depinde de geometrie; nu ar trebui promovată ca o reducere fixă ​​în dB. Perechile plane pot oferi capacitate distribuită, însă valoarea lor urmează relația dintre plăcile paralele și aria reală de suprapunere. Un dielectric subțire de alimentare la masă poate fi util, dar nu elimină decuplarea discretă sau inductanța pachetului.

Mențineți planurile de referință de mare viteză continue. Când un plan de alimentare conține mai multe insule, nu plasați rute critice unde curentul de retur dominant ar trebui să traverseze o limită a insulei. Dacă un strat de semnal se află între alimentare și masă, decideți care plan este referința dorită și asigurați-vă că este controlată calea alternativă.

Gardurile prin intermediul marginilor pot ajuta la rezolvarea anumitor probleme de radiofrecvență sau de curent al incintei, dar un pas fix universal în jurul fiecărei plăci digitale este inutil și poate reduce rutarea sau crea perforații în plan. Pasul și terminarea gardului ar trebui să respecte cea mai mare frecvență și strategia de incintă controlată.

Planificați calea de întoarcere la fiecare tranziție de strat

O conexiune via modifică câmpul electromagnetic de la o structură de linie de transmisie la alta. Când ambele straturi de rutare au referință la plane de masă, conexiunile viare de masă din apropiere pot conecta aceste plane și pot reduce bucla căii de retur, dar numărul și amplasarea lor ar trebui să respecte geometria tranziției, mai degrabă decât o regulă universală a distanței. Când o rută se schimbă între straturile referite la conductori diferiți, cum ar fi masa pe un strat și un plan de putere pe altul, curentul de retur necesită o cale de transfer deliberată. Această cale poate utiliza un condensator de decuplare plasat corespunzător între conductorii de referință, o atribuire diferită a stratului sau o tranziție reproiectată care menține ambele segmente referite la masă.

Prin urmare, desenul de stivuire ar trebui să identifice referința dorită pentru fiecare strat controlat, nu doar să eticheteze un strat drept „semnal”. Câmpurile de via, anti-pad-urile și distanțele plane trebuie revizuite împreună, deoarece o ordine a straturilor solidă din punct de vedere electric poate fi totuși subminată de o tranziție care elimină prea mult cupru de referință din apropiere.

Simetrie, echilibru de cupru și risc de curbură/răsucire

Simetria mecanică înseamnă mai mult decât atribuirea acelorași nume de rețea pe linia centrală. Asociați greutățile exterioare de cupru, construcțiile dielectrice și acoperirea așteptată cu cupru. O parte a componentei cu densitate mare poate avea mult mai mult cupru decât partea opusă, chiar și atunci când greutățile nominale ale foliei se potrivesc; poate fi necesară utilizarea metodei CAM sau echilibrarea designului.

Acceptarea curburii și răsucirii este guvernată de specificațiile produsului aplicabile și de nevoile de asamblare. Asamblarea BGA cu pas fin poate necesita o planeitate mai strictă decât o limită generică pentru plăci goale. Prin urmare, revizuirea suprapunerii ar trebui să ia în considerare dimensiunea panoului, conturul plăcii, distribuția cuprului, decupările, amestecul de materiale și metoda de depanelizare, nu doar simetria straturilor.

Materiale hibride, HDI și variante rigide-flexibile

Construcție hibridă cu pierderi reduse

Materialul cu pierderi reduse poate fi localizat în jurul straturilor de semnal selectate, dar aranjamentul exact al miezului, prepreg-ului sau stratului de legătură trebuie calificat. Nu impuneți un prag universal de diferență CTE și presupuneți compatibilitatea. Verificați curgerea rășinii, aderența, întărirea, mișcarea dimensională, procesul de găurire/desmearing și fiabilitatea găurii placate pentru întreaga pereche de materiale.

Acumularea HDI

Într-o placă de 1+8+1, 2+6+2 sau 3+4+3, notația straturilor descrie distribuția acumulării, nu întregul proces de fabricație în sine. Fiecare nivel de acumulare adaugă imagistică, laminare, găurire cu laser, metalizare și, acolo unde este necesar, umplere/planarizare. Stackup-ul trebuie să identifice fiecare deschidere de microvia, via îngropată, via traversantă și ordinea în care sunt formate structurile. Numărarea ciclului de presare ar trebui să includă subcompozitul central și fiecare acumulare secvențială, utilizând terminologia definită de furnizor.

