10-слойная высокоскоростная разработка печатных плат для DDR5 и PCIe

Десятислойная плата может поддерживать сложные цифровые каналы связи, но количество слоев само по себе не гарантирует соответствие требованиям. Результат зависит от всей конструкции канала: корпуса передатчика, ответвлений, переходных отверстий, проложенной линии передачи, разъема или кабельного интерфейса, корпуса приемника и эквализации. Плата с высококачественным ламинатом все еще может выйти из строя из-за резонансного ответвления переходного отверстия или обрыва обратного пути; более короткий канал на более экономичном материале может пройти проверку, если переходные процессы хорошо спроектированы.

Эта страница посвящена проектированию каналов связи. Здесь разделяются общедоступные данные протокола и ограничения, специфичные для форм-фактора, показано, как распределять запас по потерям и разрывам, а также определены доказательства, которые может предоставить производитель. Детальная геометрия относится к следующему разделу. спецификация управления импедансом, в то время как выполнение компоновки относится к руководство по маршрутизации.

Начните с канала, а не с метки протокола.

«Способность к PCIe Gen6», «материал 112G» и «печатная плата 800G» — это неполные описания. Протокол может иметь несколько форм-факторов с различными разъемами, дальностью действия и масками каналов. Одна и та же скорость передачи данных может передаваться по короткому каналу «чип-чип», по каналу «материнская плата-плата расширения» или по объединительной плате с совершенно разным распределением потерь.

Поставщик не должен обещать поддержку интерфейса, основываясь только на названии материала и количестве слоев. Ответственный ответ должен быть условным: предлагаемая конструкция может быть оценена и изготовлена ​​после того, как требования заказчика к потерям, импедансу и переходным характеристикам будут согласованы с утвержденной структурой слоев.

Что показывает — и чего не показывает — скорость передачи данных

Скорость передачи данных задает отправную точку для спектрального анализа, но модуляция имеет значение. PCI Express 5.0 работает на скорости 32 ГТ/с с использованием NRZ, обеспечивая частоту Найквиста 16 ГГц. PCI Express 6.0 работает на скорости 64 ГТ/с с использованием PAM4 и сохраняет частоту Найквиста 16 ГГц, добавляя при этом функции FEC и FLIT. PCI Express 7.0 версии 1.0 был выпущен в 2025 году со скоростью 128 ГТ/с с использованием PAM4, что сдвигает частоту Найквиста до 32 ГГц. Эти общедоступные данные сами по себе не определяют бюджет потерь платы; это делает соответствующая спецификация форм-фактора.

Частота Найквиста — это не самая высокая частота, которая имеет значение. Время нарастания, дрожание сигнала, эквализация и разрывы создают чувствительность выше частоты Найквиста. В то же время использование произвольно высокой частоты для каждого вычисления может чрезмерно нагружать плату. Используйте полосу пропускания и маски, указанные в соответствующем методе соответствия.

Составьте бюджет на случаи потери и прерывания имплантации.

При расчете бюджета канала необходимо учитывать каждый физический участок между плоскостями соответствия стандартам. Например, в общедоступных материалах PCI-SIG указан бюджет общих потерь на входе канала в 36 дБ на частоте 16 ГГц для канала PCIe 5.0 CEM. Это значение относится к данному определенному каналу и не должно обобщаться на любую топологию 32 ГТ/с. Перед тем как определить допустимые потери на трассах, разработчик платы должен вычесть потери, связанные с корпусом, разъемом, дополнительной платой или базовой платой.

Потери не являются единой постоянной величиной в дБ на дюйм.

Потери в дорожках изменяются в зависимости от частоты, ширины линии, толщины диэлектрика, профиля меди, конструкции стекла и типа трассы (микрополосковая или полосковая). Значение Df, указанное в техническом описании, не может быть преобразовано в универсальное значение. Потери в разъемах и переходных отверстиях также зависят от частоты, а резонанс короткого замыкания может создавать узкий глубокий провал, который более опасен, чем плавные средние потери.

