Signaux PCB : Éléments clés de la conception de PCB haute vitesse

Créé: Mai 13, 2019
Mise à jour: Septembre 14, 2020
conception de PCB haute vitesse

Comprendre le défi

L'objectif de cet article est d'introduire les éléments clés de la conception à haute vitesse, puis de discuter de la manière dont chacun de ces éléments est abordé dans Altium Designer. Cet article ne prétend pas fournir une discussion complète sur la conception à haute vitesse ; pour cela, il existe un certain nombre de concepteurs et d'ingénieurs très expérimentés et érudits qui ont écrit d'excellents documents de référence et livres sur le sujet. Reportez-vous à la Références section pour les liens vers ces auteurs, et les documents utilisés lors de la recherche pour cet article.

Alors, qu'est-ce qui fait qu'un design de PCB est considéré comme un design à haute vitesse ? Certes, cela concerne des événements qui se produisent rapidement, mais ce n'est pas seulement lié à la fréquence d'horloge utilisée sur le circuit. Un design est considéré comme à haute vitesse lorsqu'il inclut des dispositifs à fronts rapides - des dispositifs qui changent d'état si rapidement que la transition est complète avant que le signal puisse se propager le long du trajet et atteindre la broche cible. Dans cette situation, le signal peut être réfléchi vers la broche source, dégradant ou détruisant les données du signal original. Un signal à front rapide peut également rayonner depuis le trajet et se coupler aux trajets adjacents, ou rayonner plus loin et devenir une interférence électromagnétique (IEM), entraînant l'échec du produit à respecter les normes d'émission obligatoires.

Lorsqu'un signal a des fronts rapides, cela change la manière dont l'énergie se déplace à travers le routage. Dans un circuit où les taux de changement des fronts sont lents, vous pouvez imaginer l'énergie circulant à travers le routage comme de l'eau à travers un tuyau. Oui, une certaine énergie est perdue en raison de la friction alors que l'eau est poussée à travers le tuyau, mais en gros, la majeure partie arrive à l'autre bout. Pour un circuit à courant continu ou à faible fréquence de commutation, vous pouvez calculer la résistance du trajet et vous assurer que la quantité d'énergie perdue en cours de route n'affecte pas les performances du circuit.

Ce n'est pas si simple dans une conception à haute vitesse, car en plus de l'énergie circulant sous forme d'électrons à travers le cuivre de routage, dans un signal à commutation rapide, une partie de cette énergie voyage également sous forme d'énergie électromagnétique autour du cuivre de routage. Vous ne concevez plus désormais des voies en cuivre pour les électrons ; vous concevez une série de lignes de transmission intégrées dans une carte de circuit imprimé.

Quelle longueur est trop longue ?

À mesure que la vitesse de commutation du bord augmente, l'énergie circulant à travers un trajet se comporte différemment. Elle ne voyage plus comme de l'eau à l'intérieur d'un tuyau. Au lieu de cela, la majeure partie de l'énergie est concentrée à la surface même du trajet (ce qu'on appelle l'effet de peau), avec une portion de l'énergie voyageant réellement sous forme de rayonnement électromagnétique. Ne voyageant pas à travers le conducteur lui-même, cette énergie électromagnétique se déplace à travers le matériel entourant le trajet. Comme lorsque vous traînez votre pied dans l'eau, lorsque l'énergie voyage de cette manière, le signal ralentit réellement. Désormais, ce sont les propriétés du matériau autour du trajet qui dictent la rapidité avec laquelle le signal voyage et combien son arrivée sera retardée.

Conception de PCB<br>haute vitesse

Des solutions simples aux problèmes de conception haute vitesse

Alors, quand est-ce que cela devient un problème, le temps que prend le signal pour se propager le long du trajet jusqu'à la broche cible ? Comme une vague frappant un mur, lorsque le signal arrive à la broche d'entrée cible, une partie de l'énergie du signal est réfléchie vers la broche source. Si cette énergie réfléchie revient à la broche source alors que le bord du signal original est encore en transition, le signal original sera suffisamment fort pour engloutir la réflexion alors qu'il termine sa transition et votre signal sera OK. Mais si la transition du bord est terminée avant que l'énergie réfléchie ne revienne, comme un écho dans le canyon, cette énergie réfléchie interagira avec le signal original et le changera, peut-être tellement que vous ne pourrez pas déterminer ce qui a été réellement crié dans le canyon.