Stivuire rigidă-flexibilă

O placă rigid-flexibilă cu zece straturi nu susține neapărat toate cele zece straturi prin zona de îndoire. Adesea, doar straturile flexibile selectate continuă, în timp ce alte straturi de cupru se termină în regiunea rigidă. Proiectul ar trebui să identifice numărul de straturi flexibile, construcția adezivă sau fără adeziv, stratul de acoperire, rigidizările, tipul de cupru, direcția de îndoire și sarcina statică sau dinamică. IPC-2223 este un standard de proiectare; performanța plăcilor flexibile și rigid-flexibile finite este abordată de IPC-6013.

Pachet de lansare Stackup și DFM Gate

O serie de straturi de producție ar trebui să fie controlată prin revizii și să includă toate cele zece straturi de cupru, toate cele nouă goluri dielectrice, gradul și construcția materialului, denumirea miezului/prepreg-ului, grosimea nominală și toleranțată, tipul și grosimea cuprului, grosimea plăcii finite, structurile controlate, deschiderile prin puncte de legătură și orice note de laminare secvențială.

Finalizați această porțiune înainte de aprobarea rutării. Un flux de lucru de tip „acumulare finală după trimiterea Gerber” forțează modificări evitabile ale graficii și poate invalida simularea timpului și a canalului. Trimiteți construcția prin Revizuirea DFM cu tabelul cu impedanță controlată și ipotezele critice de rutare.

Erori frecvente de împachetare și consecințele acestora

Funcțiile de numărare sunt incorecte

Un tabel de straturi care pretinde șase straturi de semnal, dar listează doar patru, subminează întreaga justificare a proiectării. Numărați direct funcțiile de cupru și verificați mediul de referință al fiecărui semnal.

Omiterea golurilor dielectrice

Zece straturi de cupru necesită nouă separări dielectrice. Un tabel care listează doar dielectricul „sub” straturile selectate omite sau numără de două ori golurile și nu poate fi reconciliat cu grosimea finală.

Utilizarea lățimilor universale ale urmelor

Dimensiunile fixe de 50 Ω sau 100 Ω, copiate dintr-o altă construcție, nu ar trebui să apară ca reguli gata de fabricație. Acestea trebuie recalculate cu modelul real de dielectric presat, cupru și material.

Numirea a două planuri de putere ca o pereche de decuplare

Capacitatea plan distribuită este utilă între conductorii care transportă sarcini opuse, de obicei energie electrică și masă. Două plane de putere adiacente pe șine diferite nu reprezintă un înlocuitor general pentru o pereche energie electrică-masă și pot introduce cuplaj între șine.

Presupunând că etichetele electrice creează simetrie mecanică

Deformarea depinde de material, grosime și distribuția cuprului. Numele straturilor oglindite nu sunt suficiente dacă o parte are cupru dens, iar cealaltă are o rutare rară.

Reconciliați grosimea finală înainte de lansarea machetei

Grosimea nominală a plăcii este rezultatul tuturor celor nouă goluri dielectrice presate, a celor zece straturi de cupru, a contribuției plăcii și a convenției de măsurare a furnizorului. O simplă sumă a miezurilor și preimpregnatelor din catalog poate fi greșită, deoarece cuprul devine încorporat în rășină, iar placarea exterioară este adăugată după laminare. Stackup-ul emis ar trebui să arate valoarea finală calculată de furnizor și toleranța, apoi să confirme că cerințele privind conectorul, potrivirea prin presare, marginea plăcii și carcasa utilizează aceeași definiție.

Toleranța la grosime modifică, de asemenea, impedanța și geometria burghiului posterior. Un design aproape de limita intervalului de contact al unui conector sau o fereastră de burghiu cu adâncime controlată poate necesita un control al construcției mai strict decât o placă obișnuită. Dacă se propune o placă mai subțire pentru a reduce lungimea via, verificați rigiditatea, manevrabilitatea asamblării, deformarea și compatibilitatea conectorului, în loc să tratați grosimea doar ca o variabilă electrică.

Controlul reviziilor în stivuire

Fiecare stratificare aprobată trebuie revizuită și trebuie asociată desenul de fabricație, tabelul de impedanțe, modelul de simulare și setul de reguli de amplasare cu revizia respectivă. O modificare propusă de furnizor a miezului, preimpregnatului, cuprului sau materialului ar trebui să genereze o stratificare evidențiată și să identifice geometriile controlate care se modifică. Acest lucru previne ca o substituție aparent minoră de achiziție să invalideze silențios constrângerile de rutare.

Efecte la nivel de panou

Același contur al plăcii se poate comporta diferit atunci când este amplasat pe un panou de producție diferit. Furtul de cupru, designul șinei, plasarea cuponului, încărcarea presei și rutarea elementelor de separare pot influența uniformitatea grosimii și curbura/răsucirea. Includeți panelizarea în prima recenzie a articolului atunci când planeitatea, adâncimea controlată sau eșantionarea impedanței sunt critice.