Потери на отражение и перекрестные помехи также снижают рентабельность.

Канал связи может соответствовать заданному значению потерь на входе, но при этом выйти из строя из-за разрывов импеданса, преобразования мод, перекрестных помех на ближнем или дальнем конце или шума от источника питания, которые могут привести к сбою. Поэтому при оценке последовательного канала связи следует использовать требуемые протоколом метрики, такие как запас по рабочему значению канала, COM, статистический глаз или модель канала связи, специфичную для конкретного производителя, а не только электронную таблицу потерь на трассировке.

Выберите материал, медь и геометрию одновременно.

Выбор материала должен основываться на характеристиках извлеченного канала, а не на протокольной таблице. Диэлектрическая система, шероховатость меди и геометрия многослойной структуры работают вместе. Более широкая линия на тонком диэлектрике может уменьшить потери в проводнике, но увеличит пространство для трассировки; материал с более низким значением Dk может изменить необходимую ширину для достижения того же импеданса; очень гладкая фольга может уменьшить потери, но потребует качественного процесса адгезии.

В гибридных конструкциях система с низкими потерями размещается вокруг слоев, несущих наиболее чувствительные каналы, а в остальных местах используется качественный традиционный материал. Они могут быть экономически эффективными, но необходимо согласовать точное сочетание материалов, связующий слой и цикл прессования. руководство по выбору материалов В статье объясняется, почему семейства MEGTRON, I-Tera, Tachyon и Rogers нельзя рассматривать как автоматические эквиваленты.

Не присваивайте названиям ламинатов имена поколений протокола.

Утверждения типа «MEGTRON 6 поддерживает восемь дюймов PCIe Gen5» или «Для 112G требуется тахион» упускают слишком много переменных, чтобы быть надежными. Короткий маршрут 112G может быть закрыт на нескольких системах с низкими потерями; длинный маршрут с несколькими разъемами может потребовать конструкции с меньшими потерями или другой архитектуры системы. Правильным результатом является смоделированный запас для фактического маршрута и модели производства.

Стеклоплетение и косое плетение

При 112G и выше локальные колебания задержки, вызванные стекловолокном, могут стать сопоставимыми с допустимым уровнем перекоса внутри пары проводников. Угол рассеивания стекла, угол трассировки, ширина дорожек и расположение пар проводников должны выбираться в соответствии с фактической конструкцией. На чертеже платы должны быть указаны любые ограничения по типу стекловолокна или методы снижения перекоса, используемые в компоновке.

Через переходы, обратное бурение и прорыв

Сквозное переходное отверстие включает в себя емкость контактной площадки, индуктивность контура и неиспользуемый участок контура ниже или выше сигнального соединения. Этот неиспользуемый участок ведет себя как ответвление. Его резонанс зависит от электрической длины и диэлектрической среды, поэтому фиксированная таблица «максимального размера ответвления по протоколу» является лишь эвристикой планирования. Допустимый остаточный размер должен определяться моделью канала и возможностями поставщика по контролю глубины.

Обратное сверление

Обратное сверление удаляет неиспользованный слой покрытия с помощью вторичного сверла с контролируемой глубиной. В проекте необходимо определить сторону сверления, целевой слой, номинальный оставшийся остаток, допустимый допуск по глубине, размер сверла, расстояние до соседних элементов и метод проверки. В зависимости от плана контроля качества могут использоваться рентгеновский контроль, технологические образцы, микросрезы или записи глубины обработки. Обещание «рентгеновская проверка каждой платы» не должно даваться, если в заказе это прямо не указано и не предусмотрено ценообразованием.

