10-lagers PCB-staplingsdesign för impedans och plan

En tiolagersstackup är en elektrisk och tillverkningsarkitektur, inte en lista över kopparlager separerade med nominella prepreg-tjocklekar. Den avgör vilka signaler som har kontinuerliga referenser, hur mycket routingkapacitet som är tillgänglig, var strömmen distribueras, vilken spårgeometri som är tillverkningsbar och hur panelen beter sig under laminering. Eftersom tio kopparlager skapar nio dielektriska gap, kan en till synes liten förändring i ett gap förändra impedans, total tjocklek och symmetri.

Exemplen nedan är utgångspunkter för designen snarare än staplar från tillverknings- och releasedatum. Slutliga kärn- och prepregkonstruktioner, pressade tjocklekar, kopparfolier och kontrollerade geometrier måste bekräftas av tillverkaren. Använd den här sidan med materialguide och impedansspecifikation.

Välj en lagerarkitektur innan du väljer dielektrisk tjocklek

Börja med att klassificera designen: antal höghastighetsroutingkanaler, erforderliga effektplan, BGA-escapedensitet, känsliga analoga eller RF-sektioner, through-via eller HDI-struktur, färdig tjocklek och mekaniska begränsningar. Målet är inte att maximera lager märkta "signal". Målet är att ge varje kritisk väg en användbar referens, hålla returvägarna kontinuerliga och behålla tillräckligt med planarea för effektfördelning.

Routningsriktning är ett sekundärt beslut. Att tilldela "horisontella" och "vertikala" lager reparerar inte en stackup med intilliggande höghastighetssignallager och inget referensplan. Lös först upp fält- och returvägsstrukturen, allokera sedan föredragna riktningar baserat på placering och överbelastning.

Tre användbara 10-lagers stackup-arketyper

Förhållandet ensamt bevisar inte att en stackup är bra. Två "6 signaler / 4 plan"-arrangemang kan bete sig väldigt olika beroende på var planen placeras. Om en design behöver sex signallager, reservera de planangränsande lagren för kritiska nät och placera långsammare, kortare eller ortogonalt dirigerade signaler på det mindre gynnsamma paret.

Ett exempel på 10 lager rikt på referensplan

Följande lagerordning är en robust konceptuell utgångspunkt för ett styvt kort med fyra huvudsakliga signallager. Det är elektriskt symmetriskt i kritiska signalmiljöer och kan göras mekaniskt symmetriskt genom att spegla dielektriska och kopparkonstruktioner. Det publicerar inte universella dielektriska tjocklekar eller spårbredder.

Detta arrangemang ger båda de inre signallagren två jordreferenser och håller varje yttre signal nära jord. Varje centralt effektplan har en utåtriktad jordpartner. Det centrala L5-L6-avståndet kan väljas för total tjocklek och mekanisk balans utan att det framställs som ett kraft-jord-frikopplingspar.

Konstruktioner som behöver mer routing kan konvertera ett plan till signal, men konsekvenserna måste vara tydliga. Till exempel, om man konverterar L6 till signal, tar man bort ett brett effektplan och skapar ett signallager intill L5 effekt och L7 jord. Kritiska rutter på det lagret måste undvika L5-uppdelningar eller vara utformade för att huvudsakligen referera till L7.

Press-Out, koppar och impedanslucka

Prepreg-tjockleken efter laminering är inte lika med dess ohärdade katalogvärde. Presstjockleken beror på glastyp, hartsinnehåll, koppartäthet, behandling, presscykel och lokalt hartsflöde. Tillverkaren bör ange den förväntade utpressningen för den exakta konstruktionen och ange den tolerans som används i impedansmodellen.

Yttre koppar är en färdig dimension

De yttre lagren börjar med basfolie och får koppar under hål- och mönsterplätering. Modellen med kontrollerad impedans bör använda det färdiga spårets tvärsnitt, inklusive trapetsformad etsningsform. De inre lagren etsas vanligtvis från folie utan samma mönsterpläteringstillväxt, så ett yttre och ett inre spår med samma nominella unsbeteckning delar inte nödvändigtvis samma geometri.

Släpp inte spårbredder före staplingen

En ritning som fixerar 50 Ω vid en viss bredd samtidigt som leverantören tillåter att ändra den dielektriska konstruktionen skapar en motsägelse. Antingen släpper man den exakta uppbyggnaden och geometrin, eller så anger man impedansmålet och ger tillverkaren tillstånd att justera bredd/avstånd inom överenskomna gränser. Alla ändringar som påverkar routingavstånd eller parsnedställning bör skickas tillbaka för kundens godkännande.

