Conception d'un empilement de PCB à quatre couches sans capacité de plan

Dans un certain nombre d'articles précédents, j'ai abordé les défis rencontrés lors de la conception de cartes à 16 couches et plus. Ce sont les types de PCB complexes que l'on trouve dans les serveurs haut de gamme, les commutateurs et les produits des titans du cloud qui soutiennent les besoins Internet en constante croissance.

Cependant, de nombreux produits ne nécessitent pas ces types de cartes complexes avec un nombre élevé de couches. Un exemple est les dizaines de millions de cartes mères PCB à quatre couches fabriquées chaque année pour les PC et autres produits relativement bon marché, tels que les produits Xbox™ de Microsoft. À première vue, il pourrait sembler que concevoir un PCB à 4 couches devrait être une tâche facile, mais comme toute autre carte, cela nécessite le bon type de disposition et d'empilement. De plus, il existe des défis particuliers lorsqu'il s'agit de concevoir un empilement de PCB à quatre couches avec ou sans capacité de plan. Comme une haute capacité de plan n'est pas disponible sur un PCB à quatre couches sans plans d'alimentation et de masse adjacents, d'autres approches doivent être utilisées. Cet article décrit comment un empilement de PCB à quatre couches est mieux conçu ainsi que la manière de gérer l'absence de capacité de plan.

Les bases d'un empilement de PCB à quatre couches

Cartes à Deux Couches

Avant l'existence des PCB à quatre couches, il y avait des cartes logiques à deux couches, comme le montre la Figure 1. Ces cartes répondaient assez bien aux besoins électroniques et étaient largement utilisées avant que la nécessité de connexions à faible inductance, obtenues avec des plans, ne devienne critique.

PCB à quatre couches

Les PCB à quatre couches sont le pilier des ordinateurs et des jeux depuis 40 ans. Dès le premier jour, les cartes mères de PC ont été à quatre couches. Et le besoin de cartes à quatre couches ne fera que croître à mesure que davantage de produits orientés vers le consommateur sont développés.

Les aspects techniques qui motivent la conception d'un PCB à quatre couches sont :

• Deux bons plans qui distribuent l'énergie de manière continue (généralement sous les couches de surface).
• Des couches de traces qui sont proches de ces plans afin que le diaphonie et l'impédance puissent être contrôlés.

Les principaux facteurs économiques et commerciaux dans la création d'un PCB à quatre couches consistent à le fabriquer en très grandes quantités (des millions) au coût le plus bas possible. Ces volumes sont nécessaires car d'énormes sommes d'argent doivent être dépensées pour créer les outillages qui seront nécessaires à la construction des cartes. Les principaux avantages des cartes à quatre couches comprennent :

• Les cartes à quatre couches se prêtent facilement aux techniques de laminage en masse qui utilisent des panneaux de 36” x 48”.
• L'imagerie pour les couches intérieures, qui sont juste des plans, est réalisée avec des plaques d'exposition en verre au lieu de film. Cela rend l'outillage plus durable et plus stable mécaniquement.
• Après que les couches intérieures soient imprimées et gravées, le pré-imprégné et le feuillard sont placés à l'extérieur du stratifié.
• Autour de l'extérieur de chaque carte sur le panneau de 36” x 48”, il y a de petits fiduciaux. Le cuivre sur le dessus des cartes est ébarbé de sorte que les fiduciaux soient visibles, et que le perçage puisse être aligné sur le motif qui est à l'intérieur des cartes. En conséquence, il n'y a pas à s'inquiéter des erreurs de décalage sur les très grands panneaux.

La Perspective de Conception

Du point de vue de la conception, l'empilement PCB à quatre couches montré dans la Figure 2 est assez simple. Les éléments à garder à l'esprit comprennent :

• Les deux couches extérieures sont des couches de signal.
• Les deux couches intermédiaires sont Vdd et la masse.
• La distance entre chaque couche de signal et le plan en dessous est réglée à 4 ou 5 mils pour contrôler l'impédance et le diaphonie.
  • Cette distance oblige les deux couches de plan à être très éloignées—40 mils ou plus.
  • La capacité du plan à un espacement de 40 mils est minuscule comparée à ce qu'elle serait si les plans étaient adjacents (facteur 10 plus bas).
    • La capacité de haute qualité nécessaire se trouve sur la puce et dans le paquet (plus de détails à ce sujet plus tard).

D'autres facteurs concernant les cartes à quatre couches à garder à l'esprit incluent :

• Une épaisseur de plus de 40 mils est largement suffisante pour rendre une carte rigide.
• Avec une carte à quatre couches, les règles de routage pour les signaux à haute vitesse sont plus strictes car vous ne pouvez pas changer de couches sans risquer de créer une discontinuité d'impédance.
  • Il doit y avoir un effort d'équipe entre les personnes qui assignent les broches du CI, celles qui assignent les broches du paquet, et celles qui conçoivent la carte. Cela doit être négocié entre ces trois groupes.
  • Tous les signaux à haute vitesse doivent commencer et se terminer sur la même couche. La figure 3 est une photo d'une section de carte à quatre couches avec tous les signaux circulant dans la couche de surface supérieure.

