Empedans ve Düzlemler için 10 Katmanlı PCB Yapı Tasarımı

On katmanlı bir yapı, nominal prepreg kalınlıklarıyla ayrılmış bakır katmanlarının bir listesi değil, elektriksel ve üretim mimarisidir. Hangi sinyallerin sürekli referanslara sahip olduğunu, ne kadar yönlendirme kapasitesinin mevcut olduğunu, gücün nereye dağıtıldığını, hangi iz geometrisinin üretilebilir olduğunu ve panelin laminasyon sırasında nasıl davrandığını belirler. On bakır katman dokuz dielektrik boşluk oluşturduğundan, bir boşluktaki görünüşte küçük bir değişiklik empedansı, toplam kalınlığı ve simetriyi değiştirebilir.

Aşağıdaki örnekler, imalat sonrası nihai katman dizilimleri yerine tasarım başlangıç ​​noktalarıdır. Nihai çekirdek ve prepreg yapıları, preslenmiş kalınlıklar, bakır folyolar ve kontrollü geometriler imalatçı tarafından onaylanmalıdır. Bu sayfayı aşağıdaki hususlarla birlikte kullanın: malzeme rehberi hem de empedans spesifikasyonu.

Dielektrik kalınlığını seçmeden önce katman mimarisini seçin.

Öncelikle tasarımı sınıflandırarak başlayın: yüksek hızlı yönlendirme kanalı sayısı, gerekli güç düzlemleri, BGA kaçış yoğunluğu, hassas analog veya RF bölümleri, geçiş yolu veya HDI yapısı, bitmiş kalınlık ve mekanik kısıtlamalar. Amaç, "sinyal" olarak etiketlenen katmanları en üst düzeye çıkarmak değil. Amaç, her kritik rotaya kullanılabilir bir referans sağlamak, dönüş yollarını sürekli tutmak ve güç dağıtımı için yeterli düzlem alanı korumaktır.

Yönlendirme yönü ikincil bir karardır. "Yatay" ve "dikey" katmanların atanması, bitişik yüksek hızlı sinyal katmanlarına sahip ve referans düzlemi olmayan bir yığılmayı düzeltmez. Önce alan ve dönüş yolu yapısını çözün, ardından yerleşim ve tıkanıklığa bağlı olarak tercih edilen yönleri tahsis edin.

10 Katmanlı Yığın Oluşturma İçin Üç Faydalı Arketip

Oran tek başına bir katman düzeninin iyi olduğunu kanıtlamaz. İki "6 sinyal / 4 düzlem" düzenlemesi, düzlemlerin yerleştirildiği yere bağlı olarak çok farklı davranabilir. Bir tasarım altı sinyal katmanı gerektiriyorsa, düzleme bitişik katmanları kritik ağlar için ayırın ve daha yavaş, daha kısa veya dik olarak yönlendirilmiş sinyalleri daha az elverişli çifte yerleştirin.

Referans Düzlemi Açısından Zengin 10 Katmanlı Bir Örnek

Aşağıdaki katman sıralaması, dört ana sinyal katmanına sahip rijit bir devre kartı için sağlam bir kavramsal başlangıç ​​noktasıdır. Kritik sinyal ortamlarında elektriksel olarak simetriktir ve dielektrik ve bakır yapılarının aynalanmasıyla mekanik olarak simetrik hale getirilebilir. Evrensel dielektrik kalınlıkları veya iz genişlikleri yayınlamaz.

Bu düzenleme, her iki iç sinyal katmanına iki toprak referansı sağlar ve her dış sinyali toprağa yakın tutar. Her merkezi güç düzleminin dışa doğru bir toprak ortağı vardır. Merkezi L5-L6 aralığı, güç-toprak ayırma çifti olarak yanlış temsil edilmeden toplam kalınlık ve mekanik denge için seçilebilir.

Daha fazla yönlendirme gerektiren tasarımlar, bir düzlemi sinyale dönüştürebilir, ancak sonuçların açıkça belirtilmesi gerekir. Örneğin, L6'yı sinyale dönüştürmek, geniş bir güç düzlemini ortadan kaldırır ve L5 güç ve L7 topraklama katmanına bitişik bir sinyal katmanı oluşturur. Bu katmandaki kritik yönlendirmeler, L5 ayrımlarından kaçınmalı veya ağırlıklı olarak L7'ye referans verecek şekilde tasarlanmalıdır.

