Производство печатных плат для коммутаторов Ethernet для высокоскоростного сетевого оборудования.

Плата коммутатора Ethernet представляет собой производственную платформу для нескольких различных электрических областей: коммутирующего устройства или процессора, физического уровня Ethernet, памяти, тактирования, преобразования питания, схем управления и интерфейсов медных или оптических портов. Плата может поддерживать только несколько медных портов или объединять множество портов с интерфейсами SFP/SFP+/другими подключаемыми интерфейсами. Поскольку электрические требования меняются в зависимости от архитектуры и скорости передачи данных, полезный производственный план начинается с фактической схемы, структуры слоев, ограничений по каналам и спецификации сборки, а не с общей спецификации «печатной платы сетевого коммутатора». Компания Highleap Electronics предоставляет услуги по производству высокоскоростных коммуникационных печатных плат и комплексной поддержке сборки печатных плат для сетевого оборудования, включая многослойные платы с контролируемым импедансом, плотную сборку и ориентированный на производство инженерный анализ.

1. Начните с архитектуры коммутатора, а не с типовой спецификации «печатной платы Ethernet».

В рамках одной и той же категории продукции могут возникать совершенно разные проблемы, связанные с печатными платами. Компактный неуправляемый коммутатор может использовать высокоинтегрированное устройство коммутатора/PHY и несколько магнитных модулей. Управляемая платформа может включать в себя отдельный ЦП, память DDR, флэш-память, несколько PHY, SFP-модули, резервное питание, консольные порты и большой коммутационный ASIC.

1.1. Перед выпуском стека необходимо определить все высокоскоростные интерфейсы.

Группа разработчиков должна обозначить интерфейсы, электрические характеристики которых зависят от заданной геометрии. К ним могут относиться дифференциальные пары PHY-to-magnetics, последовательные интерфейсы между ASIC-микросхемой коммутатора и PHY, высокоскоростные шины памяти, тактовые линии, интерфейсы PCIe или другие интерфейсы хоста на более сложных платформах, а также высокоскоростные соединения с оптическими модулями.

Не каждая сеть нуждается в контроле импеданса. Рассмотрение каждого участка как «высокоскоростного» увеличивает стоимость без повышения производительности. На чертеже для изготовления должны быть указаны структуры, которые действительно требуют контроля импеданса, и ожидаемые допуски для каждой из них.

1.2 Медные и оптические порты создают различные ограничения по компоновке.

Медные Ethernet-порты проходят через магнитные компоненты и внешние разъемы. Подключаемые оптические/электрические модули могут включать высокоскоростные последовательные каналы, механическую конструкцию корпуса, геометрию вывода разъемов и более длинные пути, чувствительные к потерям. Если присутствуют оба фактора, плата может потребовать различных правил маршрутизации в разных областях.

1.3 Количество портов превышает размер материнской платы.

По мере увеличения количества портов, в конструкции может потребоваться больше PHY-каналов, линий питания, распределения тактовой частоты, разъемов ввода/вывода, теплоотвода и плотной разводки выводов. Это может подтолкнуть к увеличению количества слоев или использованию элементов HDI на печатной плате . Цель производства состоит в том, чтобы усложнять конструкцию только там, где это решает проблему разводки или целостности сигнала.

2. Структура печатной платы и контролируемое сопротивление для трассировки коммутатора на физический уровень и на сторону портов.

Структура слоев — одно из первых решений, принимаемых на этапе производства, которое может существенно повлиять на производительность коммутатора Ethernet. Толщина диэлектрика, толщина меди, содержание смолы, тип стекла, размещение в опорной плоскости и окончательная геометрия дорожек — все это влияет на импеданс и потери.

2.1. Формирование многослойной структуры вокруг опорных плоскостей.

Для высокоскоростных слоев следует использовать непрерывные опорные плоскости, расположенные на контролируемых расстояниях. Это обеспечивает команде разработчиков предсказуемое сопротивление и короткие пути обратного тока. Размещение силового и заземляющего слоев также влияет на сопротивление распределения питания и перекрестные помехи между слоями трассировки.

Для целей производства утвержденная спецификация структуры печатной платы должна указывать семейство ламинатов, структуру сердцевины/препрега, вес медных компонентов, конечную толщину и слои с контролируемым импедансом. Если поставщик предлагает эквивалентную диэлектрическую конструкцию, изменение должно быть проверено с электрической точки зрения до выпуска.

2.2 Необходим ли низкопотерный материал для каждой печатной платы коммутатора Ethernet?

Нет. Хорошо спроектированные системы FR-4 подходят для многих каналов коммутаторов Ethernet, если это позволяют допустимые потери и конструкция. Ламинаты с меньшими потерями становятся полезными, когда скорость передачи данных, длина канала, количество выводов разъемов, скорость передачи последовательных данных или запас по вносимым потерям делают стандартные материалы непригодными. Правильное решение принимается исходя из допустимых потерь в канале; наше руководство по выбору материалов для высокоскоростных печатных плат объясняет производственные переменные, которые следует сравнивать, вместо того, чтобы рассматривать марку ламината как гарантию производительности.

