Правила трассировки 10-слойной печатной платы для DDR5, PCIe и перекрестных помех

Правила трассировки для десятислойной печатной платы должны определяться на основе структуры слоев, руководств по проектированию устройств и анализа каналов. Их не следует копировать из стандартной таблицы значений миллиметров. Одинаковая физическая длина не всегда означает одинаковую электрическую задержку, «правило 5 Вт» не гарантирует перекрестных помех, а генерация протокола не автоматически определяет ламинат или фиксированный остаточный отрезок переходного отверстия.

Цель данного руководства — преобразовать электрические требования в ограничения компоновки, которые остаются в силе на протяжении всего процесса изготовления. В нём основное внимание уделяется обратным путям, связанной трассировке, временным характеристикам памяти, переходам последовательного канала связи, перекрестным помехам и передаче на этап проектирования для производства (DFM). Окончательные значения ширины и зазоров взяты из выпущенной версии. модель импеданса.

Перед началом прокладки кабелей зафиксируйте правила электромонтажа.

Процесс трассировки не должен начинаться с предварительной оценки толщины диэлектрика и заканчиваться просьбой к производителю «скорректировать структуру слоев». Изменение структуры слоев влияет на ширину, расстояние между парами электронов, задержку распространения сигнала, назначение опорного сигнала и иногда на емкость слоев. В базовой конфигурации корпуса должны быть указаны версия структуры слоев, материал изготовления, медь, контролируемые структуры, правила синхронизации, специфичные для устройства, и электрические модели, используемые для критически важных каналов.

Используйте иерархию правил. Требования, специфичные для устройства или форм-фактора, имеют приоритет над общим правилом компании; смоделированное исключение должно быть задокументировано; а минимальные производственные параметры являются ограничениями, а не предпочтительными размерами трассировки.

Назначение слоев и непрерывность обратного пути

Для каждой высокоскоростной трассы необходим непрерывный опорный проводник. В распространенной десятислойной структуре, ориентированной на целостность сигнала, внешние сигналы привязываются к соседним заземляющим плоскостям, а выбранные внутренние сигналы размещаются между двумя заземляющими плоскостями. Такое расположение полезно, поскольку обратный ток может оставаться близко к сигналу. Могут работать и другие структуры, но правила компоновки должны отражать их фактические опорные точки.

Не следует прокладывать маршрут через разделение ссылок.

Когда трасса пересекает пустоту или разрыв в плоскости отсчета, обратный ток обходит отверстие, увеличивая площадь петли и связь с другими структурами. Перемещение трассы на слой с непрерывным опорным напряжением обычно лучше, чем добавление конденсатора после разводки. Если плоскость питания намеренно используется в качестве высокочастотного опорного напряжения, ее соединение с соответствующей областью заземления должно быть частью проекта.

Смена слоев требует возврата к исходному состоянию.

Сигнальное переходное отверстие перемещает прямой ток между слоями; для обратного тока также необходим путь между старым и новым опорными электродами. Переходы между заземлением обычно используют расположенные рядом переходные отверстия для соединения. Переходы между питанием и заземлением могут потребовать развязывающей структуры, расположенной таким образом, чтобы обратная петля была приемлемо мала в соответствующем диапазоне частот. «Одно заземляющее переходное отверстие в пределах 50 мил» — это эвристическое правило, а не универсальное.

Смежные сигнальные слои

Ортогональная трассировка может уменьшить связь между соседними сигнальными слоями, но она не делает изначально плохую структуру слоев безвредной. В случаях, когда два сигнальных слоя расположены друг напротив друга без плоскости между ними, следует ограничить перекрытие, увеличить расстояние между ними и зарезервировать пару для менее чувствительных цепей. Для критически важных последовательных каналов предпочтительнее трассировка с разделением плоскостей.

