Виробництво друкованих плат Ethernet-комутаторів для високошвидкісного мережевого обладнання

Друкована плата комутатора Ethernet — це виробнича платформа для кількох різних електричних областей: комутаційного пристрою або процесора, фізичних процесорів Ethernet, пам'яті, тактової системи, перетворення живлення, схем керування та мідних або оптичних портових інтерфейсів. Плата може підтримувати лише кілька мідних портів або поєднувати багато портів з SFP/SFP+/іншими підключаємими інтерфейсами. Оскільки електричні вимоги змінюються залежно від архітектури та швидкості передачі даних, корисний план виробництва починається з фактичної схеми, стеку, обмежень каналів та специфікації складання, а не із загальної специфікації «друкованої плати мережевого комутатора». Highleap Electronics забезпечує виробництво високошвидкісних комунікаційних друкованих плат та підтримку готових до використання друкованих плат для мережевого обладнання, включаючи багатошарові плати з контрольованим імпедансом, щільне складання та інженерний огляд, орієнтований на виробництво.

1. Почніть з архітектури комутатора, а не з загальної специфікації «друкованої плати Ethernet»

Одна й та сама категорія продуктів може містити дуже різні проблеми з друкованими платами. Компактний некерований комутатор може використовувати високоінтегрований комутатор/фізичний пристрій та кілька магнітних модулів. Керована платформа може додавати окремий процесор, пам'ять DDR, флеш-пам'ять, кілька PHY, корпуси SFP, резервне живлення, консольні порти та велику комутаційну ASIC.

1.1 Визначте кожен високошвидкісний інтерфейс перед випуском Stackup

Команда розробників повинна позначити інтерфейси, електрична поведінка яких залежить від контрольованої геометрії. До них можуть належати диференціальні пари PHY-магнітні елементи, послідовні інтерфейси між комутатором ASIC та PHY, високошвидкісні шини пам'яті, лінії тактової частоти, PCIe або інші хост-інтерфейси на складніших платформах, а також високошвидкісні з'єднання з оптичними модулями.

Не кожна мережа потребує контролю імпедансу. Розгляд кожного маршруту як «високошвидкісного» збільшує вартість без підвищення продуктивності. На виробничому кресленні слід визначити структури, які фактично потребують контролю імпедансу, та очікуваний допуск для кожної з них.

1.2 Мідні порти та оптичні порти створюють різні обмеження компонування

Мідні порти Ethernet прокладаються через магнітні елементи та зовнішні роз'єми. Підключаються оптичні/електричні модулі можуть включати високошвидкісні послідовні канали, механіку каркасу, геометрію запуску роз'ємів та довші шляхи, чутливі до втрат. Якщо обидва присутні, плата може потребувати різних правил маршрутизації в різних регіонах.

1.3 Кількість портів перевищує розмір плати

Зі збільшенням кількості портів, конструкція може вимагати більше PHY-каналів, шин живлення, розподілу тактових частот, роз'ємів вводу/виводу, розподілу тепла та щільної маршрутизації. Це може підштовхнути конструкцію до більшої кількості шарів або функцій HDI PCB . Метою виробництва є додавання складності лише там, де це вирішує обмеження маршрутизації або цілісності сигналу.

2. Стекування друкованих плат та контрольований імпеданс для маршрутизації Switch-to-PHY та на стороні порту

Стекування є одним із найперших рішень виробництва, яке може суттєво змінити продуктивність комутатора Ethernet. Товщина діелектрика, товщина міді, вміст смоли, тип скла, розташування опорної площини та кінцева геометрія доріжки впливають на імпеданс і втрати.

2.1 Побудова стеку навколо опорних площин

Високошвидкісні шари повинні мати безперервні опорні площини, розміщені на контрольованих відстанях. Це забезпечує команді проєктування передбачуваний імпеданс та короткі шляхи зворотного струму. Розміщення шарів живлення та заземлення також впливає на імпеданс розподілу живлення та перехресні перешкоди між шарами трасування.

Для виробництва, затверджена специфікація стека друкованих плат повинна визначати сімейство ламінату, структуру серцевини/препрега, вагу міді, товщину готового матеріалу та шари з контрольованим імпедансом. Якщо постачальник пропонує еквівалентну діелектричну конструкцію, зміни слід перевірити з електричної точки зору перед випуском.

2.2 Чи кожна друкована плата комутатора Ethernet потребує матеріалу з низькими втратами?

Ні. Добре спроектовані системи FR-4 підходять для багатьох каналів комутатора Ethernet, коли дозволяють бюджет втрат та конструкція. Ламінати з меншими втратами стають корисними, коли швидкість передачі даних, довжина каналу, швидкість запуску роз'єму, швидкість послідовної передачі даних або запас вставних втрат роблять стандартний матеріал неадекватним. Правильне рішення випливає з бюджету каналу; наш посібник з вибору матеріалу для високошвидкісних друкованих плат пояснює виробничі змінні, які слід порівнювати, замість того, щоб розглядати бренд ламінату як гарантію продуктивності.