Pour résumer, lorsque le temps de parcours aller-retour le long de cette longueur est égal ou supérieur au temps de montée du signal, l'intégrité de ce signal est douteuse et votre conception est désormais une conception à haute vitesse ! La longueur de ce trajet est appelée la longueur critique - les trajets plus courts que celle-ci ne devraient pas connaître de problèmes d'intégrité du signal, tandis que les trajets plus longs pourraient en rencontrer.

Pour analyser votre conception, une règle empirique couramment utilisée est la règle du temps de montée de/3 , qui stipule que si le trajet est plus long que 1/3 du temps de montée, des réflexions peuvent se produire. Par exemple, si la broche source a un temps de montée de 1 nSec, alors un trajet de plus de 0,33 nSec - ce qui équivaut à environ 2 pouces en FR4 - doit être considéré comme une ligne de transmission et donc un candidat pour des problèmes d'intégrité du signal.

La Règle du Temps de Montée de/3 :

La vitesse à laquelle l'énergie électrique peut se déplacer le long d'un trajet est connue sous le nom de vitesse de propagation et peut être définie comme :

Vp= C / √εR

où :

Vp = Vitesse de Propagation

C = Vitesse de la Lumière (11.80285 in/nSec ou 299.792458 mm/ns)

εR = Constante Diélectrique

En supposant que la Constante Diélectrique εR du FR4 est de 4, la Vitesse d'un Signal dans le FR4 est donnée par :

Vp(FR4) = (299.792458 / √4) mm/ns

              =149.89 mm/ns (environ 6 pouces/ns)

En appliquant la 1/3 règle empirique du Temps de Montée, les effets de ligne de transmission commencent lorsque :

LR ≥ (TR / 3) × (C / √εR)

où :

LR = Longueur d'une route (en mm)

TR = Temps de Montée du Signal (en ns).

Pour le FR4, la longueur de route à partir de laquelle les effets de ligne de transmission doivent être considérés peut être calculée comme suit :

LR ≥ TR × 49.965 mm

Si TR = 1nS

LR ≈ 50mm (2 pouces)

Si TR = 100pS

LR ≈ 5mm (0,2 pouces)!! Sur une carte avec des signaux commutant à ces vitesses, la plupart des trajets seront des lignes de transmission.

Adapter les Impédances

Étant donné qu'il n'est pas possible de garantir que tous les trajets soient plus courts que la longueur critique, comment vous assurez-vous que les informations encodées dans vos signaux sont reçues correctement, et non submergées par des réflexions ? Vous le faites en minimisant la quantité d'énergie qui est réfléchie en arrière. Idéalement, vous voulez que toute l'énergie qui arrive à la broche d'entrée cible passe dans ce composant et qu'aucune ne soit réfléchie en arrière. Mais comment faire pour que cela se produise ?

Pour prévenir les réflexions, vous devez concevoir et penser le tracé comme s'il s'agissait d'une ligne de transmission. Pourquoi ? Parce qu'une ligne de transmission a le comportement particulier de ne pas refléter d'énergie lorsqu'elle est terminée par une impédance identique à sa propre impédance. Vous disposez maintenant d'une méthode pour gérer ces tracés qui sont plus longs que la longueur critique ; tracez-les comme une ligne de transmission. Cela signifie que vous les tracez de manière à ce qu'ils aient une impédance spécifique, puis vous les terminez avec la même impédance.

L'impédance du tracé est définie par les dimensions du tracé (la largeur et la hauteur du conduit), ainsi que par les propriétés et dimensions des matériaux environnants, qui seront l'air ambiant ou les couches diélectriques. Pour fonctionner comme une ligne de transmission, la couche adjacente à la couche de signal doit être une couche plane. En agençant soigneusement les couches dans l'empilement de couches et en calculant les dimensions et propriétés, une impédance spécifique peut être atteinte pour le tracé. Cette approche du tracé est appelée routing à impédance contrôlée, où l'impédance cible est maintenue constante, et les dimensions et propriétés du matériel sont sélectionnées et ajustées pour l'atteindre.