Дифференциальные пары: геометрия, косоугольность и переходы

Дифференциальная пара должна обеспечивать стабильную электромагнитную среду. Ширина, расстояние между парами, опорное расстояние и количество близлежащих медных проводников должны оставаться в пределах структуры, используемой для расчета импеданса. Небольшие сужения в местах контактных площадок могут быть неизбежны, но их следует моделировать или оставлять в пределах проверенной конфигурации.

Внутрипарное смещение — это электрическая величина.

Преобразуйте допустимое отклонение по времени в длину, используя фактическую задержку распространения на трассированном слое. Пара проводников, меняющих слои, может иметь одинаковую физическую длину, но неравную задержку, если два проводника проходят через разные стекла, используют разную геометрию переходных отверстий или сталкиваются с разными опорными переходами. Для высокоскоростных каналов связи извлекайте задержку и преобразование режимов, а не полагайтесь только на длину центральной линии, заданную инструментом для печатных плат.

Сохраняйте симметричность двух переходов.

Сигнальные контактные площадки, антиконтакты, опорные переходные отверстия и разветвители должны быть зеркально симметричными, где это возможно. Избегайте размещения одной дорожки ближе к плоскостной пустоте, монтажному отверстию или экрану разъема. Если интерфейс допускает инверсию полярности, используйте ее намеренно, а не добавляйте длинный перекрестный переход для сохранения визуальной ориентации.

Подбор пар не является автоматически обязательным.

Многие последовательные приемники выравнивают полосы, поэтому принудительное уравнивание физической длины всех пар PCIe или SerDes может привести к ненужным потерям и запутанным сигналам. Следует соблюдать установленные требования к выравниванию полос, но отдавать приоритет низким потерям, чистым обратным путям и минимальным переходам. Выравнивание внутри пары обычно более критично, чем согласование несвязанных полос друг с другом.

DDR5 и другие параллельные интерфейсы памяти

Ограничения DDR5 зависят от типа контроллера, организации DRAM, топологии модуля или нисходящей топологии, скоростного диапазона, нагрузки и оконечного сопротивления. Правильным источником информации является руководство по проектированию от производителя контроллера и памяти, подкрепленное моделями моделирования. Общее утверждение, такое как «DQ должно совпадать в пределах +/- 5 мил», может быть либо излишне жестким, либо небезопасным для конкретной платформы.

Группируйте правила по функциям

Определите отдельные группы для DQ/DMI относительно DQS, дифференциального тактового сигнала, команд/адресов/управления и любых сигналов, специфичных для модуля. По возможности используйте ограничения задержки в пикосекундах, поскольку физическая длина преобразуется по-разному на разных слоях. В этом случае инструмент компоновки сможет применять задержку, специфичную для каждого слоя, вместо того, чтобы предполагать одну единую постоянную распространения.

Топология имеет значение

В модульных схемах команды/адрес и тактовый сигнал могут использовать топологию «пролета», тогда как сигналы данных представляют собой синхронные соединения «точка-точка» внутри байтовой линии. В схемах с припаянными модулями, регистровыми модулями и буферизованными модулями используются различные схемы загрузки и маршрутизации. Не следует копировать топологию DIMM на схему с припаянными модулями без документации к платформе.

Целостность опорного сигнала и мощности

На временные характеристики памяти влияют шум опорной плоскости, распределение мощности, а также длина трассы. Необходимо поддерживать стабильные опорные значения для байтовых линий, обеспечивать надлежащую обработку VREF и VDDQ и избегать размещения тюнинговых структур над отверстиями в плоскости. Следует имитировать одновременное переключение и согласование при ограниченном запасе платформы.

PCIe и высокоскоростные последовательные каналы связи

Для PCIe Gen5 и более поздних версий качество трассировки в основном определяется частотно-зависимыми потерями, разрывами в разъемах и переходных отверстиях, перекрестными помехами и преобразованием мод. Поэтому набор правил компоновки должен включать в себя не только целевое сопротивление.

