Le défi de la conception de l'empilement des PCB à haute vitesse

Aussi bien que nous aimerions construire chaque PCB haute vitesse parfaitement, avec des caractéristiques idéales de SI/PI/EMI, cela n'est pas toujours possible en raison de nombreuses contraintes pratiques. Parfois, un empilement peut être "suffisamment bon", même pour un PCB haute vitesse. Cela vient toujours du besoin d'équilibrer les contraintes d'ingénierie, les exigences fonctionnelles, et le besoin d'assurer l'intégrité du signal et de l'alimentation dans une conception haute vitesse, et enfin d'assurer la conformité avec les exigences EMC.

Même avec toutes les bonnes directives disponibles pour la conception haute vitesse, il y a des aspects particuliers de la construction d'empilement et de leur relation avec la fabrication des cartes qui sont souvent négligés. Mon objectif ici est d'aller au-delà des directives typiques SI/PI et de regarder ces problèmes d'un point de vue plus ingénierique. Quand je parle de "point de vue ingénierique", je fais référence à toutes les autres contraintes dans un produit qui dirigent la conception de la carte.

Traduire les Contraintes du Produit en Besoins d'Empilement

Si nous partons de la perspective de l'ingénierie, nous devrions commencer par développer une liste de contraintes et d'exigences fonctionnelles pour le système que nous voulons construire. Dans le cas d'un PCB à haute vitesse, nous commençons généralement avec un composant particulier que nous voulons utiliser. Lorsque nous travaillons sur des projets clients, il s'agira presque toujours d'un processeur spécifique et de ses périphériques (CPU ou FPGA, mémoires, autres puces spécialisées, etc.). Un exemple de liste de contraintes qui pourrait s'appliquer dans une conception typique de PCB à haute vitesse inclut :

• Nombre de broches du composant principal et taille des leads (par exemple, BGA)
• Nombre d'E/S dans les grands composants, ce qui détermine le nombre de couches
• Nombre d'interfaces, ainsi que le nombre de signaux dans chaque interface
• Objectif d'épaisseur de la carte, qui peut ou non êtred'épaisseur standard (62 mils)
• Objectif de perte par rapport à la taille de la carte

Pourquoi commencer par cette liste ? C'est parce que les composants utilisés reflètent les exigences fonctionnelles, et les exigences fonctionnelles vont influencer des éléments comme le nombre d'E/S, et donc le nombre de signaux. Donc, avant de commencer à parcourir les matériaux disponibles sur étagère, ou avant de commencer à utiliser un empilement standard, assurez-vous d'avoir des réponses aux questions ci-dessus.

Exemple de paramètres de pile de couches pour une carte à 22 couches avec des matériaux FR4. Avec un noyau FR4 et un ensemble de préimprégnés, l'épaisseur de vos couches peut être plus importante, conduisant à une épaisseur de carte également assez grande (environ 3 mm dans ce cas). L'utilisation de matériaux alternatifs peut permettre d'obtenir une carte plus mince et éventuellement de réduire le nombre de couches.

Maintenant, essayons de combiner cette liste avec la pile de couches idéale pour PCB haute vitesse et voyons si nous pouvons trouver une convergence.

• Les couches de signal doivent avoir des couches de masse adjacentes pour fournir une isolation
• Les couches d'alimentation nécessitent une couche de masse adjacente
• Si les canaux sont très longs, un matériel à faible perte pourrait être préférable
• L'épaisseur des couches peut nécessiter un via plus petit (aveugle ou aveugle/enfoui) pour atteindre les E/S
• Vous avez besoin de largeurs de ligne spécifiques et d'espacements de paires différentielles pour atteindre les objectifs d'impédance

Lorsque nous arrivons à des cartes avancées avec un nombre élevé de couches, nous voyons la convergence entre les matériaux HDI et la fonctionnalité haute vitesse. Les empilements HDI qui nécessitent une impédance contrôlée et prennent en charge des interfaces à haute vitesse créeront des défis avec les largeurs de ligne et les espacements, au point qu'un traitement non standard peut être nécessaire. Le processus ci-dessous passera en revue les défis de conception et devrait illustrer les considérations DFM nécessaires dans ces produits.

1. Commencez par l'épaisseur du circuit imprimé et des couches

Un point important à noter dans les PCB à haute vitesse avec un grand nombre d'E/S est leur épaisseur de couche, qui peut être très mince. Il existe parfois une idée fausse selon laquelle passer à un nombre très élevé d'E/S vous oblige à utiliser un circuit imprimé plus épais que l'épaisseur standard parce que le nombre de couches devient élevé. Ce n'est pas nécessairement le cas ; il existe des matériaux qui peuvent aider les concepteurs à rester dans l'objectif de taille de circuit standard, mais avec des épaisseurs de couche faibles.