Слепые переходные отверстия и HDI

Микропереходы без сквозных отверстий могут сократить длину переходов и повысить плотность выводов, но многослойные структуры создают проблемы с надежностью межфазных соединений. Тип переходного отверстия выбирается с учетом выхода из BGA-корпуса, длины слоя, трассировки и квалификации, а не только скорости передачи данных. Обычное сквозное переходное отверстие с хорошо спроектированной антиплощадкой и обратным сверлением может превзойти по характеристикам плохо прошедший квалификацию многослойный микропереход.

Переходы между опорными точками

При смене слоя сигналу необходим близкий путь для обратного тока между старой и новой опорными плоскостями. Если обе опорные плоскости являются землей, то этот путь могут обеспечить переходные отверстия. Если опорная плоскость меняется между питанием и землей, может потребоваться правильно расположенный путь развязки. Расстояние между ними определяется геометрией перехода и частотой; универсальная линейка в 50 мил не заменяет анализ.

Рисунок 3. Схема высокоскоростной печатной платы из 10 слоев и обзор каналов.

Предварительная и последующая проверка перед изготовлением

Перед изготовлением

Предварительная проверка перед изготовлением должна подтвердить структуру слоев, конструкцию материалов, классы импеданса, модель медных проводников, критически важные переходные отверстия, определение обратного сверления и план изготовления образцов. Для высокоскоростных линий связи сравните данные, полученные после компоновки, с моделью соответствия и учтите производственные углы, а не только номинальную геометрию.

После изготовления

Стандартные комплекты документов для печатных плат могут включать результаты электрических испытаний и измерений с контролируемым импедансом по запросу. Для высокоскоростных программ могут дополнительно запрашиваться образцы для измерения потерь на вставке, измерения обратного сверления, микросрезы, сертификаты на материалы или данные по S-параметрам первого образца. Необходимый пакет документов должен быть согласован до составления коммерческого предложения; нереалистично утверждать, что каждый комплект документов поставляется с каждой платой.

Стандарт IPC-TM-650 включает методы тестирования характеристического импеданса и потерь сигнала, но заказчику все равно необходимо определить репрезентативный образец, допустимый предел, порядок отбора проб и распределение партии. Для продукции, критически важной с точки зрения соответствия стандартам, следует сопоставлять данные образца с извлеченной моделью маршрута, а не рассматривать образец как самостоятельный сертификат.

Информация, необходимая для расчета стоимости высокоскоростного изготовления.

Быстрое предоставление коммерческого предложения возможно только при наличии полного технического пакета. Необходимо предоставить исходные данные для изготовления, файлы сверления и трассировки, список соединений, информацию о структуре слоев или ограничениях структуры слоев, таблицу импедансов, правила утверждения материалов, требования к медным компонентам, чертеж обратного сверления, определения контролируемой глубины, качество поверхности, класс платы, количество и необходимые отчеты.

Для конструкций, чувствительных к каналам, также укажите спецификацию интерфейса/форм-фактора, назначение критически важных слоев, максимальные целевые значения потерь при трассировке или извлечении, любые запрещенные материалы или типы стекла, а также возможность изменения контролируемой геометрии производителем. Определите функции, требующие одобрения заказчика до внесения изменений в CAM-систему.

Технологический процесс производства и документация описаны в Руководство по изготовлению 10 слоевСтоимость следует оценивать исходя из стоимости всего строительства, а не на основе фиксированной «надбавки за высокоскоростное движение».

Запросить анализ высокоскоростной 10-слойной печатной платы

Уголки по производству и эксплуатации моделей

Для запуска в производство недостаточно номинальных результатов для канала. Полученная модель должна включать реалистичные параметры с высокими и низкими потерями: толщину диэлектрика, Dk/Df, ширину травления, шероховатость меди, точность совмещения переходных отверстий и остатки обратного сверления. Температура также может влиять на поведение диэлектрика и запас приемника. Цель состоит не в том, чтобы нереалистично объединить все наихудшие сценарии, а в том, чтобы определить переменные, которые доминируют в запасе, и подтвердить, что допуск при закупке контролирует их.

