Руководство по проектированию 28-слойных печатных плат: структура, материалы и целостность сигнала 28 Гбит/с.

28-слойная конструкция печатной платы находится на стыке максимальной плотности трассировки и реальной сложности производства. Ее выбирают, когда 24 слоя не могут вместить необходимое количество сигнальных слоев для сложной системы, когда для питания требуется больше выделенных плоскостей, чем может обеспечить меньшее количество слоев, или когда плотность компонентов процессора ИИ, ASIC сетевого коммутатора или современной FPGA требует платы, способной трассировать каждый сигнал с контролируемым импедансом. Это руководство написано для инженеров-проектировщиков и менеджеров по закупкам, работающих над реальными 28-слойными программами — оно охватывает решения, определяющие целесообразность использования 28-слойной печатной платы. Производитель 28-слойных печатных плат Мы можем воплотить ваш проект в жизнь в соответствии с вашими требованиями.

1. Когда 28 слоев — оптимальное количество слоев?

1.1 Требования к плотности маршрутизации, определяющие решения для 28-уровневой архитектуры

Решение об использовании 28 слоев редко принимается произвольно. Обычно оно принимается на основе структурированного анализа количества слоев: оценки плотности трассировки (общая длина сети, деленная на доступную площадь трассировки на слой), которая показывает, что 24 слоя не могут вместить необходимое количество сигналов при требуемой ширине и расстоянии между трассами. Типичные причины:

• Корпуса BGA с более чем 2,500 выводами и шагом 0.8 мм или 1.0 мм, где трассировка выводов требует нескольких сигнальных слоев на каждой стороне корпуса.
• Многокристальные корпуса (конфигурации MCM или 2.5D-интерпозера), в которых суммарное количество входов/выходов превышает пропускную способность 24-слойной трассировки.
• Высокоскоростной последовательный канал связи насчитывает более 64 дифференциальных пар со скоростью 28 Гбит/с и выше, при этом каждая пара должна быть проложена с опорными плоскостями выше и ниже по всей своей длине.
• Сложность силовых доменов превышает 6–8, что требует выделения отдельных плоскостей для нескольких линий напряжения во избежание шумовой связи в общей плоскости.

Если ваша конструкция не соответствует хотя бы двум из этих критериев, перед принятием решения о стоимости изготовления и производства 28-слойной конструкции стоит провести структурированный анализ альтернативных вариантов с 24 слоями.

1.2 Преимущество 28-слойной конструкции перед 24- и 32-слойными

Двадцать восемь слоев обеспечивают четыре дополнительных слоя трассировки или плоскости по сравнению с 24-слойной структурой, оставаясь при этом в диапазоне последовательного ламинирования, доступном более широкому кругу поставщиков (обычно 2–3 цикла ламинирования против 3–4, необходимых для 30+ слоев). По сравнению с 32 слоями, 28 слоев обеспечивают значительно меньшую стоимость материалов (меньше препрегов и слоев сердечника), более короткое время последовательного ламинирования и более высокую производительность производства — при этом удовлетворяя требованиям подавляющего большинства платформ 400G для сетей, задач искусственного интеллекта и передовых платформ FPGA. Понимание всего процесса Изготовление печатных плат Технологический процесс последовательного ламинирования помогает установить реалистичные сроки выполнения и ожидаемые затраты до отправки запроса на коммерческое предложение.

2. Планирование структуры слоев для 28-слойных высокоскоростных схем.

2.1 Принципы назначения слоев

Грамотно спланированная 28-слойная архитектура соответствует установленным принципам целостности сигнала, которые становятся все более, а не менее важными по мере увеличения количества слоев:

• Каждый высокоскоростной сигнальный слой должен иметь непосредственно прилегающую непрерывную опорную плоскость. При наличии 28 слоев недостатка в плоских слоях нет — используйте их для создания полосковых линий для каждой критически важной группы сигналов. Микрополосковая трассировка на внешних слоях должна быть зарезервирована для сигналов, где требование к контролируемому импедансу является второстепенным.
• Сохраняйте симметрию относительно средней плоскости доски. Асимметричная структура слоев — различное количество меди, различная толщина диэлектрика или различное число сигнальных и плоскостных слоев с каждой стороны от центра — создает результирующий изгибающий момент по всей плате во время ламинирования и термических циклов. При 28 слоях и конечной толщине 3.0–3.6 мм деформацию, вызванную асимметричной структурой слоев, трудно исправить, и она может привести к сбоям в сборке. Класс IPC 3 требует, чтобы изгиб и скручивание составляли ≤0.5%.
• Группируйте плоскости мощности по областям напряжения, по возможности с сигнальными слоями между ними. Плоская пара (питание + земля) между двумя сигнальными слоями функционирует как развязывающий конденсатор с очень малой индуктивностью контура — это настоящее преимущество системы распределения питания. При проектировании структуры следует использовать такую ​​геометрию для наиболее зашумленных областей питания.