La raison pour laquelle nous nous soucions de l'épaisseur de la couche dans une conception à haute vitesse est parce qu'elle déterminera la largeur de ligne requise pour atteindre une cible d'impédance. À mesure que l'épaisseur d'une couche de signal diminue, la largeur de ligne requise pour les signaux contrôlés par l'impédance diminue également.

• En savoir plus sur les largeurs de ligne sur les diélectriques minces

Dans le cas où vous avez atteint votre limite sur l'épaisseur du circuit imprimé et que vous avez encore besoin d'atteindre une épaisseur de couche plus mince, cela peut amener les largeurs de ligne en dessous des capacités d'un processus de fabrication standard ou du processus de production HDI. Existe-t-il des matériaux qui peuvent être utilisés pour atteindre une épaisseur plus petite sans également réduire la largeur de ligne ? La réponse peut résider dans l'utilisation d'un matériel à faible Dk.

2. Quand devez-vous utiliser le PTFE ou les matériaux à faible Dk ?

Je ne peux pas compter le nombre de fois où un soi-disant expert a affirmé que les stratifiés à faible Dk ou les substrats en PTFE devraient toujours être utilisés dans les PCB à haute vitesse comme règle générale. Il est important de se rappeler que les PCB à haute vitesse couvrent une assez large gamme de débits de données possibles, de taux de montée, de bandes passantes et de largeurs de pistes. Il existe de nombreux designs qui pourraient être confortablement qualifiés de « haute vitesse », mais ils ne sont pas construits avec un stratifié à faible Dk. De même, il existe de nombreux designs à haute vitesse dans le domaine des HDI qui utilisent également un stratifié à faible Dk, mais ce n'est pas toujours parce qu'ils ont besoin d'avoir une faible perte d'insertion.

Le matériau à faible Dk le plus souvent cité est probablement le PTFE chargé de céramique, qui couvre une énorme gamme de matériaux possibles. La valeur Dk des matériaux à base de PTFE est modulée par l'ajout de charges céramiques, donc un substrat en PTFE durci pourrait avoir une large gamme de valeurs. Par exemple, les matériaux en PTFE pourraient avoir des valeurs Dk allant d'environ 3 à environ 10, tous avec des pertes inférieures à celles des stratifiés FR4 standard. Vous pouvez voir une sélection de matériaux en PTFE ici.

Les trois principales raisons d'utiliser un matériel à faible Dk dans les cartes avancées à haute vitesse avec des couches de signal fines sont :

1. Les largeurs de ligne peuvent être plus grandes que sur un matériau à Dk élevé pour la même cible d'impédance (Voir le graphique ci-dessus)
2. Si le matériau n'est pas renforcé, il n'y aura pas de biais dû à l'effet de tressage des fibres
3. Elles peuvent être disponibles sous forme de laminés fins, donc utilisables lorsque le nombre de couches est élevé

Ces trois raisons illustrent pourquoi, lorsque vous atteignez un nombre élevé de couches, le retard de propagation plus rapide dans un stratifié à faible Dk est insignifiant, contrairement à la sagesse conventionnelle. Pour les professionnels travaillant sur des cartes avancées, le problème de la largeur de ligne dominera, surtout lors de la conception de cartes à nombre élevé de couches avec des striplines à impédance contrôlée.

3. Équilibrer la perte et la valeur de Dk

Lorsque l'épaisseur de la couche est faible, la largeur de ligne requise pour atteindre une impédance particulière sera également faible. Si la largeur de ligne est trop petite, alors le traitement peut être plus difficile et les coûts augmenteront. Cela illustre pourquoi le point #1 ci-dessus est important ; un Dk plus faible permet des largeurs de ligne plus larges pour une épaisseur de substrat donnée.

Pour équilibrer faible perte et haute Dk, il existe des matériaux avec une Dk allant de 3,5 à 4 avec des tangentes de perte inférieures à celles du FR4 standard ; Rogers et Isola sont deux entreprises qui produisent ces stratifiés, et il me semble me rappeler d'un autre matériau disponible chez ITEQ avec une tangente de perte d'environ 0,01.

Si une faible Dk est nécessaire dans un PCB haute vitesse au niveau HDI, il devra probablement être renforcé par du verre. Cela pourrait être renforcé avec du verre étalé à environ 5 mils, mais une épaisseur inférieure peut nécessiter un tissage lâche pour le renforcement. Le renforcement avec du verre étalé vise à minimiser l'accumulation de décalage lorsque le matériau est utilisé pour les couches de signal. La principale raison en est la fabricabilité :

1. Les stratifiés en PTFE non renforcés sont très flexibles, surtout en couches minces, au point qu'ils peuvent être difficiles à manipuler et à placer dans un empilement.
2. À cause du #1, il pourrait y avoir une certaine erreur d'enregistrement lors de la construction de l'empilement des couches dans le traitement standard.