Сопоставьте данные моделирования и изготовления в первой статье. Образец, полученный методом TDR, может подтвердить импеданс, образец, полученный методом измерения потерь, может подтвердить выбранную модель диэлектрика/меди, а образец, полученный методом обратного сверления или микросрез, может подтвердить предположение об остаточном шлейфе. Если измеренные данные отличаются от модели, обновите модель или технологический процесс, прежде чем использовать конструкцию в качестве многоразовой высокоскоростной платформы.

Соблюдение протоколов по-прежнему остается обязанностью системы.

Поставщик плат без компонентов может проверить конструкцию, электрическую целостность, репрезентативное сопротивление и согласованные образцы. Он не может сертифицировать полный канал PCIe, Ethernet или памяти без собранных устройств, корпусов, разъемов, микропрограммного обеспечения и оборудования для тестирования на соответствие стандартам. В тексте на веб-сайте следует различать фразы «изготовлено в соответствии с заявленными заказчиком требованиями к высокоскоростному соединению» и «сертифицировано по протоколу».

Статус стандартов и границы их внедрения

Названия интерфейсов должны быть привязаны к версии и форм-фактору, используемым в продукте. PCI Express 7.0 версии 1.0 был выпущен в 2025 году, в то время как ограничения на уровне платы по-прежнему зависят от применимых базовых документов и документов по форм-фактору. Стандарт IEEE 802.3df-2024 охватывает Ethernet 400 Гбит/с и 800 Гбит/с. Работа над Ethernet 1.6 Тбит/с и дополнительными физическими уровнями 200/400/800 Гбит/с продолжается в рамках IEEE P802.3dj, поэтому в проекте, основанном на этой работе, необходимо указать точный используемый проект или спецификацию заказчика. В проектах класса OIF 224G также определены несколько категорий дальности действия, а не один универсальный канал печатной платы.

Это различие важно для изготовления, поскольку маски потерь, предположения относительно корпуса, разъемы, тестовые приспособления и выравнивание различаются в зависимости от реализации. Поставщик никогда не должен преобразовывать «800G», «1.6T» или «224G» в фиксированное значение материала, длины трассы или обратного сверления без определения соответствующего канала.

Завершение работы высокоскоростного канала

• Определите версию интерфейса, форм-фактор, конечные точки и метод соответствия требованиям.
• Распределите потери, обратные потери, перекрестные помехи и запас по разрывам между корпусами, платами, переходными отверстиями и разъемами.
• Выберите ламинат, медный профиль и геометрию из извлеченного канала, а не из метки протокола.
• Параметры изготовления модели для толщины диэлектрика, Dk/Df, шероховатости меди, ширины линии, глубины переходного отверстия и совмещения.
• Определите репрезентативные образцы импеданса и потерь отдельно от испытаний на соответствие требованиям на уровне продукта.
• Предоставьте командам, занимающимся компоновкой, моделированием, изготовлением и тестированием, одинаковые исправления структуры и расположения контактных площадок.

От моделирования к корреляции первой статьи

Модель канала наиболее полезна, когда изготовленное первое изделие можно соотнести с исходными предположениями. План корреляции должен определять, какие параметры и переменные материала будут измерены, какие образцы будут протестированы и как полученные результаты позволят обновить модель.

Корреляция не означает принуждение измеренных данных к соответствию оптимистичной модели. Она подразумевает обновление модели с учетом фактической конструкции, полученной в процессе производства, и определение того, соответствует ли канал по-прежнему допустимым параметрам на технологических и эксплуатационных участках. Если корреляция показывает, что шероховатость меди, содержание смолы или глубина переходного отверстия отличаются от предположений, корректирующим действием может быть изменение контроля материалов, перепроектирование переходного процесса или пересмотр предельных параметров трассировки, а не просто более жесткий допуск по импедансу.