• Les vias sur une carte PCB à quatre couches sont des vias traversants droits. Ces vias sont bouchés afin qu'aucun contaminant ne puisse passer d'un côté de la carte à l'autre. Ce type de contamination peut provoquer une fuite de broche à broche sous un BGA qui ne peut pas être nettoyée et résulte en la mise au rebut de l'ensemble de l'assemblage.
  • Les vias aveugles sur une carte à quatre couches sont inutiles car ils ne feraient que réaliser la connexion des vias au premier plan d'alimentation.
  • Les vias aveugles augmentent le coût de la carte.

Et qu'en est-il du manque de capacité des plans ?

Comme on peut le voir dans la Figure 4, et comme mentionné ci-dessus, la capacité interplan sur une carte mère PC avec un espacement de 40 mils est minuscule (environ 5 pF par pouce carré de capacité de plan). Mais une source de capacité de haute qualité (faible inductance) est nécessaire pour fournir le courant nécessaire à la charge des lignes de données et d'adresses.

Cette capacité est obtenue en intégrant de grandes quantités de capacité directement sur la puce IC elle-même ou dans le boîtier du composant. Cette même capacité à faible inductance est le chemin par lequel les courants de retour trouvent leur chemin d'une couche à l'autre lorsqu'un signal change de couche. En l'absence de cela, les signaux doivent être routés de point à point tout en restant sur la même couche de signal.

Des exemples de la capacité sur puce des composants et des modules de mémoire incluent :

• Un die DDR2 possède plus de 100 pF par broche d'E/S intégré pour fournir la charge aux lignes pilotées.
• Un IC de PC de puissance a plus de 200 pF par broche d'E/S intégré pour fournir la charge lors de la conduite de lignes à extrémité unique.
• Un IC de PC de puissance a de l'ordre de 50 nF intégré pour fournir la charge au cœur lorsqu'il passe du mode veille à tout actif.
• Le processeur IC personnalisé conçu pour le superordinateur de nouvelle génération Blue Gene, qui dispose d'un bus mémoire de 512 bits de large, possède 190 nF de capacité sur puce pour supporter le transitoire.

Et qu'en est-il des PCB à quatre couches avec des bus larges ?

Au départ, le cas de la capacité des plans était nécessaire pour supporter de grands transitoires de commutation unipolaires, comme ceux impliqués dans les sous-systèmes de mémoire. Cependant, avec les bus larges d'aujourd'hui, les facteurs suivants doivent être pris en compte.

• Comme mentionné ci-dessus, sur une carte à quatre couches avec une empilement signal/masse/alimentation/signal, il y a très peu de capacité des plans.
• Le seul « chemin de retour » pour les signaux changeant de couches est les condensateurs discrets qui fonctionnent mal aux fréquences impliquées dans les bus de données rapides.
  • En conséquence, les signaux doivent rester sur la même couche de signal pendant toute la longueur du chemin.
• Les circuits intégrés qui n'ont pas de capacité sur puce pour supporter des bords de commutation rapides fonctionneront mal sur les PCB à quatre couches, résultant en des systèmes qui connaissent un fonctionnement « instable » et un fort EMI.
• En conséquence de ce qui précède, une combinaison de capacité sur puce et sur le paquet est requise et les points suivants s'appliquent :
• Avec des géométries de CI de 130 nanomètres et plus petites, le courant à l'intérieur du CI ou du cœur peut souvent atteindre des dizaines d'ampères en aussi peu que 15 ps.
  • Des transitoires de courant de cette ampleur et vitesse ne peuvent pas être supportés par la capacité sur le PCB en raison de l'inductance des billes du paquet et des vias.
• Associer des condensateurs à ultra-faible inductance montés sur un boîtier BGA bien conçu avec une capacité sur puce résout ce problème.

Résumé :

Les PCB à quatre couches sont un pilier des industries des produits informatiques et des consoles de jeux. La conception réussie d'un empilement, d'une disposition et d'un routage de PCB à quatre couches repose sur des règles de conception valides, et il existe des moyens de fournir de la capacité lorsque les couches planes internes ne fournissent pas suffisamment de capacité interplan. Cette capacité est fournie sur la puce sur les CI ou par une combinaison de configurations sur puce et sur le boîtier.

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Références :

1. Ritchey, Lee W., et Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design,” Volume 2.
2. Ritchey, Lee W., diapositives de cours, “2-Day Signal Integrity and High-Speed System Design,” formation.