La réalisation d'un PCB à impédance contrôlée ne peut pas être atteinte par le routage seul. Il y a deux éléments à ce puzzle : contrôler l'impédance du routage, et assortir cette impédance aux broches dans le réseau. Atteindre cet assortiment nécessite souvent l'ajout de composants de terminaison. Les terminaisons peuvent être ajoutées près de la broche source, ou près de la broche cible. Une bonne approche pour déterminer si un réseau à haute vitesse nécessite une terminaison est d'analyser la conception avec un simulateur d'intégrité de signal. Contrairement à un simulateur de circuit, qui modélise et simule le comportement et l'interaction des composants, un simulateur d'intégrité de signal modélise le comportement du routage et son interaction avec les broches des composants. Pour la simulation d'intégrité de signal, les composants sont uniquement modélisés en termes de caractéristiques d'entrée/sortie de leurs broches.

L'outil d'analyse d'intégrité de signal doit :

  • Identifier les réseaux qui pourraient avoir des niveaux inacceptables de réflexions (oscillations)
  • Prédire les niveaux potentiels de réflexion de signal et de diaphonie sous forme d'ondes
  • Permettre une analyse de type "et si" des composants de terminaison potentiels et aider à sélectionner les composants de terminaison appropriés

Reflection analysis waveform for an unterminated pin, showing a large amount of ringing 

Reflection analysis waveform for the same pin after a theoretical series termination resistor was added
Une série d'ondes superposées qui représentent le comportement d'un réseau balayé sur une gamme de valeurs de terminaison possibles. À gauche est non terminé, à droite est avec un terminateur en série théorique de 40Ω.

Où circule l'énergie de retour ?

Mais attendez, il y a encore plus (ou devrait-on dire Moore ?). L'énergie électrique ne circule que lorsqu'il existe une boucle fermée, donc l'énergie qui s'écoule le long de la route du signal doit également avoir un chemin de retour. Ce chemin de retour est généralement fourni par le routage de masse qui doit fournir un chemin de retour pour tous les signaux dans la conception. Il existe un phénomène intéressant qui se produit avec les signaux ayant des bords de commutation rapides. L'énergie de retour d'un signal souhaite revenir le long du même chemin tortueux et tournant que la route du signal a pris à travers la carte. Pourquoi ? Parce que c'est le chemin d'impédance minimale pour ce signal. Même s'il pourrait couler la distance la plus courte du composant cible au composant source, il ne le fait pas.

Image showing the importance of ensuring that there is a continuous return path underneath the signal path
Lorsqu'un signal à haute vitesse traverse une coupure dans un plan, une boucle est créée, provoquant la création d'EMI par ce signal.

Ainsi, en plus de penser au chemin de routage pour le signal, vous devez également vous assurer qu'il existe un chemin ininterrompu pour le courant de retour immédiatement sous le trajet du signal. Si l'énergie de retour doit dévier de sous le chemin du signal pour contourner un obstacle, comme un trou dans le plan (un éclatement), alors une boucle est créée. La boucle est l'écart entre les deux chemins lorsque vous regardez dans la carte, et la surface de cette boucle est proportionnelle à la quantité d'énergie qui sera maintenant rayonnée par ce signal. Si un éclatement dans le plan est inévitable, envisagez de rerouter la trace du signal pour s'adapter au chemin de retour, car réduire la surface de la boucle est généralement considéré comme plus important que de minimiser la longueur du trajet.

Un point important à garder à l'esprit est que le chemin de retour se fait à travers le plan d'alimentation le plus proche, qui pourrait ne pas être un plan de masse. Si le chemin de retour se fait à travers un plan d'alimentation au lieu d'un plan de masse, l'énergie de retour finira par atteindre la masse à travers les condensateurs de découplage les plus proches des broches source et cible. Si vous comptez sur un plan d'alimentation pour fournir le chemin de retour, considérez attentivement l'emplacement des condensateurs de découplage près de ces broches pour minimiser la taille de toute boucle créée.

Paires différentielles

Image showing how differential signaling has good immunity to noise

Les technologies de signalisation modernes, telles que les paires différentielles, permettent de réduire le besoin d'un plan de retour de haute qualité en acheminant le chemin du signal et le chemin de retour ensemble en tant que paire, en garantissant qu'ils sont étroitement couplés tant en séparation qu'en longueur totale. En plus du couplage fort et de la réduction de la dépendance à un sol de référence de haute qualité, les paires différentielles offrent un autre grand avantage - une excellente immunité au bruit.