Använd rätt materialdata

Fältlösaren bör använda konstruktionsspecifik eller processkalibrerad Dk, inte en enda familjsrubrik kopierad från ett datablad. Ytstrukturer bör inkludera lödmask där sådan finns. Förlustanalys med hög hastighet behöver dessutom Df, kopparns ytjämnhet och frekvensberoende beteende; impedansberäkningen ensam kvalificerar inte kanalförlust.

Kraftintegritet, returvägar och EMI

Närmare signal-referensavstånd minskar loopinduktansen och fältspridningen, men den exakta förbättringen är geometriberoende; den bör inte marknadsföras som en fast dB-reduktion. Plana par kan ge distribuerad kapacitans, men deras värde följer parallellplattförhållandet och den faktiska överlappningsarean. Ett tunt dielektrikum mellan kraft och jord kan vara användbart, men det eliminerar inte diskret frikoppling eller kapselinduktans.

Håll höghastighetsreferensplanen kontinuerliga. När ett kraftplan innehåller flera öar, placera inte kritiska rutter där den dominerande returströmmen skulle behöva korsa en ö-gräns. Om ett signallager finns mellan kraft och jord, bestäm vilket plan som är den avsedda referensen och se till att den alternativa vägen styrs.

Kantgenomföringar kan hjälpa till med utvalda RF- eller kapslingsströmsproblem, men en universell fast delning runt varje digitalkort är onödig och kan minska routing eller skapa planperforering. Stängslets delning och avslutning bör följa den högsta frekvensen och kapslingsstrategin som kontrolleras.

Planera returvägen vid varje lagerövergång

En signalvia ändrar det elektromagnetiska fältet från en transmissionsledningsstruktur till en annan. När båda routinglagren refererar till jordplan kan närliggande jordvias ansluta dessa plan och minska returvägsslingan, men deras antal och placering bör följa övergångsgeometrin snarare än en universell avståndsregel. När en rutt ändras mellan lager som refererar till olika ledare, såsom jord på ett lager och ett effektplan på ett annat, behöver returströmmen en avsiktlig överföringsväg. Den vägen kan använda en lämpligt placerad avkopplingskondensator mellan referensledarna, en annan lagertilldelning eller en omdesignad övergång som håller båda segmenten refererade till jord.

Staplingsritningen bör därför identifiera den avsedda referensen för varje kontrollerat lager, inte bara beteckna ett lager som "signal". Viafält, antiplattor och planavstånd måste ses över tillsammans eftersom en elektriskt sund lagerordning fortfarande kan undergrävas av en övergång som tar bort för mycket närliggande referenskoppar.

Symmetri, kopparbalans och risk för böjning/vridning

Mekanisk symmetri innebär mer än att tilldela samma nätnamn över mittlinjen. Kombinera de yttre kopparvikterna, dielektriska konstruktionerna och den förväntade koppartäckningen. En komponentsida med hög densitet kan ha mycket mer koppar än den motsatta sidan även när nominella folievikter matchar; CAM-tjuv eller designbalansering kan behövas.

Acceptans av böjning och vridning styrs av tillämplig produktspecifikation och monteringsbehov. Finpitch BGA-montering kan kräva en tätare planhet än en generisk gräns för bara kort. Stackup-granskningen bör därför beakta panelstorlek, kortkontur, kopparfördelning, utskärningar, materialblandning och depaneliseringsmetod, inte bara lagersymmetri.

Hybridmaterial, HDI och Rigid-Flex-varianter

Hybrid konstruktion med låg förlust

Material med låg förlust kan lokaliseras runt valda signallager, men den exakta kärnan, prepreg eller bondply-arrangemanget måste kvalificeras. Använd inte en universell CTE-differensgräns och anta kompatibilitet. Granska hartsflöde, vidhäftning, härdning, dimensionsrörelse, borr-/avsmejningsprocess och tillförlitlighet för pläterade hål för hela materialparet.

HDI-uppbyggnad

I ett 1+8+1, 2+6+2 eller 3+4+3-kort beskriver lagernotationen uppbyggnadsfördelningen, inte hela tillverkningsvägen i sig. Varje uppbyggnadsnivå lägger till avbildning, laminering, laserborrning, metallisering och, vid behov, fyllning/planarisering. Staplingen måste identifiera varje mikrovia-spann, nedgrävda via, genomgående via och i vilken ordning strukturerna formas. Presscykelräkning bör inkludera den centrala delkompositen och varje sekventiell uppbyggnad, med hjälp av leverantörens definierade terminologi.

