10-слойная структура печатной платы для учета импеданса и плоскостей.

Десятислойная структура — это электрическая и производственная архитектура, а не список медных слоев, разделенных номинальной толщиной препрега. Она определяет, какие сигналы имеют непрерывные опорные напряжения, какой объем трассировки доступен, куда распределяется питание, какая геометрия дорожек может быть изготовлена ​​и как ведет себя панель во время ламинирования. Поскольку десять медных слоев создают девять диэлектрических зазоров, кажущееся небольшим изменение одного из зазоров может изменить импеданс, общую толщину и симметрию.

Приведенные ниже примеры представляют собой отправные точки проектирования, а не типовые схемы изготовления. Окончательные конструкции сердечника и препрега, толщина прессованных слоев, медная фольга и заданная геометрия должны быть подтверждены производителем. Используйте эту страницу вместе с руководством по материалам и спецификацией импеданса.

Выберите архитектуру слоев, прежде чем выбирать толщину диэлектрика.

Начните с классификации проекта: количество высокоскоростных каналов трассировки, необходимые плоскости питания, плотность выводов BGA, чувствительные аналоговые или радиочастотные участки, сквозные или HDI-структуры, конечная толщина и механические ограничения. Цель состоит не в том, чтобы максимизировать количество слоев, обозначенных как «сигнальные». Цель состоит в том, чтобы обеспечить каждому критически важному маршруту полезную опорную точку, сохранить непрерывность обратных путей и достаточное пространство плоскости для распределения питания.

Направление маршрутизации — второстепенное решение. Назначение «горизонтальных» и «вертикальных» слоев не исправляет ситуацию с многослойной структурой, включающей смежные высокоскоростные сигнальные слои и отсутствие опорной плоскости. Сначала определите структуру поля и обратного пути, а затем выделите предпочтительные направления на основе размещения и загруженности.

Три полезных архетипа 10-слойной структуры

Одного лишь соотношения недостаточно, чтобы доказать, что структура слоев хороша. Две схемы «6 сигналов / 4 плоскости» могут вести себя совершенно по-разному в зависимости от расположения плоскостей. Если в проекте требуется шесть сигнальных слоев, следует зарезервировать слои, прилегающие к плоскостям, для критически важных цепей, а более медленные, короткие или ортогонально проложенные сигналы разместить на менее подходящей паре.

Пример 10-слойной структуры с большим количеством опорных плоскостей

Представленная ниже последовательность слоев является надежной концептуальной отправной точкой для жесткой платы с четырьмя основными сигнальными слоями. Она обладает электрической симметрией в критически важных сигнальных средах и может быть достигнута с механической симметрией путем зеркального отображения диэлектрической и медной конструкций. В ней не приводятся универсальные значения толщины диэлектрика или ширины дорожек.

Такая компоновка обеспечивает обоим внутренним сигнальным слоям две точки заземления и удерживает каждый внешний сигнальный слой рядом с землей. Каждая центральная силовая плоскость имеет внешний заземляющий контакт. Расстояние между центральными слоями L5-L6 может быть выбрано с учетом общей толщины и механической балансировки, не создавая при этом ошибочного представления о паре развязки «сила-земля».

В проектах, требующих большего количества трассировок, можно преобразовать плоскость в сигнальную, но последствия должны быть четко обозначены. Например, преобразование L6 в сигнальную устраняет широкую плоскость питания и создает сигнальный слой, примыкающий к слою питания L5 и слою заземления L7. Критические трассировки на этом слое должны избегать разделения L5 или быть спроектированы таким образом, чтобы преимущественно ссылаться на L7.

Выпрессовывание, медь и импедансное замыкание

Толщина препрега после ламинирования не равна его значению в каталоге для неотвержденного состояния. Толщина после прессования зависит от типа стекла, содержания смолы, плотности меди, обработки, цикла прессования и локального потока смолы. Изготовитель должен предоставить ожидаемую толщину после прессования для конкретной конструкции и указать допуск, используемый в модели импеданса.

Внешний слой меди имеет заданные размеры.

Внешние слои начинаются с базовой фольги и покрываются медью в процессе нанесения покрытий на отверстия и формирования рисунка. В модели с контролируемым импедансом следует использовать готовое поперечное сечение дорожки, включая трапециевидную форму травления. Внутренние слои обычно травятся из фольги без аналогичного процесса нанесения покрытий, поэтому внешняя и внутренняя дорожки с одинаковым номинальным весом в унциях не обязательно имеют одинаковую геометрию.

Не следует уменьшать ширину трасс до завершения суммирования.

Чертеж, фиксирующий импеданс 50 Ом при определенной ширине, но позволяющий поставщику изменять конструкцию диэлектрика, создает противоречие. Либо предоставьте точную схему расположения и геометрию, либо укажите целевое значение импеданса и разрешите изготовителю корректировать ширину/расстояние в пределах согласованных ограничений. Любые изменения, влияющие на зазор при трассировке или перекос пар, должны быть представлены на утверждение заказчику.