L'énergie électromagnétique qui circule autour du trajet en tant que partie de chaque signal ne se couple pas entièrement à la broche d'entrée cible ; une partie s'échappe et interfère avec les signaux adjacents. Cette énergie échappée devient ce qu'on appelle l'interférence électromagnétique (EMI), et lorsqu'elle se couple à un signal voisin, elle crée ce qu'on appelle le diaphonie. Les paires différentielles sont efficaces pour faire face à la diaphonie car l'énergie rayonnée se couple à la fois au signal sortant et au signal de retour, créant ce qu'on appelle le bruit en mode commun (le bruit est commun aux deux chemins de signal). S'il n'y avait qu'un seul signal, cette diaphonie s'ajouterait à ce signal et le distordrait. Mais les broches d'entrée de la paire différentielle sont conçues pour regarder la différence entre les broches de la paire, et sont donc capables de rejeter le bruit en mode commun.

Ces deux qualités - la capacité à faire correspondre étroitement les longueurs du signal et de son chemin de retour, et la capacité à résister aux effets de la diaphonie - font des paires différentielles la solution privilégiée pour la signalisation à haute vitesse, qui peut supporter des débits de données au-delà de 10 Gb/s sur un PCB.

Les paires différentielles offrent une forte immunité au bruit et réduisent la dépendance à un chemin de retour de haute qualité via un plan. Cette moindre dépendance à un plan de masse est directement liée au degré auquel les longueurs des paires sont appariées et restent couplées de manière consistante - à mesure que l'appariement des longueurs ou le couplage diminue, la dépendance des signaux envers le plan augmente. La plupart des experts s'accordent à dire que l'appariement des longueurs est l'exigence critique pour les paires différentielles.

Et qu'en est-il des vias ?

Si contrôler soigneusement l'impédance et assurer un chemin de retour de haute qualité sont les deux premiers côtés du triangle de conception à haute vitesse, les vias constituent le troisième côté de ce triangle. À basses fréquences, un via a peu d'impact sur la qualité du signal et peut être utilisé sans considération de son impact sur la performance du circuit. Cependant, si votre conception fonctionne comme une conception à haute vitesse, les vias peuvent avoir un impact sur la performance du circuit et la qualité du signal.

Les vias apparaissent comme des discontinuités capacitives et inductives, donc leur présence affecte l'impédance de la route du signal. En plus d'affecter l'impédance, la longueur inutilisée du fût du via se présente comme un stub qui peut créer des réflexions. Des études quantitatives ont montré que leur impact peut être réduit en abordant chacun des domaines suivants :

  • Réduction de la taille de l'anneau annulaire où la route du signal se connecte à la via.
  • Suppression des anneaux annulaires inutilisés sur les couches auxquelles la via n'est pas connectée.
  • Augmentation de l'espacement entre le fût de la via et les couches de plan adjacentes.
  • Placement de vias de couture adjacents aux vias de signal pour fournir un chemin permettant au courant de retour du signal de changer de couches de plan.
  • Placement soigneux des condensateurs de découplage adjacents à la via lorsque un plan de tension différent sera utilisé pour transporter le retour du signal.
  • Suppression des stubs de via (la longueur supplémentaire, inutilisée de la via qui dépasse de la couche que la route du signal utilise pour accéder à la via). Cela se fait par :
    • conception de via et attribution soigneuse des couches pour s'adapter au processus de fabrication, et
    • forage à profondeur contrôlée (back drilling) pour enlever la section inutilisée du fût de la via.

Back drilling is where the unused portion of the via barrel is drilled out as a post-process Drilling out the unused portion of the via barrel removes copper that would create a stub for the signal

En utilisant un processus de forage à profondeur contrôlée, souvent appelé back drilling, les fûts de via inutilisés peuvent être enlevés.

Une autre approche pour minimiser l'impact des vias dans une conception à haute vitesse consiste à utiliser des microvias. Un microvia est un petit via. Les normes IPC (IPC/JPCA-2315 et IPC-2226) définissent les microvias comme des vias aveugles ou enterrés d'un diamètre égal ou inférieur à 6 mils (0,15 mm). Un diamètre de 6 mils est à la limite pour le perçage mécanique, donc les microvias sont typiquement percés au laser. Il existe également des techniques hybrides de modification au laser + perçage mécanique à profondeur contrôlée utilisées, comme décrit dans cet article, qui offrent des avantages en fabrication.