Presleme, Bakır ve Empedans Kapatma

Laminasyon sonrası prepreg kalınlığı, kürlenmemiş katalog değerine eşit değildir. Preslenmiş kalınlık, cam türüne, reçine içeriğine, bakır yoğunluğuna, işleme, presleme döngüsüne ve yerel reçine akışına bağlıdır. Üretici, tam yapı için beklenen presleme kalınlığını sağlamalı ve empedans modelinde kullanılan toleransı belirtmelidir.

Dış bakır, nihai bir boyuttur.

Dış katmanlar temel folyo ile başlar ve delik ve desen kaplama sırasında bakır kazanır. Kontrollü empedans modeli, trapezoidal aşındırma şekli de dahil olmak üzere, bitmiş iz kesitini kullanmalıdır. İç katmanlar genellikle aynı desen kaplama büyümesi olmadan folyodan aşındırılır, bu nedenle aynı nominal ons değerine sahip bir dış ve iç iz, aynı geometriye sahip olmak zorunda değildir.

Yığın oluşumundan önce izleme genişliklerini serbest bırakmayın.

Belirli bir genişlikte 50 Ω'yi sabitleyen ancak tedarikçinin dielektrik yapıyı değiştirmesine izin veren bir çizim çelişki yaratır. Ya kesin katman düzenini ve geometrisini yayınlayın ya da empedans hedefini belirtin ve imalatçıya genişliği/aralığı kararlaştırılan sınırlar içinde ayarlama yetkisi verin. Kablo yönlendirme açıklığını veya çift eğimini etkileyen herhangi bir değişiklik, müşteri onayına sunulmalıdır.

Doğru malzeme verilerini kullanın.

Alan çözümleyici, veri sayfasından kopyalanmış tek bir aile başlığı yerine, yapıya özgü veya proses kalibrasyonlu Dk değerini kullanmalıdır. Yüzey yapıları, varsa lehim maskesini de içermelidir. Yüksek hızlı kayıp analizi ayrıca Df, bakır pürüzlülüğü ve frekansa bağlı davranış gerektirir; empedans hesaplaması tek başına kanal kaybını nitelendirmez.

Güç Bütünlüğü, Geri Dönüş Yolları ve EMI

Daha yakın sinyal-referans aralığı, döngü endüktansını ve alan yayılımını azaltır, ancak tam iyileşme geometriye bağlıdır; sabit bir dB azalması olarak reklam edilmemelidir. Düzlem çiftleri dağıtılmış kapasitans sağlayabilir, ancak değerleri paralel plaka ilişkisine ve gerçek örtüşme alanına bağlıdır. İnce bir güç-toprak dielektriği yararlı olabilir, ancak ayrık ayırmayı veya paket endüktansını ortadan kaldırmaz.

Yüksek hızlı referans düzlemlerini sürekli tutun. Bir güç düzlemi birden fazla ada içeriyorsa, baskın dönüş akımının bir ada sınırını geçmesi gereken kritik rotaları yerleştirmeyin. Bir sinyal katmanı güç ve toprak arasında ise, hangi düzlemin amaçlanan referans olduğunu belirleyin ve alternatif yolun kontrol altında olduğundan emin olun.

Kenar geçiş çitleri, seçilen RF veya muhafaza akımı sorunlarına yardımcı olabilir, ancak her dijital pano etrafında evrensel sabit bir aralık gereksizdir ve yönlendirmeyi azaltabilir veya düzlemde delinmeye neden olabilir. Çit aralığı ve sonlandırması, kontrol edilen en yüksek frekans ve muhafaza stratejisine uygun olmalıdır.

Her katman geçişinde dönüş yolunu planlayın.

Bir sinyal, elektromanyetik alanı bir iletim hattı yapısından diğerine değiştirir. Her iki yönlendirme katmanı da topraklama düzlemlerine referans verdiğinde, yakındaki topraklama geçişleri bu düzlemleri birbirine bağlayabilir ve dönüş yolu döngüsünü azaltabilir, ancak sayıları ve yerleşimleri evrensel bir mesafe kuralından ziyade geçiş geometrisini takip etmelidir. Bir rota, bir katmanda topraklama ve diğerinde güç düzlemi gibi farklı iletkenlere referans verilen katmanlar arasında değiştiğinde, dönüş akımının kasıtlı bir aktarım yoluna ihtiyacı vardır. Bu yol, referans iletkenler arasında uygun şekilde yerleştirilmiş bir ayırma kapasitörü, farklı bir katman ataması veya her iki segmenti de toprağa referanslı tutan yeniden tasarlanmış bir geçiş kullanabilir.

