Посібник з проектування 28-шарової друкованої плати: стекування, матеріали та цілісність сигналу 28 Гбіт/с

28-шарова конструкція друкованої плати знаходиться на перетині максимальної щільності трасування та справжньої складності виробництва. Її обирають, коли 24 шари не можуть поглинути кількість сигнальних шарів, необхідну для складної системи, коли подача живлення вимагає більше виділених площин, ніж забезпечує менша кількість шарів, або коли щільність компонентів процесора штучного інтелекту, мережевого комутатора ASIC або розширеної FPGA вимагає плати, яка може маршрутизувати кожен сигнал з контрольованим імпедансом. Цей посібник написаний для інженерів-конструкторів та менеджерів із закупівель, які працюють над реальними 28-шаровими програмами — він охоплює рішення, які визначають, чи... Виробник 28-шарової друкованої плати насправді може створити ваш дизайн відповідно до специфікації.

1. Коли 28 шарів є правильною кількістю шарів?

1.1 Вимоги до щільності трасування, що впливають на прийняття рішень на 28 рівнях

Рішення використовувати 28 шарів рідко приймається довільно. Зазвичай воно відбувається після структурованого аналізу кількості шарів: оцінка щільності трасування (загальна довжина мережі, поділена на доступну площу трасування на шар), яка демонструє, що 24 шари не можуть вмістити кількість сигналів при необхідній ширині та інтервалі трасування. Поширені тригери:

• Корпуси BGA понад 2,500 контактів з кроком 0.8 мм або 1.0 мм, де для маршрутизації виходу потрібне кілька сигнальних шарів на кожній стороні корпусу
• Багаточипові корпуси (конфігурації MCM або 2.5D-інтерпозерів), де сукупна кількість вводів/виводів перевищує 24-рівневу маршрутизаційну ємність
• Високошвидкісне послідовне з'єднання налічує понад 64 диференціальні пари зі швидкістю 28 Гбіт/с+, де кожна пара повинна бути маршрутизована з опорними площинами зверху та знизу по всій її довжині.
• Домени живлення, складність яких перевищує 6–8, що потребують виділених площин для кількох шин напруги, щоб уникнути зв'язку шуму на спільній площині

Якщо ваш проект не відповідає принаймні двом із цих критеріїв, варто провести структурований огляд 24-шарових альтернатив, перш ніж зупинятися на 28-шаровому оснащенні та витратах на виробництво.

1.2 Перевага 28-шарової структури над 24 та 32 шарами

Двадцять вісім шарів забезпечують чотири додаткові шари трасування або площини над 24-шаровим стеком, залишаючись при цьому в діапазоні послідовного ламінування, який може забезпечити ширший пул постачальників (зазвичай 2–3 цикли ламінування порівняно з 3–4, необхідними для 30+ шарів). Порівняно з 32 шарами, 28 шарів пропонують значно нижчу вартість матеріалів (менше шарів препрегу та серцевини), коротший час послідовного ламінування та вищий виробничий вихід, водночас задовольняючи вимоги переважної більшості мереж 400G, штучного виводу та передових платформ FPGA. Розуміння повного Виготовлення друкованих плат Робочий процес послідовного ламінування допомагає встановити реалістичні очікувані терміни виконання та вартість перед публікацією запиту цінових пропозицій.

2. Планування стекування для 28-шарових високошвидкісних конструкцій

2.1 Принципи призначення шарів

Добре сплановане 28-шарове об'єднання відповідає встановленим принципам цілісності сигналу, які стають більш важливими, а не менш, зі збільшенням кількості шарів:

• Кожен шар високошвидкісного сигналу повинен мати безперервну опорну площину, що безпосередньо прилягає до нього. При 28 шарах не бракує площинних шарів — використовуйте їх для створення смужкових середовищ для кожної критичної групи сигналів. Мікросмужкове трасування на зовнішніх шарах слід резервувати для сигналів, де вимога до контрольованого імпедансу є вторинною.
• Зберігайте симетрію відносно середньої площини дошки. Асиметричне укладання — різна вага міді, різна товщина діелектрика або різна кількість сигнальних і плоских шарів з кожного боку центру — створює чистий згинальний момент по всій платі під час ламінування та термоциклування. При 28 шарах і кінцевій товщині 3.0–3.6 мм деформацію від асиметричного укладання важко виправити, і це може призвести до поломок складання. Клас 3 IPC вимагає вигину та скручування ≤0.5%.
• Згрупуйте площини живлення за доменом напруги, по можливості з сигнальними шарами між ними. Пара площин (живлення + земля) між двома сигнальними шарами функціонує як роздільний конденсатор з дуже короткою індуктивністю петлі — справжня перевага PDN. Розробіть стек таким чином, щоб ця геометрія використовувалася для найбільш шумних доменів живлення.