4. Si une faible Dk n'est pas toujours nécessaire, pourquoi les concepteurs RF l'utilisent-ils ?

Les stratifiés PTFE sont très appréciés dans la communauté RF, et il y a de bonnes raisons pour lesquelles nous les utilisons, mais je ne pense pas que les concepteurs numériques sachent exactement pourquoi c'est le cas. La raison la plus souvent citée est la faible valeur de perte de certains stratifiés et liants PTFE, tels que les matériaux de la série RO3000.

Une raison pour laquelle les valeurs Dk sont soigneusement choisies dans les cartes RF est d'équilibrer la taille du circuit avec la perte. En fait, si vous regardez la liste des stratifiés PTFE ci-dessus, vous verrez que certains stratifiés PTFE à haute Dk avec des pertes inférieures à celles du FR4 (il suffit de calculer la partie imaginaire de la constante diélectrique). Une valeur Dk plus élevée permet d'obtenir des circuits plus petits à basses fréquences (par exemple, RF sub-GHz), mais un Dk plus faible peut aider à garantir la fabricabilité à des fréquences élevées (par exemple, radar).

L'autre raison pour laquelle un stratifié en PTFE serait utilisé est parce que les cartes RF ont tendance à avoir des canaux beaucoup plus longs que les cartes numériques, donc les mécanismes de perte dominants seront liés à la propagation. Il s'agit de la perte diélectrique et de la perte due à la rugosité du cuivre. Les matériaux en PTFE à faible Dk d'aujourd'hui ont des tangentes de perte très faibles, ce qui équivaut à une faible perte diélectrique. Ces stratifiés peuvent également accepter du cuivre VLP avec une très faible rugosité, ils peuvent donc également offrir des pertes en cuivre inférieures à celles du cuivre électrodéposé standard.

5. Matériaux à Capacitance Intégrée (ECM)

Pour aider à l'intégrité de l'alimentation, le diélectrique qui remplit l'espace entre les paires de plans de masse et d'alimentation doit être correctement choisi. La sagesse conventionnelle concernant les matériaux à faible perte et à faible Dk est à nouveau erronée ici. Le matériel utilisé entre une paire de plans d'alimentation/masse ne doit pas être un matériel à faible Dk. Au contraire, il devrait avoir une valeur Dk élevée et de fortes pertes. Ces couches doivent également être aussi minces que possible.

L'industrie a répondu avec des matériaux à haute Dk très fins qui peuvent être intégrés dans des systèmes résine-fibre de verre. Ces matériaux à capacité intégrée ne sont pas nécessaires pour l'intégrité de l'alimentation, mais ils sont certainement utiles dans les PCB à haute vitesse avec un grand nombre de couches. Il y a trois raisons à cela :

1. Une haute Dk fournit plus de capacité de plan
2. Des couches ECM plus minces ont plus de capacité de plan
3. Une forte perte dans la couche ECM amortit très rapidement les fluctuations de puissance

Les valeurs de Dk de ces matériaux peuvent varier de ~4 à ~10 de 100 MHz à 1 GHz. C'est exactement la région où nous aimerions avoir une capacité de plan qui peut amortir les résonances des plans de puissance et tout manque de capacité sur puce/en paquet. L'épaisseur de ces matériaux sera de l'ordre des microns. Certaines entreprises produisant ces matériaux incluent 3M et DuPont ; un autre matériel bien connu est FaradFlex. Comme ces matériaux ont également de petites épaisseurs de couche, ils peuvent être utilisés dans des empilements avec un grand nombre de couches.

• En savoir plus sur les effets des matériaux ECM à haute Dk sur l'intégrité de l'alimentation

Réflexions finales

Dans le processus de conception de l'empilement de PCB à haute vitesse, l'acte de construire un empilement de PCB est à peu près la dernière étape du processus. Au lieu de cela, nous nous intéressons beaucoup plus au nombre de couches et aux épaisseurs par rapport à la taille des pattes des composants et à leur éventail de connexion. À partir de là, vous pouvez aborder la sélection des matériaux pour les couches de signal, et vous pouvez évaluer les matériaux à capacité intégrée pour les paires de plans d'alimentation/masse.

Si vous concevez simplement une carte plus simple, comme une carte à 4 couches pour haute vitesse, vous n'avez vraiment que deux choses à déterminer : l'épaisseur des couches externes et la valeur de Dk. Ensemble, ces éléments détermineront la largeur de la piste dont vous avez besoin pour atteindre une impédance en mode simple, suivie de l'espacement pour une impédance différentielle cible.

Lorsque vous devez concevoir votre empilement de PCB à haute vitesse, utilisez l'ensemble complet d'outils de conception de PCB dans Altium Designer®. Le Gestionnaire de l'Empilement des Couches vous donne un contrôle total sur votre empilement de PCB, y compris la sélection des matériaux et les calculs d'impédance. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

Nous n'avons fait qu'effleurer les possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Commencez votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365 dès aujourd'hui.