Highleap работает со стандартными и низкопотерными материалами, используемыми в высокоскоростном производстве печатных плат . При выборе материалов для замены следует учитывать такие параметры, как Dk, Df, доступная толщина, профиль медного слоя, тепловые характеристики и совместимость с ламинированием.

2.3. Импедансные образцы. Проверка изготовленной конструкции.

Когда требуется контролируемое сопротивление , на производственную панель можно разместить тестовые образцы и измерить их после изготовления. Образец подтверждает правильность сборки и геометрии изготовленной конструкции; он не заменяет сквозную проверку канала в собранной системе. Требования к тестированию, целевые значения, допуски, эталонный слой и структура образцов должны быть включены в документацию по заказу.

3. Структуры, разъемы и расчет потерь в гигабитных и многогигабитных коммутаторах.

По мере увеличения частоты фронтов сигнала и частоты канала разрывы становятся все более важными. Переходные отверстия, выводы разъемов, ответвления, переходы между слоями и изменения опорной плоскости — все это приводит к возникновению паразитных эффектов.

3.1 Всегда ли требуется сверление обратной стороны печатной платы коммутатора Ethernet?

Нет. Стандартное металлизированное сквозное отверстие вполне допустимо, если позволяет бюджет канала. Сверление печатной платы с обратной стороны , глухие отверстия или микроотверстия вводятся, когда количество неиспользуемых отрезков отверстий или плотность трассировки становятся достаточно значительными, чтобы оправдать добавление этого процесса. Производитель должен получить таблицу сверления с контролируемой глубиной или последовательность сборки HDI, а не догадываться о назначении из файлов Gerber.

3.2 Геометрия запуска разъема должна оставаться неизменной

Магнитные разъемы RJ45, межплатные соединители, мезонинные разъемы и разъемы для подключаемых модулей создают переходные зоны между различными структурами. Размер контактной площадки, геометрия антиконтактов, размещение опорных переходных отверстий и трассировка выводов могут существенно влиять на локальное сопротивление. Изменения в CAM-системе на этапе изготовления вблизи этих точек ввода следует минимизировать и пересматривать при необходимости.

3.3 Не следует игнорировать механические допуски в области корпусов и соединителей.

Корпуса семейства SFP, расположенные друг над другом разъемы RJ45, светодиоды, световоды и вырезы в корпусе создают тесную механическую взаимосвязь. Допуски по контуру платы, положение разъемов, расположение монтажных отверстий и плотность припоя могут влиять на окончательную подгонку. 3D-модель или чертеж помогают сборщику выявить возможные помехи до начала производства.

4. Распределение питания, тактирование и управление обратным путем на платах коммутаторов Ethernet.

Основное внимание уделяется тракту сигнала, но многие отказы коммутаторов начинаются с проблем с целостностью питания, качеством тактового сигнала или обратным путем.

4.1 Коммутирующие устройства часто нуждаются в нескольких низковольтных линиях питания.

В коммутационных ASIC и процессорах могут использоваться отдельные источники питания для ядра, ввода-вывода, памяти, аналоговых цепей и SerDes. Топология и последовательность регуляторов зависят от конкретного устройства. На печатной плате широкие силовые плоскости, локальная развязка, размещение переходных отверстий и низкоимпедансные соединения помогают сети распределения питания работать должным образом.

4.2 Маршрутизацию тактового сигнала следует рассматривать как электрический интерфейс.

Опорные генераторы и тактовые сигналы для физических уровней или коммутационных устройств могут быть чувствительны к шуму и разрывам обратной связи. Производитель должен сохранять защитные/изолирующие структуры и избегать перемещения переходных отверстий или опорной меди в этих схемах, если это не одобрено.

4.3 Разрывы обратного пути могут быть хуже, чем разница длин трасс.

Дифференциальная пара, пересекающая разделенную плоскость или изменяющая опорное напряжение без надлежащего соединения, может создавать синфазные помехи и электромагнитные помехи. Это невозможно исправить в процессе изготовления после утверждения топологии. Практический анализ DFM может выявить разрывы плоскостей, проблемы с технологичностью и ограничения, связанные с переходными отверстиями, в то время как окончательная проверка целостности сигнала остается частью процесса проектирования аппаратной части.

5. Сборка печатных плат для коммутационных микросхем, PHY, магнитных компонентов, разъемов RJ45 и подключаемых интерфейсов.

Сборка печатных плат коммутаторов Ethernet часто представляет собой сочетание различных технологий. В сборке BGA-компонентов с малым шагом выводов могут использоваться QFN-корпуса, кварцевые резонаторы, силовые индукторы, крупные разъемы RJ45, компоненты с запрессовкой или сквозным монтажом, а также металлические корпуса.