Для надтонкого виходу траси BGA на 28 шарах, ІРЛ через структури — часто потрібні багатошарові мікровідверстия та відверстия в контактній площадкі. Вони вимагають від виробника активної лінії послідовного ламінування та спеціалізованої можливості лазерного свердління, а не лише можливості вказати кількість шарів.

2.2 Мішені для вимірювання товщини діелектрика та імпедансу

При 28 шарах товщина діелектрика між сигнальними шарами та їх опорними площинами зазвичай знаходиться в діапазоні 75–150 мкм для внутрішніх шарів смужкової лінії. Це визначає ширину доріжок — одностороння доріжка 50 Ом на діелектрику 100 мкм з Er = 3.7 (Isola 370HR) має ширину приблизно 170–180 мкм, що є прийнятним для сучасних... виробництво друкованих плат з контрольованим імпедансомДля диференціальних пар 100 Ом комбінацію ширини та відстані між доріжками необхідно характеризувати за допомогою польового розв'язувача виробника з використанням фактичної геометрії стека, а не апроксимації за допомогою онлайн-калькуляторів.

Тонші діелектрики (75 мкм або менше) забезпечують щільніший зв'язок між диференціальними парами та знижують паразитну ємність на високошвидкісних вузлах, але вимагають від виробника продемонстрованої здатності дотримуватися допуску товщини діелектрика (±10% від номінальної товщини після ламінування є вимогою IPC Class 3). При номінальній товщині 75 мкм ±10% означає ±7.5 мкм — допуск, який вимагає від виробника точно характеризувати потік препрегової смоли для кожної комбінації матеріалів та рецептури ламінування.

3. Цілісність сигналу на швидкості 28 Гбіт/с і вище

3.1 Бюджет внесених втрат для 28-шарових плат

Досягнення продуктивність високочастотного сигналу Те, що попит на з'єднання 28 Гбіт/с+ вимагає ретельного вибору матеріалу та специфікації мідної фольги перед заморожуванням стека. Сигнал NRZ 28 Гбіт/с (основна частота 14 ГГц), що перетинає плату розміром 300 мм на внутрішньому шарі смужкової лінії, стикається з втратами в провідниках, діелектричними втратами та втратами через перехідні отвори. У типовій 28-шаровій платі з використанням Isola 370HR зі стандартною міддю:

• Втрати в провіднику (стандартна мідь ED): приблизно 0.18–0.22 дБ/см на частоті 14 ГГц
• Діелектричні втрати (Df = 0.021 при 10 ГГц): приблизно 0.12–0.15 дБ/см при 14 ГГц
• Сумарні втрати каналу для 300 мм: 9–11 дБ, без урахування вхідних сигналів

Цей бюджет є граничним для NRZ 28 Гбіт/с без еквалайзера. Для конструкцій, що потребують менших втрат, або для передачі сигналу PAM4 зі швидкістю 56 Гбіт/с (28 Гбод), де бюджет втрат менший, Panasonic Megtron 6 (Df = 0.002) з мідним VLP зменшує комбіновані втрати приблизно до 5–6 дБ для тієї ж довжини каналу, забезпечуючи значний запас для еквалайзера та надійності системи.

Практичний висновок: вибір матеріалу для 28-шарової конструкції зі швидкістю 28 Гбіт/с+ не є другорядним рішенням. Його слід приймати на ранніх етапах процесу проектування, керуючись виміряним бюджетом втрат каналу за допомогою попереднього моделювання розмітки, та визначати до вибору виробника, оскільки не всі виробники 28-шарових конструкцій мають у своєму складі або регулярно обробляють Megtron 6.

3.2 Через розрив суцільності та зворотне буріння на 28 шарах

Наскрізний отвір у 28-шаровій платі, який використовується лише для частини товщини плати, залишає шлейф, який резонує в межах смуги пропускання сигналу. Для 28-шарової плати з кінцевою товщиною 3.2 мм, де перехідний отвір з'єднує лише шари 1–14, невикористаний шлейф становить приблизно 1.6 мм — резонує приблизно на частоті 30 ГГц. Для сигналів NRZ зі швидкістю 28 Гбіт/с з енергією до 14 ГГц цей резонанс знаходиться на гармонічній межі; для сигналів 56 Гбіт/с він знаходиться безпосередньо в смузі.

Зворотне свердління видаляє невикористаний заглушку переходного отвору, залишаючи контрольований залишок, зазвичай ≤0.25 мм. Процес вимагає механічного свердління з контрольованою глибиною з точністю по осі Z ±50–75 мкм та моделі компенсації розмірів, відкаліброваної для кожної товщини плати. Запитуйте фотографії поперечного перерізу просвердлених перехідних отворів з нещодавнього виробництва виробника — виміряна довжина залишку заглушки безпосередньо видно в розрізі та є найнадійнішим підтвердженням можливості процесу зворотного свердління.