Используйте правильные данные о материалах.

Для расчета параметров поля следует использовать значение Dk, специфичное для конкретной конструкции или откалиброванное по технологическому процессу, а не заголовок отдельного семейства, скопированный из технического описания. Поверхностные структуры должны включать паяльную маску, если она присутствует. Для анализа высокоскоростных потерь дополнительно необходимы значения Df, шероховатости меди и частотной зависимости; расчет импеданса сам по себе не позволяет оценить потери в канале.

Целостность электропитания, обратные пути и электромагнитные помехи

Меньшее расстояние между сигнальным и опорным электродами уменьшает индуктивность петли и распространение поля, но точное улучшение зависит от геометрии; его не следует рекламировать как фиксированное снижение в децибелах. Плоские пары могут обеспечивать распределенную емкость, однако их значение зависит от соотношения параллельных пластин и фактической площади перекрытия. Тонкий диэлектрик между силовым и заземляющим проводниками может быть полезен, но он не устраняет дискретную развязку или индуктивность корпуса.

Обеспечьте непрерывность высокоскоростных опорных плоскостей. Если силовая плоскость содержит несколько участков, не размещайте критически важные пути там, где преобладающий обратный ток должен будет пересекать границу участка. Если сигнальный слой находится между силовым и заземляющим слоями, определите, какая плоскость является предполагаемой опорной, и обеспечьте контроль за альтернативным путем.

Использование ограждений по краям платы может помочь решить некоторые проблемы, связанные с радиочастотами или током в корпусе, но универсальный фиксированный шаг вокруг каждой цифровой платы не является необходимым и может уменьшить трассировку или привести к перфорации плоскостей. Шаг ограждений и тип выводов должны соответствовать самой высокой частоте и стратегии управления корпусом.

Планируйте обратный путь на каждом этапе перехода между слоями.

Переходное отверстие для сигнала изменяет электромагнитное поле от одной структуры линии передачи к другой. Когда оба слоя трассировки привязаны к плоскостям заземления, расположенные рядом переходные отверстия заземления могут соединить эти плоскости и уменьшить петлю обратного пути, но их количество и расположение должны соответствовать геометрии перехода, а не универсальному правилу расстояния. Когда маршрут меняется между слоями, привязанными к разным проводникам, например, заземление на одном слое и плоскость питания на другом, для обратного тока необходим продуманный путь передачи. Этот путь может использовать соответствующим образом расположенный развязывающий конденсатор между опорными проводниками, другое назначение слоев или перепроектированный переход, который сохраняет оба сегмента привязанными к заземлению.

Поэтому на схеме многослойной структуры следует указывать предполагаемый опорный слой для каждого управляемого слоя, а не просто обозначать слой как «сигнальный». Поля переходных отверстий, антиконтакты и зазоры между плоскостями должны рассматриваться совместно, поскольку электрически корректный порядок слоев все еще может быть нарушен переходом, удаляющим слишком много расположенной рядом опорной меди.

Симметрия, баланс меди и риск искривления/скручивания.

Механическая симметрия означает нечто большее, чем просто присвоение одинаковых названий цепям по центральной линии. Необходимо учитывать внешние медные грузики, диэлектрическую конструкцию и ожидаемое покрытие медью. Сторона компонента с высокой плотностью может содержать гораздо больше меди, чем противоположная сторона, даже при совпадении номинальных весов фольги; может потребоваться оптимизация конструкции или балансировка.

Допустимые деформации и перекосы определяются соответствующими техническими условиями на изделие и требованиями к сборке. Для сборки BGA-компонентов с малым шагом выводов может потребоваться более высокая плоскостность, чем стандартные ограничения для голых плат. Поэтому при анализе структуры слоев следует учитывать не только симметрию слоев, но и размер панели, контур платы, распределение меди, вырезы, состав материалов и метод разделения панелей.

Гибридные материалы, варианты с высокой плотностью и жесткой гибкостью.

Гибридная конструкция с низкими потерями

Материал с низкими потерями может быть локализован вокруг выбранных сигнальных слоев, но необходимо точно определить расположение сердцевины, препрега или связующего слоя. Не следует устанавливать универсальный пороговый уровень разницы коэффициентов теплового расширения и предполагать совместимость. Необходимо проверить текучесть смолы, адгезию, отверждение, перемещение размеров, процесс сверления/удаления загрязнений и надежность металлизированных отверстий для всей пары материалов.