Les microvias offrent plusieurs avantages :

  • Réduction des parasites (de l'ordre d'un dixième d'un via traversant percé), résultant en une inductance plus faible.
  • Géométries plus petites, ce qui résulte en un anneau annulaire plus petit.
  • Réduction de la taille de l'éclatement sur les couches planes qu'ils traversent.
  • Suppression ou réduction de la longueur du stub. Étant donné qu'ils sont construits comme partie du processus d'empilement des couches pendant la fabrication, ils peuvent connecter entre des couches de départ et d'arrivée spécifiques. Bien qu'ils ne puissent pas couvrir n'importe quelle paire de couches, une sélection soigneuse des couches de signaux utilisées pour les signaux à haute vitesse peut garantir que ces couches ont accès à une couche de départ/arrêt de microvia.

La conception de via adaptée est un ingrédient important dans le processus de conception de cartes à haute vitesse. Les possibilités de connexion via de couche à couche sont dictées par le processus de fabrication de la carte, ce qui rend essentiel de choisir le processus de fabrication et de perçage en même temps que le style de via et la superposition des couches sont définis.

Diaphonie

Étant donné qu'une partie de l'énergie d'un signal à haute vitesse se déplace à travers le matériel qui entoure la route, il est inévitable qu'une partie de cette énergie se couple dans les routes adjacentes. Appelée diaphonie, cette énergie dégradera la qualité de ce signal. Dans le langage de l'intégrité du signal, le signal qui rayonne l'énergie est appelé le agresseur et le signal qui reçoit l'énergie de diaphonie est appelé le victime . Alors, comment réduire la quantité d'énergie qui s'échappe de l'agresseur, et comment réduire la quantité de cette énergie qui est couplée dans la victime ? L'approche de base consiste à réduire la quantité d'énergie s'échappant de la route de l'agresseur par l'adaptation de l'impédance et la conception correcte du chemin de retour du signal, et à éloigner les réseaux victimes potentiels des agresseurs.

Les signaux d'horloge et autres signaux périodiques sont les principales sources de diaphonie dans une conception. Une règle empirique souvent utilisée consiste à s'assurer que les agresseurs potentiels, tels que les horloges, sont séparés des victimes potentielles par trois fois la largeur du routage (mesurée de centre à centre). Cela est connu sous le nom de règle des 3-W. Ou, en termes de bord à bord, la séparation doit être d'au moins deux fois la largeur du routage. C'est un grand dégagement, donc vous devrez être sélectif quant aux réseaux auxquels il est appliqué. Les agresseurs à haute menace, tels que les horloges, constituent un groupe. L'autre groupe principal à considérer est celui des victimes potentielles plus sensibles, telles que les paires différentielles ; ce groupe bénéficie également d'une séparation de 3-W entre une paire et un autre signal.

 Crosstalk waveforms showing the aggressor (crosstalk source) and the victim
Prédiction du tintement sur une route d'agresseur non terminée (forme d'onde verte), et la diaphonie résultante dans la route victime adjacente (forme d'onde bleue). Notez que chaque graphique a une échelle de tension différente.

Danser dans le Temps

En dernier lieu, il y a le temps que prend le signal pour arriver à sa broche d'entrée destinataire. Généralement, un signal n'existe pas en isolation. Il fonctionne en harmonie avec une multitude d'autres signaux. Un exemple simple serait les 8 bits dans un octet de données. Non seulement l'octet entier doit arriver dans le temps imparti, mais les bits à l'intérieur de l'octet doivent également arriver ensemble. Le temps qu'il faut pour qu'un signal voyage de la sortie à l'entrée est appelé le temps de vol, et toute différence entre les temps d'arrivée des bits est appelée le décalage de signal.

Les facteurs clés qui influencent à la fois le temps de vol et le décalage sont :

  • La longueur des trajets des signaux, c'est-à-dire à quelle distance les signaux doivent voyager.
  • Les matériaux à travers lesquels les signaux voyagent ; cela affecte la vitesse à laquelle les signaux se déplacent.