Highleap працює зі стандартними та низьковтратними сімействами матеріалів, що використовуються у високошвидкісному виробництві друкованих плат . Заміни матеріалів слід оцінювати за Dk, Df, доступною товщиною, профілем міді, тепловими властивостями та сумісністю ламінування.

2.3 Купони на імпеданс Перевірка виготовленої конструкції

Коли потрібен контрольований імпеданс , випробувальні купони можна розмістити на виробничій панелі та виміряти після виготовлення. Купон підтверджує виготовлену структуру та геометрію; він не замінює наскрізну перевірку каналу на зібраній системі. Вимоги до випробувань, ціль, допуск, опорний шар та структури купонів повинні бути частиною документації замовлення.

3. Структури перехідних каналів, роз'єми та бюджет втрат в гігабітному та багатогігабітному комутаторному обладнанні

Розриви стають дедалі важливішими зі зростанням швидкості передачі сигналів та частоти каналів. Перехідні отвори, запуски роз'ємів, заглушки, переходи шарів та зміни опорної площини додають паразитні ефекти.

3.1 Чи завжди потрібне свердління отворів на друкованій платі комутатора Ethernet?

Ні. Стандартне плаковане наскрізне перехідне отвір може бути цілком прийнятним, якщо дозволяє бюджет каналу. Свердління задньої частини друкованої плати , глухі перехідні отвори або мікроперехідні отвори вводяться, коли невикористані шлейфи перехідних отворів або щільність трасування стають достатньо значними, щоб виправдати додатковий процес. Виробник повинен отримати таблицю свердління з контрольованою глибиною або послідовність побудови HDI, а не робити висновки про намір з файлів Gerber.

3.2 Геометрія запуску роз'єму повинна залишатися незмінною

Магнітні елементи RJ45, міжплатні роз'єми, мезонінні роз'єми та роз'єми для під'єднувальних модулів створюють перехід між структурами. Розмір контактних площадок, геометрія антиконтактних площадок, розташування опорних переходів та маршрутизація роз'ємів можуть домінувати на локальному імпедансі. Зміни у виробничому CAM поблизу цих виходів слід мінімізувати та переглядати за потреби.

3.3 Не ігноруйте механічні допуски навколо кліток та з'єднувачів

Корпуси сімейства SFP, багатошарові роз'єми RJ45, світлодіоди, світловоди та вирізи в корпусі створюють тісні механічні зв'язки. Допуск контуру плати, положення роз'єму, розташування монтажного отвору та посадка паяних з'єднань можуть впливати на остаточну посадку. 3D-модель або механічне креслення допомагають складальнику виявити перешкоди перед виробництвом.

4. Розподіл живлення, тактові генератори та керування зворотним шляхом на комутаторних платах Ethernet

Найбільше уваги приділяється сигнальному шляху, але багато несправностей комутатора починаються з проблем із цілісністю живлення, якістю тактової частоти або зворотним шляхом.

4.1 Комутаційні пристрої часто потребують кількох низьковольтних шин

Комутаційні ASIC-чіпи та процесори можуть використовувати окремі джерела живлення для ядра, вводу/виводу, пам'яті, аналогових пристроїв та SerDes. Топологія та послідовність регуляторів залежать від пристрою. На друкованій платі широкі площини живлення, локальна розв'язка, розміщення переходних отворів та низькоомні з'єднання допомагають мережі розподілу живлення працювати належним чином.

4.2 Маршрутизацію тактових сигналів слід розглядати як електричний інтерфейс

Опорні генератори та тактові генератори для фізичних трансформаторів або комутаційних пристроїв можуть бути чутливими до шуму та розривів зворотного сигналу. Виробник повинен зберігати захисні/захищені структури та уникати переміщення зшивних переходних отворів або опорної міді навколо цих схем, якщо це не схвалено.

4.3 Розриви зворотного шляху можуть бути гіршими, ніж різниця в довжині траси

Перетин диференціальної пари розділеної площини або зміна опорного сигналу без належного зшивання може призвести до синфазного шуму та електромагнітних перешкод. Це неможливо виправити шляхом виготовлення після випуску макета. Практичний огляд DFM може виявити розриви площини, проблеми технологічності та обмеження перехідних отворів, тоді як остаточна перевірка цілісності сигналу залишається частиною процесу проектування обладнання.

5. Збірка друкованої плати для комутаторних ASIC, PHY, магнітних елементів, RJ45 та підключаємих інтерфейсів

Друкована плата комутатора Ethernet часто виготовляється за допомогою змішаних технологій. Збірка BGA з дрібним кроком може розміщуватися поруч із QFN, кристалами, силовими індуктивностями, великими роз'ємами RJ45, деталями, що пресуються або проходять через отвори, та металевими каркасами.