Bu nedenle, katman dizilimi çizimi, her bir kontrollü katman için amaçlanan referansı tanımlamalı, yalnızca bir katmanı "sinyal" olarak etiketlememelidir. Geçiş alanları, anti-pedler ve düzlem boşlukları birlikte incelenmelidir, çünkü elektriksel olarak sağlam bir katman sırası, yakındaki referans bakırın çok fazla uzaklaştırılmasına neden olan bir geçişle yine de bozulabilir.

Simetri, Bakır Dengesi ve Eğilme/Bükülme Riski

Mekanik simetri, merkez hattı boyunca aynı ağ adlarını atamaktan daha fazlasını ifade eder. Dış bakır ağırlıklarını, dielektrik yapıları ve beklenen bakır kaplamayı eşleştirin. Yüksek yoğunluklu bir bileşen tarafı, nominal folyo ağırlıkları eşleşse bile, karşı tarafa göre çok daha fazla bakır içerebilir; CAM hırsızlığı veya tasarım dengelemesi gerekebilir.

Eğilme ve bükülme kabulü, ilgili ürün spesifikasyonuna ve montaj ihtiyacına bağlıdır. İnce aralıklı BGA montajı, genel bir çıplak kart sınırından daha sıkı bir düzlük gerektirebilir. Bu nedenle, katman simetrisi değil, panel boyutu, kart konturu, bakır dağılımı, kesikler, malzeme karışımı ve panel ayırma yöntemi de katman yapısı incelemesinde dikkate alınmalıdır.

Hibrit Malzemeler, HDI ve Sert-Esnek Varyantlar

Hibrit düşük kayıplı yapı

Düşük kayıplı malzeme, seçilen sinyal katmanlarının etrafına yerleştirilebilir, ancak tam çekirdek, prepreg veya bondply düzenlemesi nitelendirilmelidir. Evrensel bir CTE farkı eşiği dayatmayın ve uyumluluğu varsaymayın. Malzeme çiftinin tamamı için reçine akışını, yapışmayı, kürleşmeyi, boyutsal hareketi, delme/yayılmayı giderme işlemini ve kaplamalı delik güvenilirliğini gözden geçirin.

HDI birikimi

1+8+1, 2+6+2 veya 3+4+3 kartlarda, katman gösterimi, tek başına tüm üretim yolunu değil, katman dağılımını tanımlar. Her katman, görüntüleme, laminasyon, lazer delme, metal kaplama ve gerektiğinde dolgu/düzleştirme işlemlerini içerir. Katman dizilimi, her mikrovia açıklığını, gömülü via'yı, geçiş via'sını ve yapıların oluşturulma sırasını tanımlamalıdır. Pres çevrimi sayımı, tedarikçinin tanımladığı terminolojiyi kullanarak, merkezi alt kompoziti ve her ardışık katmanı içermelidir.

Sert-esnek istifleme

On katmanlı rijit-esnek bir levha, bükülme bölgesinden tüm on katmanı taşımak zorunda değildir. Genellikle sadece seçilmiş esnek katmanlar devam ederken, diğer bakır katmanlar rijit bölgede sonlanır. Tasarımda esnek katman sayısı, yapıştırıcısız veya yapıştırıcılı yapı, kaplama, takviyeler, bakır tipi, bükülme yönü ve statik veya dinamik çalışma belirtilmelidir. IPC-2223 bir tasarım standardıdır; bitmiş esnek ve rijit-esnek levha performansı IPC-6013 tarafından ele alınmaktadır.

Stackup Sürüm Paketi ve DFM Kapısı

Üretim katman düzeni, revizyon kontrollü olmalı ve on bakır katmanının tamamını, dokuz dielektrik boşluğunun tamamını, malzeme sınıfını ve yapısını, çekirdek/prepreg tanımını, nominal ve tolerans kalınlığını, bakır tipini ve kalınlığını, bitmiş levha kalınlığını, kontrollü yapıları, geçiş açıklıklarını ve ardışık laminasyon notlarını içermelidir.

Yönlendirme onayı verilmeden önce bu aşamayı tamamlayın. "Gerber gönderiminden sonraki son katman" iş akışı, gereksiz grafik değişikliklerine yol açar ve zamanlama ve kanal simülasyonunu geçersiz kılabilir. Yapıyı şu şekilde gönderin: DFM incelemesi Kontrollü empedans tablosu ve kritik yönlendirme varsayımlarıyla birlikte.

Sık Yapılan Yığınlama Hataları ve Sonuçları

Sayma fonksiyonları yanlış çalışıyor.

Altı sinyal katmanı olduğunu iddia eden ancak yalnızca dört sinyal katmanı listeleyen bir katman tablosu, tüm tasarım mantığını baltalar. Bakır fonksiyonlarını doğrudan sayın ve her sinyalin referans ortamını doğrulayın.