Gérer ces aspects nécessite de prendre en compte :

  • Placement des composants - un bon placement des composants est un élément clé d'une conception haute vitesse réussie. Utilisez la longueur de Manhattan pour guider le placement initial des différents composants qui nécessitent des longueurs de routage similaires, par exemple, les dispositifs de mémoire DDR3 configurés dans une topologie en T.
  • Sélection du matériel - le matériau à partir duquel le PCB est fabriqué est un facteur critique dans une conception haute vitesse. Le FR4 a bien servi l'industrie des PCB pendant des décennies, mais son utilisation devient un facteur limitant dans les conceptions haute vitesse puisque la constante diélectrique inconsistante du FR4 crée un décalage. Le matériau est discuté plus en détail dans la section suivante.
  • Longueur totale de routage - en plus d'influencer le temps de vol, les longueurs totales sont également importantes lors du routage de jeux de réseaux liés. Par exemple, les exigences de temporisation DDR spécifient que la route de l'horloge est plus longue que les routes d'adresse et de contrôle. Ces exigences sont gérées par des règles de conception de Longueur.
  • Longueurs de routage assorties - le décalage est géré en assortissant les longueurs de routage. C'est la route la plus longue dans un ensemble de signaux qui détermine la longueur de route pour chaque réseau dans cet ensemble. Les longueurs sont assorties en définissant des règles de conception de Longueur Assortie, puis en allongeant chaque route plus courte pour correspondre à la longueur spécifiée.

Differential pairs have greater noise immunity, their lengths must be matched
Paires différentielles - les longueurs sont appariées à l'intérieur des paires, et également entre les paires (image avec l'aimable autorisation de FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com).

Le Circuit Imprimé

Tout cela se passe sur le circuit imprimé. Depuis leur création dans les années 1940, le modeste PCB a subi d'énormes niveaux de raffinement en termes de technologie de fabrication et de matériaux. Cela a conduit à des réductions considérables de la taille des caractéristiques, y compris le routage et les vias. Les pistes ne sont plus fabriquées avec une largeur de 20 mils. Désormais, elles peuvent être aussi petites que 2 mils de large ; et un petit via n'est plus de 30/18 mil (land/trou) - il est de 12/6 mil. Un nouveau nom a été créé pour décrire les conceptions utilisant des caractéristiques aussi petites - les techniques d'Interconnexion à Haute Densité (HDI). Bien qu'il soit plus coûteux de créer les petites caractéristiques utilisées sur les cartes HDI, leur petite taille signifie que la conception finie peut utiliser moins de couches, avoir des routes plus courtes et une meilleure intégrité du signal, ce qui peut finalement aboutir à une carte qui pourrait ne pas coûter plus cher à fabriquer (mais peut être beaucoup plus difficile à tester et à réparer).

Les Matériaux

Une grande partie du défi avec une conception à haute vitesse est de gérer le milieu par lequel les signaux se déplacent. Le FR4 traditionnel a fourni un matériau de substrat de carte bon marché et efficace pendant des décennies, mais la structure non homogène de la toile de fibre de verre intégrée dans la résine devient un facteur limitant pour les conceptions à haute vitesse. La résine a une constante diélectrique différente (≈3) de celle de la toile de fibre de verre (≈6), et comme la fibre de verre est une structure tissée avec des écarts dans le tissage, le signal voit une constante diélectrique changeante au fur et à mesure qu'il traverse la carte. À cause de cela, il existe une gamme de matériaux FR4 disponibles. Les meilleurs matériaux ont une structure de tissage plus serrée qui donne une constante diélectrique plus consistante. La constante diélectrique du FR4 change également avec la température de jusqu'à ± 20%.

Il existe des matériaux supérieurs disponibles pour la fabrication de PCB, tels que le Téflon ou la céramique, mais ceux-ci ont un coût. Le matériau à partir duquel la carte est fabriquée doit être considéré et choisi dès le début du processus de conception du PCB en consultation avec le fabricant. Pour aider à équilibrer la sélection des matériaux par rapport au coût des matériaux, de nombreux fabricants de PCB permettent un mélange de matériaux de sorte que les matériaux coûteux ne sont utilisés que pour les couches qui portent les signaux à haute vitesse.