PCIe 6.0 использует PAM4 на скорости 64 ГТ/с с той же частотой Найквиста 16 ГГц, что и PCIe 5.0 NRZ, но это не «тот же канал, но с удвоенным количеством битов». Контекст соответствия стандартам, шума и коррекции ошибок (FEC) отличается. PCIe 7.0 на скорости 128 ГТ/с сдвигает частоту Найквиста до 32 ГГц, что делает извлечение переходных процессов и производственную корреляцию более сложными задачами.

Перекрестные помехи, межплоскостные помехи и шум в плоскости отсчета.

Часто цитируемое правило 3W или 5W — это геометрическая эвристика. Перекрестные помехи также зависят от высоты диэлектрика, длины параллельных линий, времени нарастания сигнала, структуры опорного сигнала и от того, соединены ли линии по краю или сбоку. На тонком диэлектрике меньшее расстояние может уже соответствовать целевому значению; на соседних не опорных сигнальных слоях большое расстояние может оказаться недостаточным.

Установите целевой уровень перекрестных помех, соответствующий интерфейсу, и используйте извлечение данных или проверенную геометрическую таблицу для преобразования этого целевого уровня в расстояние между источниками помех. Учитывайте полную длину зоны помех и одновременно возникающие помехи. Однополярные сети с тактовыми сигналами, стробами и высокой амплитудой колебаний могут нуждаться в большей изоляции, чем несвязанные медленные управляющие сети.

Помехи на плоскости могут передаваться через опорную структуру даже при большом расстоянии между дорожками. Следует использовать компактные петли переключения с высокими токами, соответствующие пары плоскостей и развязку, а также избегать принудительного подключения чувствительных дорожек к фрагментированным участкам питания. На плотных процессорах и платах ускорителей необходимо одновременно проверять перекрестные помехи и целостность питания.

Регулировка длины без создания нового разрыва

Извилистые линии добавляют задержку, но близко расположенные сегменты взаимодействуют друг с другом и обеспечивают меньшую задержку, чем предполагает их длина по центральной линии. Они также увеличивают потери и создают локальные колебания импеданса. Используйте максимально возможное расстояние между соседними сегментами настройки, минимизируйте количество витков и распределяйте настройку там, где она не нарушает разрывы или непрерывность опорного сигнала.

Не существует универсального правила, согласно которому настройка должна производиться вблизи источника или вблизи приемника. Размещение зависит от топологии и цели согласования. Для синхронной шины источник-приемник следует настраиваться в пределах определенной группы и сохранять топологию. Для дифференциальной пары следует корректировать перекос с помощью компактного, симметричного элемента, который не создает длинный несвязанный участок.

Закругленные углы не являются обязательными, и один изгиб на 90 градусов не всегда соответствует 15%-ному отражению в любой геометрии. Используйте трассировку под углом 45 градусов или криволинейную трассировку для обеспечения технологичности производства, симметрии пар и постоянного расстояния между элементами, но сосредоточьте инженерные усилия на более крупных разрывах, таких как контактные площадки, переходные отверстия, разъемы и разрывы в опорной плоскости.

Утечка BGA-компонентов, переходные отверстия и технологичность производства.

Шаг выводов BGA сам по себе не определяет необходимость использования HDI. Диаметр контактной площадки, стратегия нанесения припоя, количество рядов, схема расположения выводов, доступные слои трассировки и направление выводов — все это имеет значение. Некоторые устройства с шагом 0.5 мм могут использовать тщательно разработанный подход со сквозными или ограниченными слепыми переходными отверстиями; другие требуют переходных отверстий в контактной площадке и нескольких слоев наращивания. Следует изучить фактическое разветвление выводов в корпусе, а не использовать только таблицу шага выводов.