Dielektrik boşlukların ihmal edilmesi

On bakır katman, dokuz dielektrik ayrımı gerektirir. Yalnızca seçili katmanların "altındaki" dielektrikleri listeleyen bir tablo, genellikle boşlukları atlar veya iki kez sayar ve nihai kalınlıkla uyumlu hale getirilemez.

Evrensel iz genişliklerinin kullanılması

Başka bir yapıdan kopyalanan sabit 50 µm veya 100 µm ölçüler, imalata hazır kurallar olarak görünmemelidir. Bunlar, gerçek preslenmiş dielektrik, bakır ve malzeme modeliyle yeniden hesaplanmalıdır.

İki güç düzlemini bir ayırma çifti olarak adlandırmak

Dağıtılmış düzlem kapasitansı, tipik olarak güç ve toprak olmak üzere zıt yüke sahip iletkenler arasında kullanışlıdır. Farklı raylar üzerindeki iki bitişik güç düzlemi, güç-toprak çiftinin genel bir alternatifi değildir ve raylar arasında bağlantı oluşturabilir.

Elektrik etiketlerinin mekanik simetri oluşturduğunu varsayarsak

Çarpılma, malzemeye, kalınlığa ve bakır dağılımına bağlıdır. Bir tarafta yoğun bakır, diğer tarafta seyrek bakır yönlendirmesi varsa, aynalanmış katman adları yeterli değildir.

Baskı öncesi nihai kalınlığı uzlaştırın.

Nominal kart kalınlığı, dokuz adet preslenmiş dielektrik boşluğun, on bakır katmanın, kaplama katkısının ve tedarikçinin ölçüm standardının sonucudur. Katalogdaki çekirdeklerin ve prepreglerin basit bir toplamı yanlış olabilir çünkü bakır reçineye gömülür ve dış kaplama laminasyondan sonra eklenir. Yayınlanan katman dizilimi, tedarikçinin hesapladığı nihai değeri ve toleransı göstermeli ve ardından konektör, pres geçme, kart kenarı ve muhafaza gereksinimlerinin aynı tanımı kullandığını doğrulamalıdır.

Kalınlık toleransı ayrıca empedansı ve arka delme geometrisini de değiştirir. Bir konektörün temas aralığının sınırına yakın bir tasarım veya kontrollü derinlikte delme penceresi, sıradan bir karttan daha sıkı yapısal kontrol gerektirebilir. Via uzunluğunu azaltmak için daha ince bir kart öneriliyorsa, kalınlığı yalnızca elektriksel bir değişken olarak ele almak yerine sertliği, montaj işlemini, eğrilmeyi ve konektör uyumluluğunu kontrol edin.

Yığın halindeki revizyon kontrolü

Onaylanmış her katman düzenine bir revizyon verin ve imalat çizimini, empedans tablosunu, simülasyon modelini ve yerleşim kuralı setini bu revizyona bağlayın. Tedarikçi tarafından önerilen çekirdek, prepreg, bakır veya malzeme değişikliği, kırmızı çizgilerle işaretlenmiş bir katman düzeni oluşturmalı ve hangi kontrollü geometrilerin değiştiğini belirtmelidir. Bu, görünüşte küçük bir satın alma değişikliğinin sessizce yönlendirme kısıtlamalarını geçersiz kılmasını önler.

Panel düzeyindeki etkiler

Aynı levha ana hatları, farklı bir üretim paneline yerleştirildiğinde farklı davranışlar sergileyebilir. Bakır hırsızlığı, ray tasarımı, numune yerleşimi, pres yüklemesi ve kırılma özelliklerinin yönlendirilmesi, kalınlık homojenliğini ve eğilme/bükülmeyi etkileyebilir. Düzlük, kontrollü derinlik veya empedans örneklemesi kritik olduğunda, ilk ürün incelemesine panelleştirmeyi de dahil edin.

Kalın Bakır, RF ve Termal Özel Yapılar

Kalın bakır, mevcut kapasiteden daha fazlasını değiştirir. Kalın folyo daha büyük aşındırma payı gerektirir, minimum iz ve boşluğu etkiler, laminasyon sırasında reçine ihtiyacını artırır ve bakır dengesini daha zor hale getirebilir. Seçilen yüksek güç katmanlarına sahip on katmanlı bir kart, her katmanda eşit kalınlıkta bakır yerine reçine dolgulu prepreg yapılar, kademeli bakır veya yerelleştirilmiş bara yapıları gerektirebilir. Tedarikçi, tam bakır kalınlığı ve panel boyutu için elde edilebilir geometriyi sağlamalıdır.