Les Couches

Comme de nombreux aspects de la conception des cartes de circuits imprimés, déterminer le meilleur nombre de couches relève autant de l'art que de la mathématique. Le fanout et le routage d'évasion des BGA denses influenceront fortement le nombre de couches de routage. Effectuer un test de fanout et de routage d'évasion pour vérifier le BGA le plus dense de la conception peut aider à vérifier qu'il y a suffisamment de couches de signal. Une autre approche, recommandée par Barry Olney de In-Circuit Design, consiste à exécuter un test d'autoroutage sur la carte. Il suggère que si cela complète au moins 85% des routes, la carte devrait être routable à la main en utilisant l'empilement de couches actuel.

L'ajout et l'attribution des couches se font par paires. Généralement, vous aurez soit une paire de couches de plan pour chaque paire de couches de signal, soit une paire de couches de plan pour chaque deux paires de couches de signal. Ainsi, une carte à quatre couches sera de deux plans et deux signaux ; une carte à six couches sera de deux plans et quatre signaux, une carte à huit couches sera de quatre plans et quatre signaux, et une carte à dix couches sera de quatre plans et six couches de signal. Notez que ceci n'est qu'une ligne directrice ; l'objectif principal est de s'assurer que chaque couche de signal à haute vitesse est adjacente à une couche de plan.

Tous les signaux ne sont pas des signaux à haute vitesse, et toutes les couches ne peuvent pas être configurées comme des couches de routage à haute vitesse, donc la pratique standard consiste à assigner et router les signaux à haute vitesse sur des paires de couches spécifiques. Chaque paire de couches de signal devrait avoir une couche dans la paire assignée pour le routage vertical et l'autre pour le routage horizontal, et cela devrait être suivi du mieux possible pour réduire la diaphonie entre les couches adjacentes. La paire à haute vitesse peut être positionnée de chaque côté d'une couche de plan ou entre deux couches de plan. 

L'épaisseur du diélectrique entre les couches de signal à haute vitesse et la couche de plan de référence sera définie pour convenir à l'impédance caractéristique requise ; typiquement, cela sera inférieur à 10 mils (0,25 mm). Pour atteindre l'épaisseur totale de la carte requise pour des raisons mécaniques, ajustez l'épaisseur d'une ou plusieurs couches diélectriques qui ne sont pas adjacentes à une couche de signal à haute vitesse, par exemple, la couche centrale.

Le Manuel HDI comprend une carte de la technologie de conditionnement, qui peut être utilisée pour indiquer si un design peut être implémenté en utilisant le perçage mécanique traditionnel, ou s'il est probable qu'il nécessite l'utilisation d'une structure d'Interconnexion à Haute Densité (HDI). Les normes IPC IPC/JPCA-2315 et IPC-2226 incluent des formules qui peuvent être utilisées pour calculer les densités de composants et de câblage, vous fournissant des informations précieuses à utiliser lors de discussions sur le nombre de couches et les options de superposition avec votre fabricant.

Possibilités de Superposition de Couches

Le tableau ci-dessous montre un certain nombre de superpositions de couches possibles et d'attributions de couches. L'arrangement des paires à haute vitesse et des paires à usage général peut être modifié, par exemple, si votre conception à six couches/uniquement à travers peut avoir les signaux à haute vitesse routés sur la couche supérieure, c'est une bonne option si cela signifie que les signaux à haute vitesse n'ont pas besoin d'utiliser des vias. Gardez chaque couche à haute vitesse adjacente à une couche de plan, et les épaisseurs diélectriques environnantes identiques pour les couches à haute vitesse.

4-COUCHES 6-COUCHES 8-COUCHES 10-COUCHES 12-COUCHES
        Signal HS-H
      Signal HS-H GND
    Signal HS-H GND Signal HS-V
  Signal H GND Signal HS-V Signal H
Signal V GND Signal HS-V Signal H GND
GND Signal HS-V GND GND Signal V
POWER Signal HS-H POWER POWER Signal H
Signal H POWER Signal H Signal V POWER
  Signal V GND Signal HS-H Signal V
    Signal V GND Signal HS-H
      Signal HS-V GND
        Signal HS-V

Empilements suggérés pour les cartes à 4, 6, 8, 10 et 12 couches.

Définissez l'empilement des couches dès le début et prêtez une attention particulière aux couches de départ/arrêt disponibles pour les vias.

Maintenant que vous comprenez les défis de la conception de PCB à haute vitesse, apprenez-en plus :

 

Ressources associées

Documentation technique liée

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