накопление HDI

В печатных платах с конфигурацией слоев 1+8+1, 2+6+2 или 3+4+3 обозначение слоев описывает распределение слоев, а не весь производственный процесс в целом. Каждый уровень слоя включает в себя нанесение изображения, ламинирование, лазерное сверление, металлизацию и, при необходимости, заполнение/выравнивание. В структуре слоев необходимо указать каждый участок микропереходов, скрытые переходные отверстия, сквозные переходные отверстия и порядок формирования структур. Подсчет циклов прессования должен включать центральный субкомпозит и каждый последующий слой, используя терминологию, определенную поставщиком.

Жестко-гибкая многослойная конструкция

В десятислойной жестко-гибкой печатной плате не обязательно все десять слоев проходят через зону изгиба. Часто только отдельные гибкие слои продолжают изгиб, в то время как другие медные слои заканчиваются в жесткой области. В конструкции следует указать количество гибких слоев, бесклеевую или клеевую конструкцию, защитное покрытие, ребра жесткости, тип меди, направление изгиба и статическую или динамическую нагрузку. IPC-2223 — это стандарт проектирования; характеристики готовых гибких и жестко-гибких печатных плат рассматриваются в стандарте IPC-6013.

Stackup Release Package and DFM Gate

Производственная схема должна контролироваться с учетом версий и включать все десять медных слоев, все девять диэлектрических зазоров, марку и конструкцию материала, обозначение сердечника/препрега, номинальную и допусковую толщину, тип и толщину меди, толщину готовой платы, контролируемые структуры, длины переходных отверстий и любые примечания по последовательному ламинированию.

Завершите этот этап перед утверждением трассировки. Рабочий процесс «окончательная сборка после отправки файла Gerber» приводит к ненужным изменениям в макете и может нарушить временные характеристики и моделирование каналов. Предоставьте проект на рассмотрение DFM с таблицей контролируемого импеданса и критически важными предположениями о трассировке.

Распространенные ошибки при укладке стека и их последствия

Неправильный подсчет функций.

Таблица слоев, в которой заявлено шесть сигнальных слоев, но указано только четыре, подрывает всю логику проектирования. Необходимо напрямую подсчитать количество медных линий и проверить эталонную среду для каждого сигнала.

Исключение диэлектрических зазоров

Для десяти слоев меди требуется девять диэлектрических зазоров. В таблице, где диэлектрик указан только «ниже» выбранных слоев, часто отсутствуют или учитываются дважды зазоры, что не позволяет соотнести результат с окончательной толщиной.

Использование универсальной ширины трассировки

Размеры 50° или 100°, скопированные из другой конструкции, не должны отображаться в качестве готовых к изготовлению правил. Их необходимо пересчитать с учетом фактической модели прессованного диэлектрика, меди и материала.

Называть две плоскости мощности развязывающей парой

Распределенная плоская емкость полезна между проводниками, несущими противоположные заряды, обычно это питание и заземление. Две смежные силовые плоскости на разных шинах не являются универсальной заменой паре питание-заземление и могут вызывать связь между шинами.

Предположим, что электрические обозначения создают механическую симметрию.

Деформация зависит от материала, толщины и распределения меди. Зеркального отображения названий слоев недостаточно, если с одной стороны плотная медь, а с другой — разреженная.

Перед выпуском макета убедитесь, что окончательная толщина точно соответствует требуемой.

Номинальная толщина платы является результатом учета всех девяти зазоров между прессованными диэлектриками, десяти слоев меди, вклада гальванического покрытия и используемой поставщиком системы измерений. Простая сумма значений толщины сердечников и препрегов из каталога может быть неверной, поскольку медь внедряется в смолу, а внешнее гальваническое покрытие добавляется после ламинирования. В утвержденной схеме расположения компонентов должны быть указаны расчетные значения и допуски поставщика, а затем необходимо подтвердить, что требования к разъему, запрессовке, кромке платы и корпусу соответствуют этим же определениям.

Допуск по толщине также изменяет импеданс и геометрию обратного сверления. Конструкция, находящаяся на пределе диапазона контакта разъема или в окне сверления с контролируемой глубиной, может потребовать более жесткого контроля при изготовлении, чем обычная плата. Если предполагается использовать более тонкую плату для уменьшения длины переходных отверстий, следует проверить жесткость, удобство сборки, деформацию и совместимость разъемов, а не рассматривать толщину только как электрическую переменную.

Контроль версий стека

Каждой утвержденной схеме расположения элементов необходимо внести изменения и связать с этими изменениями чертеж изготовления, таблицу импедансов, модель моделирования и набор правил компоновки. Любое предлагаемое поставщиком изменение в сердцевине, препреге, меди или материале должно приводить к появлению выделенной схемой расположения элементов и указывать, какие контролируемые геометрические параметры изменились. Это предотвратит ситуацию, когда, казалось бы, незначительная замена закупленного материала незаметно нарушит ограничения трассировки.