Construcții speciale din cupru greu, RF și termice

Cuprul greu se modifică mai mult decât capacitatea curentă. Folia groasă necesită o toleranță de gravare mai mare, afectează trasarea și spațiul minim, crește cererea de rășină în timpul laminării și poate îngreuna echilibrul cuprului. O placă cu zece straturi cu straturi de cupru greu selectate poate necesita construcții prepreg umplute cu rășină, cupru în trepte sau structuri de magistrală localizate, în loc de cupru greu uniform pe fiecare strat. Furnizorul ar trebui să ofere o geometrie realizabilă pentru grosimea exactă a cuprului și dimensiunea panoului.

Straturile RF pot fi plasate la exterior sau în interiorul unui stackup hibrid, în funcție de accesul la lansare, ecranare și procesarea materialelor. Structurile RF controlate pot necesita împământare coplanară, prin garduri, placare în cavitate sau pe margini și un finisaj fără nichel în anumite aplicații. Aceste caracteristici ar trebui tratate ca un design specific de circuit distribuit; IPC-2228 și îndrumările de proces ale furnizorului de materiale selectat pot fi relevante. Acestea nu ar trebui reduse la „utilizarea Rogers pe L1”.

Monedele de cupru încorporate, incrustațiile termice și dispersoarele metalice de căldură creează constrângeri locale de grosime, placare și laminare. Interfețele, izolația, planaritatea și calea termică a acestora trebuie definite înainte de eliberarea suprapunerii. O caracteristică termică poate perturba impedanța din apropiere sau poate provoca deformarea dacă este adăugată după rutare. Coordonați modelul termic, desenul mecanic și ordinea straturilor electrice ca un singur design.

Pentru orice construcție specială, solicitați un desen în secțiune transversală și un răspuns DFM specific procesului. Tabelul general de capabilități cu zece straturi nu ar trebui să implice faptul că fiecare opțiune de cupru greu, RF, flexibilă și termică încorporată poate fi combinată fără o calificare a proiectului.

Controlul schimbărilor în Stackup după începerea machetării

Odată ce regulile de rutare, țintele de întârziere și modelele de canale au fost legate de o stivă aprobată, o modificare a materialului sau a construcției este o modificare inginerească, mai degrabă decât o înlocuire a achiziției. Modificările aduse construcției miezului sau prepreg-ului, conținutului de rășină, foliei de cupru, cuprului finit, măștii de lipire, deschiderii via sau secvenței de laminare pot afecta mai multe constrângeri de proiectare în același timp.

Când achizițiile necesită o grosime alternativă a dielectricului, reefectuați atât verificările electrice, cât și cele mecanice. Schimbarea unui prepreg poate modifica lățimea urmei, spațierea perechilor, întârzierea de propagare, grosimea totală și echilibrul rășinii. Desenul revizuit ar trebui să identifice noua construcție, mai degrabă decât să păstreze vechiul număr de revizie. Această disciplină este deosebit de importantă atunci când o stivă este reutilizată pe mai multe produse sau unități de fabricație.

Listă de verificare pentru aprobarea Stackup-ului

O configurație de circuite este gata pentru lansarea machetei atunci când arhitectura electrică și construcția materialului fabricabil au fost reconciliate. Pachetul de aprobare ar trebui să afișeze toate cele zece straturi de cupru și toate cele nouă goluri dielectrice, să identifice planul de referință pentru fiecare strat de semnal controlat și să închidă calculul grosimii finite folosind valorile dielectrice presate, nu din catalog.

• Confirmați funcțiile straturilor, continuitatea de referință și segmentarea planului de putere.
• Echilibrați construcția dielectrică, distribuția cuprului și materialele speciale din jurul centrului mecanic, acolo unde este posibil.
• Identificați opțiunile exacte de miez, prepreg, conținut de rășină și folie de cupru utilizate în modelele de impedanță și pierderi.
• Rezolvați sublaminările HDI, via-urile îngropate, tranzițiile flexibile și legăturile dintre materiale hibride înainte de numerotarea finală.
• Returnați lățimile de producție, golurile perechilor și grosimea finită pentru aprobare.
• Blochează revizia stivuirii înainte de finalizarea constrângerilor de rutare și a regulilor de potrivire a întârzierii.

Un desen util pentru suprapunere este atât o limită a modelului electric, cât și o instrucțiune de fabricație. Dacă nu poate explica calea de retur, grosimea totală, construcția cuprului și secvența de laminare, nu este gata de lansare.