Styv-flexibel stapling

Ett tiolagers styvt-flexibelt kort bär inte nödvändigtvis alla tio lagren genom böjningszonen. Ofta fortsätter endast utvalda flexlager medan andra kopparlager slutar i det styva området. Konstruktionen bör identifiera antal flexlager, limfri eller självhäftande konstruktion, täckskikt, förstyvningar, koppartyp, böjningsriktning och statisk eller dynamisk belastning. IPC-2223 är en designstandard; prestandan för färdiga flexibla och styvt-flexibla kort behandlas av IPC-6013.

Stackup Release Package och DFM Gate

En produktionsuppställning bör vara revisionskontrollerad och inkludera alla tio kopparlager, alla nio dielektriska gap, materialkvalitet och konstruktion, kärna-/prepregbeteckning, nominell och toleranstjocklek, koppartyp och tjocklek, färdig korttjocklek, kontrollerade strukturer, via-spann och eventuella anteckningar om sekventiell laminering.

Slutför denna grind innan routingsignering. Ett arbetsflöde för "slutlig uppbyggnad efter Gerber-inlämning" tvingar fram undvikbara ändringar i illustrationen och kan ogiltigförklara tids- och kanalsimulering. Skicka in konstruktionen via DFM-granskning med tabellen för kontrollerad impedans och kritiska routingantaganden.

Vanliga stackupfel och deras konsekvenser

Räknar funktioner felaktigt

En lagertabell som påstår sig ha sex signallager men bara listar fyra signallager undergräver hela designrationalen. Räkna kopparfunktioner direkt och verifiera varje signals referensmiljö.

Utelämna dielektriska gap

Tio kopparlager kräver nio dielektriska separationer. En tabell som endast listar dielektrikum "under" utvalda lager utelämnar eller dubbelräknar ofta mellanrum och kan inte stämma överens med den färdiga tjockleken.

Använda universella spårbredder

Fasta 50 Ω eller 100 Ω dimensioner kopierade från en annan konstruktion ska inte visas som tillverkningsklara regler. De måste beräknas om med den faktiska pressade dielektriska, koppar- och materialmodellen.

Att kalla två kraftplan för ett frikopplingspar

Distribuerad plankapacitans är användbar mellan ledare som bär motsatt laddning, vanligtvis effekt och jord. Två intilliggande effektplan på olika skenor är inte en generell ersättning för ett effekt-jord-par och kan introducera koppling mellan skenor.

Anta att elektriska etiketter skapar mekanisk symmetri

Skevhet beror på material, tjocklek och kopparfördelning. Speglade lagernamn räcker inte om ena sidan har tät koppar och den andra har gles routing.

Avstämma den färdiga tjockleken innan layouten släpps

Den nominella korttjockleken är resultatet av alla nio pressade dielektriska mellanrum, tio kopparlager, pläteringsbidrag och leverantörens mätkonvention. En enkel summa av katalogkärnor och prepregs kan vara fel eftersom koppar bäddas in i hartset och yttre plätering läggs till efter laminering. Den släppta stackupen bör visa leverantörens beräknade färdiga värde och tolerans, och sedan bekräfta att kraven för kontaktdon, presspassning, kortkant och kapsling använder samma definition.

Tjocklekstoleransen förändrar även impedans och bakborrningsgeometri. En design nära gränsen för ett kontaktdons kontaktområde eller ett borrfönster med kontrollerat djup kan kräva striktare konstruktionskontroll än ett vanligt kort. Om ett tunnare kort föreslås för att minska längden, kontrollera styvhet, monteringshantering, skevhet och kontaktdonskompatibilitet snarare än att endast behandla tjocklek som en elektrisk variabel.

Stackup-revisionskontroll

Ge varje godkänd uppbyggnad en revision och länka tillverkningsritningen, impedanstabellen, simuleringsmodellen och layoutregeluppsättningen till den revisionen. En leverantörsföreslagen förändring av kärna, prepreg, koppar eller material bör generera en markerad uppbyggnad och identifiera vilka kontrollerade geometrier som ändras. Detta förhindrar att en till synes liten inköpsersättning i tysthet ogiltigförklarar routingbegränsningar.