Эффекты на уровне панели

Контур одной и той же платы может вести себя по-разному при размещении на разных производственных панелях. Извлечение меди, конструкция направляющих, размещение образцов, загрузка пресса и фрезеровка элементов, отсоединяемых от платы, могут влиять на равномерность толщины и изгиб/скручивание. Включение панельной обработки в обзор первого образца необходимо, если критически важны плоскостность, контролируемая глубина или измерение импеданса.

Специальные конструкции из толстой медной проволоки, предназначенные для радиочастотного и теплового воздействия.

Толстый слой меди изменяет ситуацию сильнее, чем позволяют текущие возможности. Толстая фольга требует большего припуска на травление, влияет на минимальные размеры дорожек и пространства, увеличивает расход смолы при ламинировании и может затруднить балансировку меди. Для десятислойной платы с отдельными слоями, содержащими большое количество меди, могут потребоваться конструкции из препрега с добавлением смолы, ступенчатая медь или локализованные шинные структуры, а не равномерное покрытие медью каждого слоя. Поставщик должен предоставить достижимую геометрию для точной толщины меди и размера панели.

В зависимости от доступа к источнику излучения, экранирования и обработки материалов, радиочастотные слои могут располагаться снаружи или внутри гибридной структуры. Контролируемые радиочастотные структуры могут требовать копланарного заземления, ограждений переходных отверстий, покрытия полостей или кромок, а также, в отдельных случаях, покрытия без никеля. Эти особенности следует рассматривать как специфические особенности конструкции распределенной схемы; могут быть актуальны стандарт IPC-2228 и технологические рекомендации выбранного поставщика материалов. Их не следует сводить к простому «использованию специального ламината с низкими потерями на слое L1».

Встроенные медные элементы, тепловые вставки и металлические теплоотводы создают локальные ограничения по толщине, покрытию и ламинированию. Их интерфейсы, изоляция, плоскостность и путь тепловыделения должны быть определены до выпуска многослойной структуры. Тепловой элемент может нарушить импеданс соседних слоев или вызвать деформацию, если он добавлен после трассировки. Координируйте тепловую модель, механический чертеж и порядок электрических слоев как единый проект.

Для любых нестандартных конструкций запросите чертеж поперечного сечения и технологическую документацию с учетом особенностей процесса проектирования. Общая таблица возможностей десятислойной конструкции не должна подразумевать, что все варианты с использованием толстой меди, радиочастотных компонентов, гибких профилей и встроенных тепловых элементов могут быть объединены без предварительной оценки проекта.

Контроль изменений в компоновке после начала работ.

После того как правила трассировки, целевые значения задержки и модели каналов привязаны к утвержденной структуре слоев, изменение материала или конструкции считается инженерным изменением, а не заменой закупленного материала. Изменения в конструкции сердечника или препрега, содержании смолы, медной фольге, готовой меди, паяльной маске, длине переходного отверстия или последовательности ламинирования могут одновременно влиять на несколько проектных ограничений.

Если для закупки требуется другая толщина диэлектрика, необходимо повторно провести как электрические, так и механические проверки. Изменение одного препрега может повлиять на ширину дорожек, расстояние между парами электронов, задержку распространения, общую толщину и баланс смолы. В пересмотренном чертеже следует указать новую конструкцию, а не сохранять старый номер версии. Этот принцип особенно важен, когда многослойная структура используется в нескольких продуктах или на разных производственных площадках.

Контрольный список для утверждения проекта Stackup

Схема готова к выпуску, когда согласованы электрическая архитектура и технологичность изготовления материалов. В окончательном варианте должны быть показаны все десять медных слоев и все девять диэлектрических зазоров, указана опорная плоскость для каждого управляемого сигнального слоя, а также завершен расчет толщины готового изделия с использованием значений диэлектрической проницаемости, указанных в каталоге.

• Подтвердите функции слоев, непрерывность опорных точек и сегментацию плоскости мощности.
• Сбалансированная диэлектрическая конструкция, распределение меди и специальные материалы вокруг механического центра, где это практически возможно.
• Укажите точные параметры сердечника, препрега, содержания смолы и медной фольги, используемые в моделях импеданса и потерь.
• Перед окончательной нумерацией необходимо устранить проблемы, связанные с субламинированием HDI, скрытыми переходными отверстиями, гибкими переходами и соединениями из гибридных материалов.
• Для утверждения предоставьте данные о ширине изделия, зазорах между парами и окончательной толщине.
• Заблокируйте версию стека до окончательного утверждения ограничений маршрутизации и правил согласования задержек.

Полезный чертеж многослойной структуры представляет собой одновременно и границу электрической модели, и инструкцию по изготовлению. Если он не может объяснить обратный путь, общую толщину, медную структуру и последовательность ламинирования, он не готов к выпуску.