4. Архітектура мережі електроживлення на 28-шарових платах

4.1 Кількість площин та ізоляція енергетичного домену

28-шарова конструкція зазвичай розподіляє 10–14 шарів на площини (живлення та заземлення разом) та 14–18 шарів на маршрутизацію сигналів. Така щільність площин забезпечує справжню ізоляцію доменів живлення: окремі виділені площини для напруги ядра, напруги вводу/виводу, аналогового живлення, напруги завершення DDR та допоміжних шин — кожна зі своїм власним зворотним шляхом та стратегією розв'язки. Альтернатива — спільні площини з розділеними мідними заливками — створює високочастотний зв'язок між доменами живлення, який важко моделювати та важко усунути в існуючій конфігурації.

Для Плати для центрів обробки даних зі штучним інтелектом і високоякісні мережеві платформи, де необхідно видавати десятки ампер при напрузі ядра менше 1 В з пульсаціями рівня мілівольта, конструкція PDN розробляється спільно зі стеком. Пари площин, вибрані для напруги ядра, повинні бути ідентифіковані до початку розміщення, а не призначені тим шарам, що залишилися після завершення маршрутизації сигналу.

4.2 Розміщення розв'язувальних конденсаторів та вплив перехідних шлейфів

Роздільні конденсатори, розміщені на поверхні плати, повинні підключатися до площин живлення та заземлення через перехідні отвори. Кожен перехідний отвір вносить індуктивність — приблизно 0.5–1.0 нГн для стандартного перехідного отвору, що проходить через плату розміром 3.2 мм. При 28 шарах, де площини живлення можуть бути глибоко в стеку, індуктивність перехідного отвору від поверхнево встановленого роздільного конденсатора до відповідної площини живлення може бути достатньо значною, щоб знизити ефективність конденсатора на частотах вище 100–200 МГц. Мінімізація цієї індуктивності перехідного отвору вимагає використання масивів перехідних отворів (кілька паралельних перехідних отворів) та розміщення роздільних конденсаторів на шарі, найближчому до компонента, який вони обслуговують, що при 28 шарах часто означає їх вбудовування в стек на проміжному етапі ламінування.

5. Перетворення вимог SI у виробничі специфікації

5.1 Елементи специфікації, які мають бути явними

A панелі Замовлення на 28-шарову друковану плату, яке вказує лише дані Gerber та кількість шарів, не є виробничою специфікацією. Наступні елементи повинні бути чітко зазначені в письмовій формі:

• Матеріал ламінату за виробником, сортом та позначенням аркуша за стандартом IPC-4101 (наприклад, «Isola 370HR, /126»)
• Тип та вага мідної фольги за шаром або групою шарів (наприклад, «мідь VLP, 0.5 унції на внутрішніх сигнальних шарах L3–L26»)
• Контрольовані цільові показники імпедансу з класом мережі, призначенням шарів та допуском (наприклад, «диференціал 100 Ом, пара L5/L6, ±5%»)
• Вимоги до зворотного свердління: групи переходів, напрямок свердління, максимальна довжина заглушки
• Клас IPC: чітко вказано «IPC-6012 Клас 3» — не залишайте це без зазначення
• Оздоблення поверхні зі специфікацією товщини (наприклад, «ENIG, мінімум 2 мкдюйма Au / 150 мкдюйма Ni»)
• Вимоги до випробувань: 100% електричне випробування зонда або приладу у вільному ходу, купонне випробування імпедансу TDR для кожної панелі.

5.2 Перевірка DFM як захід з кваліфікації постачальника

Запитуйте результати перевірки DFM від виробника перед затвердженням виробництва. Кваліфікований виробник 28-шарових конструкцій виявить реальні проблеми: порушення кільцевого кільця на переходних отворах з високим співвідношенням сторін, конфлікти зазорів при зворотному свердлінні, проблеми з балансом міді, які передбачають деформацію, або проблеми з вибором препрегу на тонких діелектричних мішенях. Виробник, який повертає результати перевірки DFM без коментарів щодо складної 28-шарової конструкції, або не переглянув файли, або не має інженерів, здатних їх переглянути. Обидва результати повинні дискваліфікувати постачальника.