Для трассировки BGA-компонентов со сверхмалым шагом на 28 слоях, HDI через структуры — Часто требуются многослойные микропереходы и переходные отверстия в контактных площадках. Для этого необходим производитель с действующей линией последовательного ламинирования и специализированными возможностями лазерного сверления, а не просто способный назвать количество слоев.

2.2 Целевые значения толщины диэлектрика и импеданса

При 28 слоях толщина диэлектрика между сигнальными слоями и их опорными плоскостями обычно составляет 75–150 мкм для внутренних полосковых слоев. Это определяет ширину трасс — односторонняя трасса с сопротивлением 50 Ом на диэлектрике толщиной 100 мкм с Er = 3.7 (Isola 370HR) имеет ширину приблизительно 170–180 мкм, что является приемлемым для современных устройств. производство печатных плат с контролируемым импедансомДля дифференциальных пар сопротивлением 100 Ом комбинация ширины и расстояния между дорожками должна быть определена с помощью программного обеспечения производителя, использующего фактическую геометрию многослойной структуры, а не приблизительно рассчитана с помощью онлайн-калькуляторов.

Более тонкие диэлектрики (75 мкм или менее) обеспечивают более тесную связь между дифференциальными парами и меньшую паразитную емкость на высокоскоростных узлах, но требуют от производителя наличия подтвержденной возможности соблюдения допуска по толщине диэлектрика (требование класса 3 IPC составляет ±10% от номинального значения после ламинирования). При номинальной толщине 75 мкм ±10% означает ±7.5 мкм — допуск, который требует от производителя точной характеристики текучести препреговой смолы для каждой комбинации материалов и рецептуры ламинирования.

3. Целостность сигнала на скорости 28 Гбит/с и выше.

3.1 Расчет потерь на входе для 28-слойных плат

Достижение характеристики высокочастотного сигнала Для обеспечения работы последовательно-полосных соединений со скоростью 28 Гбит/с и выше требуется тщательный выбор материалов и спецификация медной фольги до окончательного утверждения структуры платы. Сигнал NRZ 28 Гбит/с (основная частота 14 ГГц), проходящий через плату размером 300 мм на внутреннем полосковом слое, сталкивается с потерями в проводниках, диэлектрическими потерями и потерями в переходных отверстиях. В типичной 28-слойной плате с использованием Isola 370HR и стандартной медью:

• Потери в проводнике (стандартная медь ED): приблизительно 0.18–0.22 дБ/см на частоте 14 ГГц.
• Диэлектрические потери (Df = 0.021 на частоте 10 ГГц): приблизительно 0.12–0.15 дБ/см на частоте 14 ГГц.
• Суммарные потери в каналах для 300 мм: 9–11 дБ, до учета влияния переходных отверстий.

Этот бюджет потерь является недостаточным для 28 Гбит/с NRZ без эквализации. Для схем, требующих меньших потерь, или для сигнализации PAM4 на скорости 56 Гбит/с (28 Гбод), где бюджет потерь более ограничен, кабель Panasonic Megtron 6 (Df = 0.002) с медным кабелем VLP снижает суммарные потери примерно до 5–6 дБ при той же длине канала, обеспечивая существенный запас для эквализации и надежности системы.

Практическое значение: выбор материала для 28-слойной конструкции со скоростью 28 Гбит/с и выше не является второстепенным решением. Его следует принимать на раннем этапе проектирования, основываясь на измеренном бюджете потерь в канале, полученном в результате моделирования до компоновки, и фиксировать до выбора производителя — поскольку не все производители 28-слойных схем имеют в наличии или регулярно производят материал Megtron 6.

3.2. С помощью разрывов и обратного сверления на 28 слоях

Сквозное переходное отверстие в 28-слойной плате, используемое лишь на части толщины платы, оставляет шлейф, резонирующий в полосе пропускания сигнала. Для 28-слойной платы с готовой толщиной 3.2 мм, где переходное отверстие соединяет только слои 1–14, неиспользуемый шлейф составляет приблизительно 1.6 мм — резонируя примерно на частоте 30 ГГц. Для сигналов NRZ со скоростью 28 Гбит/с и энергией до 14 ГГц этот резонанс находится на границе гармоник; для сигналов со скоростью 56 Гбит/с он находится непосредственно в полосе пропускания.