5.1 Збірка BGA та QFN потребує керування процесом, специфічного для корпусу

Конструкція трафарету, об'єм пасти, профіль оплавлення, підтримка плати та вологість корпусу впливають на якість з'єднання. Перехідні отвори під термопрокладками BGA або QFN повинні мати правильні специфікації заповнення/кришки там, де відкриті перехідні отвори будуть розсіювати припій. Рентгенівський аналіз корисний для прихованих з'єднань та оцінки пустот у термопрокладках, оскільки ці характеристики неможливо повністю оцінити за допомогою AOI.

5.2 Магнітні компоненти та роз'єми Ethernet потребують контрольованої заміни

Два роз'єми RJ45, які виглядають механічно схожими, можуть використовувати різні інтегровані магнітні елементи, розведення світлодіодів, розташування центральних виводів, конструкцію екранування або підтримку PoE. Аналогічно, модулі дискретних магнітних елементів мають електричні характеристики, які повинні відповідати конструкції. Тому заміна в специфікації компонентів повинна бути схвалена інженером, а не лише на основі розміру.

5.3 Великі роз'єми впливають на шлях паяння

Залежно від конструкції роз'єму та поєднання плат, деталі з наскрізним припоєм можуть бути припаяні хвилею паяння, вибірково або вручну після поверхневого монтажу (SMT). Теплове розвантаження, розмір отвору, мідне з'єднання та захист навколо сусідніх компонентів повинні бути сумісні з обраним процесом. Послуга SMT-складання друкованих плат Highleap може бути інтегрована зі складанням наскрізних отворів для повних друкованих плат перемикачів.

6. Стратегія перевірки та функціонального тестування друкованих плат комутаторів Ethernet

Гарний план тестування відокремлює виробничі дефекти від продуктивності Ethernet на системному рівні.

6.1 Гола дошка

100% тестування електричної цілісності/ізоляції є звичайною відправною точкою для виготовлених плат. Купони на імпеданс додаються, коли вказано контрольований імпеданс. Розмірний огляд, паяльна маска, обробка, свердління та візуальний огляд підтверджують, що фізична плата відповідає опублікованим вимогам.

6.2 Перевірка складання

SPI може перевірити нанесення паяльної пасти перед її розміщенням. AOI перевіряє наявність компонентів, полярність, вирівнювання та видимі паяні з'єднання. Рентгенівський контроль додається для BGA, LGA, QFN або інших прихованих паяних інтерфейсів. Ці методи доповнюють один одного; жоден з них окремо не доводить, що порт Ethernet функціонує правильно.

6.3 Що має охоплювати функціональне тестування друкованої плати комутатора Ethernet?

Функціональне тестування може включати шини живлення, споживання струму, послідовність завантаження, програмування, інтерфейс керування, підключення портів, тестування зворотного зв'язку або трафіку, роботу світлодіодів та розпізнавання оптичних модулів, де це можливо. Глибина тестування залежить від приладу та програмного забезпечення, що постачаються або спільно розроблені для проекту. Перевірка PCB/PCBA не замінює сумісність IEEE 802.3, електромагнітну сумісність, безпеку або нормативну кваліфікацію готового комутатора.

7. Контрольний список інженерного пакету: від прототипу друкованої плати комутатора Ethernet до виробництва

Для точної котирування та контрольованого випуску продукції, вкажіть:

• Файли даних та дриль Gerber/ODB++
• Виробниче креслення з розмірами плати, допусками та спеціальними процесами
• Затверджені вимоги до штабелювання та матеріалів
• Список керованого імпедансу з цільовим, допустимим та опорним шаром
• Специфікація продукції (BOM) із затвердженими номерами деталей виробника та альтернативною політикою
• Дані для вибору та розміщення та складальні креслення
• Механічні деталі роз'єму/клітки для критично важливих інтерфейсів
• Файли програмування та інструкції
• Процедура функціонального тестування, програмне забезпечення, прилади та межі успішного/неуспішного проходження
• Кількість прототипів, пілотних та виробничих зразків, а також вимоги до відстеження

Поетапне складання прототипу друкованої плати корисне для перевірки складеності, механічної сумісності, процесу складання, теплової поведінки та методу випробувань перед тим, як набір виробничих даних буде заморожено. Highleap Electronics може підтримувати лише виготовлення, консигнаційне складання або складання друкованих плат "під ключ" відповідно до постачальника та обсягу випробувань, визначених вашою командою. Щоб дізнатися про пов'язані теми архітектури комутаторів та перевірки, див. наш огляд друкованих плат комутаторів та посібник з тестування надійності друкованих плат мережевих комутаторів.