6. Оцінка постачальника 28-шарових друкованих плат: важливі докази

6.1 Матриця доказів постачальника

6.2 Сигнальні сигнали під час оцінки постачальника

• Постачальник не може створити зображення поперечного перерізу з 28-шарового виробництва за останні 90 днів — це означає, що 28L не є активним виробництвом для нього.
• Дані імпедансу Cpk недоступні або показують Cpk <1.33 — це вказує на недостатній контроль процесу для допуску ±5%.
• Постачальник не використовує польовий розв'язувач (Polar SI, iCD або еквівалент) для розрахунку імпедансу — це означає, що ширина трас оцінюється, а не моделюється.
• Термін перевірки DFM для складної 28-шарової конструкції становить менше 4 годин, що свідчить про те, що файли не були перевірені інженером.
• Постачальник не може назвати хімічний склад покриття, який використовується для переходних отворів з високим співвідношенням сторін, що свідчить про незнання вимог до покриття класу 3.

Обговоріть свій проект друкованої плати з 28 шарами

7. Час виконання замовлень, фактори, що впливають на вартість, та перехід від прототипу до виробництва

7.1 Реалістичний час виготовлення 28-шарових прототипів друкованих плат

28-шаровий прототип У кваліфікованого виробника процес доставки займає 15–25 робочих днів від моменту затвердження DFM до її доставки. Час виконання замовлення переважно залежить від послідовного графіка ламінування (кожен цикл вимагає часу пресування, часу затвердіння та визначення розмірів перед початком наступного циклу) та послідовності покриття (покриття PPR для перехідних отворів з високим співвідношенням сторін вимагає тривалішого часу ванни порівняно з покриттям постійним струмом). Будь-якого постачальника, який заявляє про доставку 28-шарового прототипу за 5–7 днів, слід конкретно запитати, як він виконує 3 цикли ламінування за цей проміжок часу — фізика цього не підтримує.

Для виробничих партій з 50–500 плит термін виконання замовлення у кваліфікованих постачальників зазвичай становить 20–30 робочих днів, причому найпоширенішим фактором є наявність матеріалу. Постачальник, який має на складі Isola 370HR та Megtron 6 стандартної товщини, може розпочати виробництво в день затвердження DFM; постачальник, який замовляє матеріал за кожне завдання, додає 1–3 тижні до кожного замовлення.

7.2 Структура вартості 28-шарової друкованої плати

Домінуючі фактори, що впливають на вартість 28-шарової друкованої плати, у порядку впливу:

• Вартість матеріалу: 30–40% від загальної вартості плати. Megtron 6 коштує в 4–6 разів дорожче, ніж Isola 370HR на одиницю площі. Цю різницю у вартості необхідно обґрунтувати аналізом SI, а не встановлювати за замовчуванням, виходячи з припущення, що «кращий матеріал – кращий».
• Послідовна робота з ламінування та час друку: Кожен цикл ламінування збільшує прямі витрати та подовжує час виконання. Конструкції, які можна виготовити за 2 цикли замість 3, значно дешевші — рішення щодо архітектури стекапу, прийняті на ранніх етапах проектування, суттєво впливають на вартість.
• Зворотне свердління: Збільшує вартість кожної групи перехідних отворів, що потребує свердління, а також збільшує час циклу. Зворотне свердління слід застосовувати вибірково — лише до груп перехідних отворів, де резонанс шлейфу потрапляє в смугу пропускання сигналу, а не універсально до всіх наскрізних перехідних отворів.
• Обробка поверхні: ENIG додає мінімальних витрат порівняно з 28-шаровою платою. ENEPIG для застосувань з дротяним з'єднанням або вимог до "золотих пальців" додає більше. Вкажіть, що потрібно, але не обирайте найдорожче покриття без обґрунтування застосування.

7.3 Управління переходом від прототипу до виробництва

Розрив між успішним прототипом та повторюваним виробництвом – це те, де більшість 28-шарових програм стикаються з проблемами. Прототип був створений з особливою інженерною увагою; виробнича партія працює в пакетному режимі зі стандартним технологічним процесом. Для захисту якості виробництва:

• Запитуйте дані імпедансу Cpk з передсерійної партії, а не лише з прототипу
• Укладіть угоду про технологічний процес, яка визначає затверджене джерело партії ламінату, параметри покриття та профіль ламінування перед початком виробництва.
• Вказувати 100% електричні випробування — літаючий зонд або пристосування — як договірна вимога в специфікації закупівлі, а не запит, залишений на розсуд виробника
• Вирівняти Складання друкованої плати Вимоги до виробничих допусків на ранній стадії: вибір обробки поверхні, що визначається специфікацією заповнення, та площинність плати безпосередньо впливають на вихід поверхневого монтажу (SMT), і ці параметри повинні бути підтверджені між виробничими та складальними бригадами до випуску першої виробничої партії.
• Визначте процедури коригувальних дій в угоді про якість до випуску першої виробничої партії, а не після першої невдачі