Обратное сверление удаляет неиспользованный остаток переходного отверстия, оставляя контролируемый остаток, обычно ≤0.25 мм. Этот процесс требует механического сверления с контролем глубины и точностью по оси Z ±50–75 мкм, а также модели компенсации размеров, откалиброванной для каждой толщины платы. Запросите фотографии поперечного сечения обратных отверстий, просверленных производителем, из недавней продукции — измеренная длина остатка переходного отверстия непосредственно видна на сечении и является наиболее надежным подтверждением возможностей их процесса обратного сверления.

4. Архитектура сети электропитания на 28-слойных платах

4.1 Количество плоскостей и изоляция доменов питания

В 28-слойной схеме обычно 10–14 слоев отводятся под плоскости (питание и заземление вместе) и 14–18 слоев под трассировку сигналов. Такая плотность плоскостей обеспечивает подлинную изоляцию силовых доменов: отдельные выделенные плоскости для напряжения ядра, напряжения ввода/вывода, аналогового питания, напряжения оконечного резистора DDR и вспомогательных шин — каждая со своим собственным обратным путем и стратегией развязки. Альтернативный вариант — общие плоскости с разделенными медными слоями — вводит высокочастотную связь между силовыми доменами, которую трудно смоделировать и трудно устранить в существующей компоновке.

Для пакетов платы для центров обработки данных с искусственным интеллектом Для высокопроизводительных сетевых платформ, где необходимо подавать десятки ампер при напряжении ядра менее 1 В с пульсациями милливольтного уровня, проектирование сети распределения питания осуществляется совместно с проектированием структуры. Пары плоскостей, выбранные для напряжения ядра, должны быть определены до начала размещения, а не назначены любым слоям, оставшимся после завершения трассировки сигнала.

4.2 Размещение развязывающих конденсаторов и влияние переходных отверстий

Развязывающие конденсаторы, размещенные на поверхности платы, должны соединяться с плоскостями питания и заземления через переходные отверстия. Каждое переходное отверстие вносит индуктивность — приблизительно 0.5–1.0 нГн для стандартного переходного отверстия на плате толщиной 3.2 мм. При 28 слоях, где плоскости питания могут располагаться глубоко в структуре, индуктивность переходного отверстия от поверхностно-монтируемого развязывающего конденсатора к соответствующей плоскости питания может быть достаточно значительной, чтобы снизить эффективность конденсатора выше 100–200 МГц. Минимизация этой индуктивности переходного отверстия требует использования массивов переходных отверстий (несколько переходных отверстий, соединенных параллельно) и размещения развязывающих конденсаторов на слое, ближайшем к компоненту, который они обслуживают, — что при 28 слоях часто означает их встраивание в структуру на промежуточном этапе ламинирования.

5. Перевод требований СИ в технические условия изготовления.

5.1 Элементы спецификации, которые должны быть явно указаны

A панельный Заказ на 28-слойную печатную плату, в котором указаны только данные Gerber и количество слоев, не является спецификацией изготовления. Следующие элементы должны быть четко указаны в письменной форме:

• Материал ламината по производителю, марке и обозначению листа по стандарту IPC-4101 (например, «Isola 370HR, /126»)
• Тип и вес медной фольги по слою или группе слоев (например, «VLP-медь, 0.5 унции на внутренних сигнальных слоях L3–L26»)
• Целевые значения управляемого импеданса с указанием класса цепи, назначения слоев и допуска (например, «разность 100 Ом, пара L5/L6, ±5%)».
• Требования к обратному бурению: какие группы проходов использовать, направление бурения, максимальная длина отвода.
• Класс IPC: явно «IPC-6012 Класс 3» — не оставляйте это без указания.
• Спецификация качества поверхности с указанием толщины (например, «ENIG, минимум 2 мкм Au / 150 мкм Ni»)
• Требования к тестированию: 100% электрическое тестирование с помощью летающего зонда или приспособления, тестирование импедансных образцов методом TDR для каждой панели.

5.2 Анализ DFM как мероприятие по квалификации поставщика

Перед утверждением производства запросите у производителя результаты проверки DFM (проектирование для технологичности производства). Квалифицированный производитель 28-слойных плат выявит реальные проблемы: нарушения кольцевой структуры в местах соединения с высоким соотношением сторон, конфликты зазоров при сверлении, проблемы балансировки меди, предвещающие деформацию, или проблемы с выбором препрега при использовании тонких диэлектрических материалов. Производитель, который возвращает результаты проверки DFM без комментариев по сложной 28-слойной конструкции, либо не проверил файлы, либо не имеет инженеров, способных их проверить. Оба варианта должны стать основанием для дисквалификации поставщика.

