Tipps für das Design und Layout von Hochgeschwindigkeits-Backplanes und Leiterplatten

Wenn Sie mehrere Platinen zu einem größeren System verbinden und Verbindungen zwischen ihnen herstellen müssen, werden Sie wahrscheinlich eine Rückwandplatine (Backplane) verwenden, um diese Platinen anzuordnen. Rückwandplatinen sind fortgeschrittene Platinen, die einige Elemente aus dem Hochgeschwindigkeitsdesign, mechanischen Design, Hochspannungs-/Hochstromdesign und sogar RF-Design übernehmen. Diese Platinen werden oft in missionkritischen Verteidigungssystemen, Telekommunikationssystemen und Rechenzentren verwendet. Sie unterliegen eigenen Standards, die über die Zuverlässigkeitsanforderungen in IPC hinausgehen.

Obwohl Rückwandplatinen besondere Standards befolgen, die bei vielen anderen PCBs nicht zu sehen sind, sind die Konzepte, die in Layout und Routing involviert sind, vielen PCB-Designern vertraut. Eine große Anzahl von Steckverbindern und Netzen sowie der enge Raum auf einer typischen Rückwandplatine können zunächst herausfordernd erscheinen. Dennoch können einige einfache Strategien Ihnen helfen, organisiert zu bleiben und ein Rückwandplatinen-Design abzuschließen, während Sie hohe Zuverlässigkeit sicherstellen. Meine Hoffnung ist, dass Sie einige Strategien lernen, um Ihr nächstes Rückwandplatinen-Design in Bezug auf Routing und Layout anzugehen, um Zuverlässigkeit und Signalintegrität auszugleichen. Ohne viel weiteres, lassen Sie uns in diesen reichen Bereich des PCB-Designs eintauchen.

Einsteigen in das Rückwandplatinen-Design

Es gibt mehrere Ansätze, um mit dem Design, Layout und Routing von Backplanes zu beginnen. Diese Designs können schwierig sein, da Sie möglicherweise Tausende von Verbindungen auf einer großen Platine mit begrenztem Platz und Schichtanzahl verwalten müssen. Darüber hinaus könnten Backplanes tatsächlich dafür verwendet werden, Leistung an Tochterkarten zu liefern, und jede Tochterkarte könnte mehrere Ampere Strom durch eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsgeräten ziehen. Das bedeutet, dass Ihre Backplane möglicherweise ~100 A Strom unterstützen muss.

Da die primäre Funktion einer Backplane darin besteht, Verbindungen zwischen mehreren Platinen in einem größeren System bereitzustellen, dreht sich alles um die Steckverbinder, die Sie verwenden werden, und diese Steckverbinder sind der Ausgangspunkt Ihres Designs. Hier sind einige der grundlegenden Aufgaben, die beim Backplane-Design anfallen:

1. Pinbelegung: Der erste Schritt besteht darin, die Pinbelegung Ihrer Steckverbinder zu bestimmen, um Ihre erforderliche Routing-Topologie zu unterstützen. Auf diesen Punkt werde ich weiter unten noch eingehen.
2. Mechanische Anforderungen: Zusätzlich zur richtigen Platzierung der Tochterkartensteckverbinder werden Führungsstifte verwendet, um eine ordnungsgemäße Paarung und strukturelle Integrität zu gewährleisten. Das Bild am Ende dieser Liste zeigt einen typischen Führungsstift, der mit Backplane-Steckverbindern verwendet wird.
3. Materialauswahl: Bei Hochgeschwindigkeits-Backplanes ist dies ein kritischer Punkt im Designprozess. Da Backplanes recht groß sein können, könnte jedes Signal, das die gesamte Ebene durchqueren muss, erhebliche Verluste erfahren. Niedrigverlust-Laminate mit engem Glasgewebe werden benötigt, um den Einfügungsverlust bei langen Verbindungen zu minimieren. Einige Beispiele, die für Multi-Gig-Backplanes nützlich sind, sind Rogers und Megtron Laminate.
4. Strom- und Erdungsstrategie: Bei Backplanes, die eine hohe Leistung an eine große Anzahl von Tochterplatinen liefern müssen, benötigen Sie eine Strom- und Erdungsstrategie, die hilft, die Temperatur niedrig zu halten. Die Anordnung der Erdungs-/Stromebenen auf verschiedenen Ebenen sollte auch eine Isolierung für Hochgeschwindigkeitssignale bieten, die um die Platine herumgeführt werden.
5. Schichtanzahl: Die Anzahl der Schichten, die Sie in Ihrem Backplane benötigen, hängt von der Anzahl der Ebenen sowie der Anzahl der Signallagen ab, die Sie benötigen. Ein Backplane könnte bis zu 24 Schichten haben und mehrere mm dick sein, um alle Designanforderungen zu erfüllen.