В описании контактной площадки (Via-in-pad) должно быть указано, заполнено ли контактное отверстие медью, заполнено смолой и покрыто защитным слоем, или обработано другим квалифицированным способом. Для многослойных микроконтактных отверстий необходимо согласовать последовательность сборки и план обеспечения надежности. руководство HDI охватывает выбор конструкции; планировка по-прежнему должна предусматривать зоны захвата, противовзломные площадки и зоны ограничения прохода, совместимые с возможностями регистрации, предоставляемыми поставщиком.

При трассировке выводов также необходимо сохранять непрерывность опорного сигнала. Плотные антиплощадки могут удалять слишком много плоской меди под корпусом, поэтому вывод питания и заземления следует рассматривать как электромагнитную структуру. Добавление большего количества заземляющих переходных отверстий не всегда выгодно, если это приводит к образованию слишком больших пустот или затрудняет трассировку.

Проверка маршрутизации перед началом изготовления

При проверке DFM не следует незаметно переписывать электрические ограничения. Если CAM предлагает изменить ширину, контактную площадку, антиконтактную площадку или структуру слоев, это изменение следует проверить на соответствие модели импеданса или канала и задокументировать. Окончательную компоновку вместе с чертежом для изготовления и списком соединений следует отправить через систему. процесс проверки DFM.

Запуск разъемов, границы печатных плат и тестовые структуры.

Разрывы в местах подключения разъемов часто бывают более значительными, чем при обычных изгибах. Проверьте контактную площадку сигнала, антиконтактную площадку, схему расположения контактов заземления, вырезы в плоскостях и переход в выровненную пару как единую структуру. Стандартные посадочные места, указанные производителем, являются отправной точкой, а не гарантией, поскольку толщина платы, назначение слоев и производственные размеры могут отличаться. Для самых высокоскоростных разъемов используйте модель производителя и извлеките локальные данные о месте подключения на печатной плате.

На краях платы избегайте резких окончаний опорной плоскости под чувствительным дорожком. Контакты на краях плат, коаксиальные кабели и мезонинные разъемы могут потребовать формирования заземления с помощью ограждений или локальных переходов между слоями, специфичных для данного интерфейса. Не допускайте попадания механических ограничителей, пластинчатых элементов и отламывающихся выступов в область электрического заземления, если они не включены в модель.

Разрабатывайте доступ к тестированию без создания заглушек.

Обычные контактные площадки для щупов и разветвленные контрольные точки могут добавлять емкость или незавершенный шлейф. Используйте проверенный тестовый образец, доступ к разъему, возможность снятия компонента или площадку, интегрированную в основной тракт передачи. Согласуйте требования к внутрисхемному тестированию с целостностью сигнала до завершения компоновки; удаление тестовой ветви после квалификации также может изменить канал.

Документируйте преднамеренные исключения

В плотных компоновках иногда требуется локальное изменение ширины, переход между опорными точками или нарушение интервалов. Зафиксируйте местоположение, причину и результаты моделирования или одобрение поставщика. Документированное исключение безопаснее, чем глобальное смягчение правила или полагание на будущего инженера по DFM в определении проектного замысла.

Границы маршрутизации тактовых сигналов, аналоговых сигналов и питания

Не каждая важная цепь является дифференциальным последовательным каналом связи. Опорные тактовые сигналы, сигналы сброса, аналоговые цепи датчиков и узлы импульсного питания могут создавать или принимать помехи. Классифицируйте цепи по скорости фронта сигнала, чувствительности к шуму и токовой петле, а не только по номинальной частоте. Низкочастотный тактовый сигнал с быстрым фронтом может потребовать большего внимания, чем высокочастотный синусоидальный сигнал.

Опорные часы

Передавайте опорные тактовые сигналы по непрерывной плоскости, избегайте ненужных тестовых ответвлений и изолируйте их от коммутационных узлов. Необходимая топология — точка-точка, буфер с разветвлением или другой метод распределения — определяется спецификациями источника тактовых сигналов и приемника. Звездная или гирляндная схема не является универсально правильной. При использовании нескольких приемников необходимо имитировать нагрузку и оконечную нагрузку.