Effekter på panelnivå

Samma kortkontur kan bete sig olika när den placeras på en annan produktionspanel. Kopparstöld, skendesign, placering av kopparbitar, pressbelastning och routing av brytfunktioner kan påverka tjockleksuniformitet och böjning/vridning. Inkludera panelisering i den första artikelöversikten när planhet, kontrollerat djup eller impedansprovtagning är avgörande.

Tung koppar, RF och termiska specialkonstruktioner

Tung koppar förändras mer än nuvarande kapacitet. Tjock folie kräver större etsningstillägg, påverkar minsta spår och utrymme, ökar hartsbehovet under laminering och kan försvåra kopparbalansen. En tiolagerskort med utvalda tunga lager kan behöva hartsfyllda prepreg-konstruktioner, stegkoppar eller lokaliserade bussstrukturer snarare än enhetligt tung koppar på varje lager. Leverantören bör tillhandahålla uppnåelig geometri för exakt koppartjocklek och panelstorlek.

RF-lager kan placeras på utsidan eller inuti en hybriduppställning beroende på uppskjutningsåtkomst, skärmning och materialbearbetning. Kontrollerade RF-strukturer kan kräva koplanär jord, via stängsel, kavitets- eller kantplätering och en nickelfri ytbehandling i utvalda tillämpningar. Dessa funktioner bör behandlas som en specifik distribuerad kretsdesign; IPC-2228 och den valda materialleverantörens processvägledning kan vara relevanta. De bör inte reduceras till "använd Rogers på L1".

Inbäddade kopparmynt, termiska inlägg och metalliska värmespridare skapar lokala begränsningar för tjocklek, plätering och laminering. Deras gränssnitt, isolering, planhet och termiska väg måste definieras innan staplingen släpps. En termisk funktion kan störa närliggande impedans eller skevhet om den läggs till efter routing. Koordinera den termiska modellen, mekaniska ritningen och den elektriska lagerordningen som en enda design.

För alla specialkonstruktioner, begär en tvärsnittsritning och processspecifikt DFM-svar. Den generella tiolagerskapacitetstabellen bör inte innebära att alla alternativ för tung koppar, RF, flex och inbäddad termisk konstruktion kan kombineras utan projektkvalificering.

Ändringskontroll för stapling efter att layouten har startat

När routingregler, fördröjningsmål och kanalmodeller har kopplats till en godkänd uppställning, är en material- eller konstruktionsändring en teknisk ändring snarare än en inköpsersättning. Ändringar av kärn- eller prepregkonstruktion, hartsinnehåll, kopparfolie, färdig koppar, lödmask, viaspann eller lamineringssekvens kan påverka mer än en designbegränsning samtidigt.

När upphandlingen kräver en alternativ dielektrisk tjocklek, kör om både de elektriska och mekaniska kontrollerna. Att byta ut en prepreg kan ändra spårbredd, paravstånd, utbredningsfördröjning, total tjocklek och hartsbalans. Den reviderade ritningen bör identifiera den nya konstruktionen snarare än att bevara det gamla revisionsnumret. Denna disciplin är särskilt viktig när en stapel återanvänds över flera produkter eller tillverkningsanläggningar.

Checklista för Stackup-signering

En stackup är redo för layoutsläpp när den elektriska arkitekturen och den tillverkningsbara materialkonstruktionen har avstämts. Sign-off-paketet ska visa alla tio kopparlager och alla nio dielektriska mellanrum, identifiera referensplanet för varje styrt signallager och avsluta beräkningen av den färdiga tjockleken med hjälp av pressade-not-katalogdielektriska värden.

• Bekräfta lagerfunktioner, referenskontinuitet och potensplanssegmentering.
• Balansera dielektrisk konstruktion, kopparfördelning och specialmaterial runt det mekaniska centrumet där det är praktiskt möjligt.
• Identifiera de exakta kärn-, prepreg-, hartsinnehålls- och kopparfoliealternativen som används i impedans- och förlustmodellerna.
• Lös upp HDI-sublamineringar, begravda vias, flexövergångar och hybridmaterialbindningar före slutlig numrering.
• Returnera produktionsbredder, parmellanrum och färdig tjocklek för godkännande.
• Lås stackup-revisionen innan routningsbegränsningar och fördröjningsmatchningsregler slutförs.

En användbar staplingsritning är både en elektrisk modellgräns och en tillverkningsinstruktion. Om den inte kan förklara returvägen, den totala tjockleken, kopparkonstruktionen och lamineringssekvensen är den inte redo för lansering.