Die oben genannten Punkte sind dieselben, die Sie auch bei jedem anderen Hochgeschwindigkeitsdesign berücksichtigen müssten. Allerdings wird es etwas anders, sobald Sie an einem Backplane arbeiten, da Ihre Steckverbinderbelegung das Routing einschränken wird. Dies ist ein wichtiger Teil des Backplane-Designs und sollte sorgfältig geplant werden.

Es dreht sich alles um Steckverbinder, Pinbelegung und Routing

Ein Großteil des Fokus in den anfänglichen Designphasen wird auf den Steckverbindern in Ihrem Backplane liegen. Die Auswahl der Steckverbinder, einschließlich der Backplane-Steckverbinder, ist ebenso eine Kunst wie eine Wissenschaft, und diese Steckverbinder werden maßgebliche Bestimmungsfaktoren für die Signalintegrität sein. Simulationen sind sehr wichtig, um sicherzustellen, dass Signale an den Schnittstellen von Steckverbinder zu Leiterbahn nicht übermäßig degradieren.

Die Pinbelegung in Ihren Steckverbindern ist ebenfalls kritisch, da sie die Leichtigkeit des Routings auf jeder Schicht unterstützen wird. Insbesondere sollte Ihre Pinbelegung zwei Ziele erfüllen:

• Sie sollte so gestaltet sein, dass sie verhindert, dass Signale auf einer gegebenen Schicht sich kreuzen, während sie zu allen Steckverbindern auf dem Backplane-Bus geroutet werden. Wenn dies richtig gemacht wird, können Sie wahrscheinlich einige Signallagen eliminieren.
• Idealerweise sollte das Routing über die gesamte Backplane fließend sein (alles weitgehend horizontal), da die Pins an jedem Steckverbinder erreicht werden.

Dinge werden am besten zeilenweise erledigt, ähnlich wie das Routing von Differenzpaaren, das ich unten gezeigt habe. Beachten Sie, wie die Pins an jedem Stecker in jeder Spalte versetzt sind, was es ermöglicht, dass Spuren im Differenzpaar zwischen den Reihen der Steckerpins verlaufen können. Wären alle Pins in derselben Spalte, bräuchte ich 2 Lagen, um das unten gezeigte Routing durchzuführen, statt nur 1.

Angesichts all dieser Designanforderungen fand ich es schwierig, sie alle in meinem ersten Backplane auszugleichen, und wir haben nicht einmal die anfängliche Komponentenanordnung durchgeführt. Sie werden nicht viel Freiheit in Bezug auf die Komponentenanordnung haben, aber Sie können die Dinge organisiert halten, während Sie Signale durch das Backplane routen, solange Ihr Pinout organisiert und konsistent über Ihre Stecker ist. Einige weitere Tipps, die Ihnen zum Erfolg verhelfen, umfassen:

• Minimieren Sie Via-Übergänge bei Hochgeschwindigkeitssignalen. Jedes Via fügt einem Interconnect Einfügungsverlust hinzu, und der Einfügungsverlust muss so weit wie möglich minimiert werden.
• Backdrillen Sie Hochgeschwindigkeits-Via-Übergänge. Backdrilling fügt Kosten hinzu, minimiert aber Stummel-Diskontinuitäten auf langen Übertragungsleitungen.
• Haben Sie keine Angst vor Ground-Pour.Die Verwendung von Masseflächen unterstützt die Isolation zwischen verschiedenen Gruppen von Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen, gewährleistet konsistente Impedanzprofile und hilft, ausreichend Leitermaterial für hohe Rückströme bereitzustellen.
• Verwandeln Sie alle ungenutzten Signallagen in Ebenen. Wenn Sie die Stromversorgung über Ihr Backplane bereitstellen, scheuen Sie sich nicht, eine zusätzliche Stromversorgungsebene in den Lagenaufbau einzufügen. Die Aufteilung des Stroms auf mehrere Stromversorgungsebenen hilft, Ihr PDN kühl zu halten.

Das Design von Backplanes ist nichts für schwache Nerven, da es mehrere Spezialgebiete für den Erfolg erfordert. Wenn Sie jedoch das richtige Team von Designern und einen vollständigen Satz von Designtools haben, können Sie die meisten Aspekte des Designprozesses auf einer einzigen Plattform durchführen. Altium Designer ist das einzige Programm, das Ihnen eine vollständige Suite von Designtools für Layout, Routing, Signalintegrität, Fertigung und vieles mehr bietet. Sie werden in der Lage sein, Ihr Backplane-Design zu vervollständigen und es für die Produktion in einem einzigen Programm vorzubereiten.

Sobald Sie bereit sind, ein fertiges Backplane-Design zur Fertigung weiterzugeben, können Sie Ihre Design-Daten auf der Altium 365®-Plattform teilen. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare überprüfen.