5.1 Сборка BGA и QFN требует контроля технологического процесса, специфичного для каждого типа корпуса.

Конструкция трафарета, объем пасты, профиль оплавления, поддержка платы и влагоотведение корпуса влияют на качество соединения. Переходные отверстия под термопастными площадками BGA или QFN должны иметь правильные характеристики заполнения/закрытия, в то время как открытые переходные отверстия могут пропускать припой. Рентгеновский контроль полезен для оценки скрытых соединений и пустот в термопастных площадках, поскольку эти особенности не могут быть полностью оценены с помощью автоматического оптического контроля.

5.2 Магнитные компоненты и разъемы Ethernet требуют контролируемой замены

Два разъема RJ45, внешне похожие на внешние, могут использовать разные встроенные магниты, расположение контактов светодиодов, конфигурацию центрального вывода, конструкцию экрана или возможность питания по PoE. Аналогично, модули с дискретными магнитами имеют электрические характеристики, которые должны соответствовать конструкции. Поэтому замена компонентов в спецификации должна быть одобрена инженерным отделом, а не основываться только на габаритах.

5.3 Крупные разъемы влияют на процесс пайки

В зависимости от конструкции разъема и типа печатной платы, компоненты для сквозного монтажа могут быть припаяны волновой пайкой, выборочной пайкой или вручную после поверхностного монтажа. Теплоотвод, размер отверстий, медное соединение и расстояние до соседних компонентов должны соответствовать выбранному процессу. Услуга по сборке печатных плат методом поверхностного монтажа от Highleap может быть интегрирована со сборкой компонентов для сквозного монтажа для создания полноценных коммутационных плат.

6. Стратегия проверки и функционального тестирования печатных плат коммутаторов Ethernet.

Грамотный план тестирования позволяет отделить производственные дефекты от проблем с производительностью Ethernet на системном уровне.

6.1 Голая доска

Стандартной отправной точкой для изготовления печатных плат является проверка на 100% электрическую целостность/изоляцию. При необходимости добавляются образцы для измерения импеданса. Размеры, качество пайки, отделка, сверление и визуальный осмотр подтверждают соответствие платы установленным требованиям.

6.2 Проверка сборки

SPI позволяет проверить нанесение паяльной пасты перед установкой. AOI проверяет наличие компонентов, полярность, выравнивание и видимые паяные соединения. Рентгеновский контроль добавляется для BGA, LGA, QFN или других скрытых паяных соединений. Эти методы дополняют друг друга; ни один из них сам по себе не доказывает корректную работу порта Ethernet.

6.3 Что должно включать функциональное тестирование печатных плат коммутаторов Ethernet?

Функциональное тестирование может включать проверку напряжения питания, потребления тока, последовательности загрузки, программирования, интерфейса управления, соединения портов, проверки обратной связи или трафика, работы светодиодов и распознавания оптического модуля, где это применимо. Глубина тестирования зависит от используемого оборудования и программного обеспечения, предоставленного или разработанного совместно для проекта. Проверка печатных плат/сборок не заменяет проверку на соответствие стандартам IEEE 802.3, электромагнитной совместимости, безопасности или нормативным требованиям для готового коммутатора.

7. Контрольный список инженерной документации: от прототипа печатной платы коммутатора Ethernet до серийного производства.

Для получения точной сметы и контролируемого выпуска продукции необходимо включить:

• Файлы данных и файлов сверления Gerber/ODB++
• Чертеж для изготовления с указанием размеров, допусков и специальных технологических процессов.
• Утвержденные требования к штабелированию и материалам.
• Список управляемого импеданса с целевым уровнем, уровнем допуска и эталонным уровнем.
• Спецификация материалов с утвержденными номерами деталей производителя и альтернативной политикой.
• Данные для операций захвата и перемещения, а также сборочные чертежи.
• Технические характеристики разъемов/корпусов для критически важных интерфейсов.
• Файлы и инструкции для программирования
• Процедура функционального тестирования, программное обеспечение, тестовые приспособления и пределы прохождения/непрохождения.
• Требования к объемам прототипирования, опытных образцов и серийного производства, а также к отслеживаемости.

Поэтапная сборка прототипа печатной платы полезна для проверки структуры, механической подгонки, процесса сборки, теплового поведения и метода тестирования до утверждения производственного набора данных. Компания Highleap Electronics может оказывать услуги только по изготовлению, по поручению заказчика или по сборке печатных плат «под ключ» в зависимости от объема работ и тестирования, определенных вашей командой. Для получения дополнительной информации об архитектуре коммутаторов и вопросах верификации см. наш обзор печатных плат коммутаторов и руководство по тестированию надежности печатных плат сетевых коммутаторов.