6. Оценка поставщика 28-слойных печатных плат: важные доказательства

6.1 Матрица доказательств поставщика

6.2 Признаки проблем при оценке поставщиков

• Поставщик не может предоставить изображения поперечных сечений продукции, произведенной в 28-слойной технологии за последние 90 дней, что указывает на то, что производство 28-слойной продукции для него не ведется.
• Данные импеданса Cpk недоступны или показывают Cpk <1.33 — это указывает на неадекватный контроль процесса с допуском ±5%.
• Поставщик не использует программу для расчета импеданса (Polar SI, iCD или аналогичную) — это означает, что ширина трасс оценивается, а не моделируется.
• Срок проверки DFM для сложной 28-слойной конструкции составляет менее 4 часов — это означает, что файлы не были проверены инженером.
• Поставщик не может назвать химический состав покрытия, используемого для сквозных отверстий с высоким соотношением сторон, что свидетельствует о незнании требований к покрытиям класса 3.

Обсудите ваш проект 28-слойной печатной платы.

7. Сроки выполнения, факторы, влияющие на стоимость, и переход от прототипа к серийному производству.

7.1 Реальные сроки изготовления прототипов 28-слойных печатных плат

28-слойный прототип У квалифицированного производителя от утверждения DFM до поставки проходит 15–25 рабочих дней. Время выполнения заказа определяется последовательностью ламинирования (каждый цикл требует времени прессования, времени отверждения и определения размеров перед началом следующего цикла) и последовательностью нанесения покрытий (нанесение PPR-покрытия для переходных отверстий с высоким соотношением сторон требует более длительного времени в ванне по сравнению с нанесением покрытий постоянным током). Любого поставщика, заявляющего о поставке 28-слойного прототипа за 5–7 дней, следует специально спросить, как он выполняет 3 цикла ламинирования в такие сроки — физические законы этого не подтверждают.

Для производственных партий от 50 до 500 плат типичные сроки поставки у квалифицированных поставщиков составляют 20–30 рабочих дней, при этом наиболее распространенным фактором является наличие материала. Поставщик, имеющий на складе Isola 370HR и Megtron 6 стандартной толщины, может начать производство в день утверждения DFM; поставщик, заказывающий материал поштучно, увеличивает срок выполнения каждого заказа на 1–3 недели.

7.2 Структура затрат на 28-слойную печатную плату

Основные факторы, влияющие на стоимость 28-слойной печатной платы, в порядке убывания значимости:

• Стоимость материала: 30–40% от общей стоимости платы. Megtron 6 стоит в 4–6 раз дороже, чем Isola 370HR, в расчете на единицу площади. Эта разница в стоимости должна быть обоснована анализом СИ, а не исходить из предположения, что «лучший материал — это лучше».
• Последовательная ламинация и время печати: Каждый цикл ламинирования увеличивает прямые затраты и сроки выполнения заказа. Конструкции, которые можно изготовить за 2 цикла вместо 3, значительно дешевле — решения по архитектуре многослойной структуры, принятые на ранних этапах проектирования, существенно влияют на стоимость.
• Обратное сверление: Это увеличивает стоимость каждой группы переходных отверстий, требующих сверления, а также продлевает время цикла. Обратное сверление следует применять выборочно — только к группам переходных отверстий, где резонанс шлейфа попадает в полосу пропускания сигнала, а не повсеместно ко всем сквозным переходным отверстиям.
• Финишное покрытие: ENIG добавляет минимальную стоимость по сравнению со стоимостью 28-слойной платы. ENEPIG для проволочного монтажа или требований к золотым выводам добавляет больше. Укажите необходимые параметры, но не выбирайте самый дорогой вариант покрытия без обоснования задачи.

7.3 Управление переходом от прототипа к серийному производству

Проблема большинства 28-слойных программ возникает на стыке успешного прототипа и воспроизводимого производства. Прототип был создан с особым вниманием к инженерным деталям; производственная партия работает в пакетном режиме со стандартным технологическим процессом. Для обеспечения качества продукции:

• Запрашивайте данные об импедансе Cpk не только у прототипа, но и у всей предсерийной партии.
• Перед началом производства заключите соглашение о технологическом процессе, определяющее утвержденный источник партии ламината, параметры нанесения покрытия и профиль ламинирования.
• Указывать 100% электрические испытания — Полетный зонд или крепление — как договорное требование в технической спецификации, а не как запрос, оставленный на усмотрение производителя.
• Выравнивать Сборка печатной платы Требования к допускам при изготовлении на ранних этапах: выбор качества поверхности, спецификация заполнения переходных отверстий и плоскостность платы напрямую влияют на выход годных изделий при поверхностном монтаже, и эти параметры должны быть подтверждены группами по изготовлению и сборке до выпуска первой партии продукции.
• Процедуры корректирующих действий должны быть включены в соглашение о качестве до начала производства первой партии продукции, а не после первого отказа.