Аналоговые и преобразовательные интерфейсы

Небольшие аналоговые контуры должны быть компактными и изолированы от агрессивных цифровых обратных токов. Разделение заземляющей плоскости не всегда выгодно; сплошная плоскость с продуманным размещением часто обеспечивает более низкое обратное сопротивление. Если аналоговая и цифровая области должны соединяться в контролируемой точке, убедитесь, что сигналы не пересекают образовавшийся зазор и что стратегия подключения соответствует рекомендациям производителя преобразователя.

Области коммутации мощности

Узел переключателя, контур управления затвором и пути протекания токов с высокими значениями di/dt заслуживают физических зон исключения. Не следует прокладывать высокоскоростные пары проводников под индукторами, трансформаторами или медными проводниками узла переключателя. При проверке обратного пути необходимо учитывать наличие пустот и запрещенных участков. Пропускная способность по току и тепловые характеристики следует оценивать с помощью методов IPC-2152 или проверенного моделирования, а не с помощью универсального значения плотности тока.

Задокументируйте эти области в ограничениях компоновки, чтобы добавления меди, воровство или элементы панелей, предназначенные для DFM (проектирования с учетом технологичности производства), непреднамеренно не попали в чувствительную зону.

Утверждение правил маршрутизации

При окончательной проверке трассировки следует сравнивать схему с опубликованной структурой и ограничениями, специфичными для каждого устройства, а не с общим контрольным списком значений миллиметров. Критические группы следует проверять с использованием извлеченных моделей задержки, потерь и переходов, если эти эффекты существенны.

• Убедитесь, что каждый критически важный маршрут остается на непрерывной опорной линии и что изменения уровня обеспечивают путь возврата тока.
• Проверяйте дифференциальную геометрию через сужения, контактные площадки, переходные отверстия, разъемы и тестовые структуры — не только на прямых участках.
• Примените параметры синхронизации памяти по байтовым линиям, группам команд/адресов и топологии, используя документацию по контроллеру и памяти.
• Ограничение зигзагообразного движения и параллельности на основе анализа задержек и перекрестных помех, а не универсального множителя интервалов.
• Проверьте соответствие размеров разветвления BGA-компонентов, кольцевых зазоров, антиплощадок и переходных отверстий утвержденным производителем параметрам.
• Предоставьте окончательный вариант макета, список соединений, данные о сверлении/трассировке, исправления структуры слоев, таблицу импедансов и чертеж с контролируемой глубиной в виде единого пакета с контролируемыми версиями.

Правила компоновки должны отражать электрическую цель и ее источник. Это позволяет отслеживать исключения и предотвращает незаметное нарушение установленных ограничений трассировки в результате внесения изменений в технологический процесс.

Управление исключениями маршрутизации

В плотных топологиях неизбежно возникают исключения из предпочтительных правил. Цель состоит не в том, чтобы запретить каждое сужение, переход между слоями или локальное уменьшение расстояния; она состоит в том, чтобы определить, какие исключения имеют важное электрическое значение, и проанализировать их с помощью соответствующей модели.

Исключения следует прикреплять к цепям, областям или классам и сохранять в протоколе проверки проекта. Широкое устное одобрение, например, «расстояние допустимо», не может быть воспроизведено во время внесения изменений в проект или передачи от поставщика. Тот же принцип применяется к эталонным схемам компоновки от поставщика устройств: сохраняйте электрический замысел, но повторно проверяйте размеры на соответствие выпущенной структуре печатной платы.

В протоколе проверки также следует указать версию извлечения или моделирования, использованную для критических исключений. Когда внесение изменений в конструкцию (ECO) перемещает компонент, изменяет слой или посадочное место разъема, соответствующее исключение может быть переоценено, вместо того чтобы наследовать разрешение, которое больше не соответствует геометрии.