RF katmanları, fırlatma erişimi, koruma ve malzeme işleme yöntemlerine bağlı olarak hibrit bir katmanın dışına veya içine yerleştirilebilir. Kontrollü RF yapıları, seçili uygulamalarda eş düzlemli topraklama, geçiş çitleri, boşluk veya kenar kaplama ve nikel içermeyen bir yüzey gerektirebilir. Bu özellikler, özel bir dağıtılmış devre tasarımı olarak ele alınmalıdır; IPC-2228 ve seçilen malzeme tedarikçisinin işlem kılavuzu ilgili olabilir. Bunlar "L1'de Rogers kullanın" şeklinde basitleştirilmemelidir.

Gömülü bakır paralar, termal kakmalar ve metal ısı dağıtıcılar, yerel kalınlık, kaplama ve laminasyon kısıtlamaları oluşturur. Katman dizilimi serbest bırakılmadan önce arayüzleri, izolasyonu, düzlemselliği ve termal yolu tanımlanmalıdır. Bir termal özellik, yönlendirmeden sonra eklenirse yakındaki empedansı veya deformasyonu bozabilir. Termal modeli, mekanik çizimi ve elektriksel katman sırasını tek bir tasarım olarak koordine edin.

Özel yapım projeleri için kesit çizimi ve prosese özgü DFM yanıtı isteyin. Genel on katmanlı kapasite tablosu, her ağır bakır, RF, esnek ve gömülü termal seçeneğin proje onayı olmadan birleştirilebileceği anlamına gelmemelidir.

Yerleşim Başladıktan Sonra Yığın Değişikliği Kontrolü

Yönlendirme kuralları, gecikme hedefleri ve kanal modelleri onaylanmış bir katman düzenine bağlandıktan sonra, malzeme veya yapı değişikliği, satın alma ikamesi yerine mühendislik değişikliği olarak değerlendirilir. Çekirdek veya prepreg yapısında, reçine içeriğinde, bakır folyoda, işlenmiş bakırda, lehim maskesinde, geçiş açıklığında veya laminasyon dizisinde yapılan değişiklikler aynı anda birden fazla tasarım kısıtlamasını etkileyebilir.

Tedarik sürecinde alternatif bir dielektrik kalınlığına ihtiyaç duyulduğunda, hem elektriksel hem de mekanik kontroller yeniden yapılmalıdır. Bir prepreg'in değiştirilmesi, iz genişliğini, çift aralığını, yayılım gecikmesini, toplam kalınlığı ve reçine dengesini değiştirebilir. Revize edilmiş çizimde, eski revizyon numarasını korumak yerine yeni yapı belirtilmelidir. Bu disiplin, bir katman yapısının birden fazla üründe veya üretim tesisinde yeniden kullanılması durumunda özellikle önemlidir.

Stackup Onay Kontrol Listesi

Elektrik mimarisi ve üretilebilir malzeme yapısı uzlaştırıldığında, katman düzeni yayınlanmaya hazırdır. Onay paketi, on bakır katmanının ve dokuz dielektrik boşluğunun tamamını göstermeli, her kontrollü sinyal katmanı için referans düzlemini tanımlamalı ve preslenmiş dielektrik değerlerini (katman değerleri değil) kullanarak bitmiş kalınlık hesaplamasını tamamlamalıdır.

• Katman fonksiyonlarını, referans sürekliliğini ve güç düzlemi segmentasyonunu doğrulayın.
• Pratik olduğu yerlerde mekanik merkezle ilgili olarak dielektrik yapıyı, bakır dağılımını ve özel malzemeleri dengeleyin.
• Empedans ve kayıp modellerinde kullanılan tam çekirdek, prepreg, reçine içeriği ve bakır folyo seçeneklerini belirleyin.
• Son numaralandırmadan önce HDI alt katmanlarını, gömülü geçiş yollarını, esnek geçişleri ve hibrit malzeme bağlarını çözün.
• Onay için üretim genişliklerini, çift aralıklarını ve nihai kalınlığı geri gönderin.
• Yönlendirme kısıtlamaları ve gecikme eşleştirme kuralları kesinleşmeden önce yığınlama revizyonunu kilitleyin.

Faydalı bir katman düzeni çizimi hem elektriksel model sınırını hem de üretim talimatını temsil eder. Geri dönüş yolunu, toplam kalınlığı, bakır yapısını ve katmanlama sırasını açıklayamıyorsa, piyasaya sürülmeye hazır değildir.