Nouvelle architecture multicouche : Power Mesh

Il est amusant de constater comment nous acceptons le statu quo comme la seule réalité, simplement parce que c'est la seule existence à laquelle nous avons été soumis. Dans la conception de circuits imprimés, l'architecture multicouche est un tel statu quo. Mais ce n'est pas la seule architecture qui fonctionnera pour les conceptions à haute vitesse. Chez Hewlett-Packard, nous avons expérimenté et mis en œuvre une architecture de performance supérieure basée sur les caractéristiques de conception RF. Ce n'était pas un accident, car notre organisation de conception de PCB partageait également des ressources avec notre organisation de conception de CI. Un jour, je passais en revue un article écrit par le Dr Leonard Shaper de HiDEC (partie de l'Univ. de l'Arkansas) sur le système d'alimentation en mailles interconnectées (IMPS) [1,2,3]. Il s'agissait d'une architecture haute densité créée pour la conception de substrats MCM en film mince à 2 couches, où chaque couche contenait une terre de puissance et une terre de signal et il n'y avait pas de plans. À cette époque, la seule façon d'atteindre des géométries de 10 microns était d'employer des métaux pulvérisés fins et la lithographie photorésistante semi-conductrice. Je me suis dit à l'époque, « Pourquoi ne pas essayer cela avec des géométries de 5 mils (0,125 mm) sur FR4 pour voir si cela fonctionnerait ? » La figure 1 montre les trois architectures et les règles de conception.

Nous avons testé l'architecture sur une carte de disque dur actuelle à 12 couches et avons réussi à compléter la conception avec seulement 4 couches (nous n'avons déplacé aucune pièce).

WOW !—c'était plus facile que nous le pensions ! Nos amis concepteurs de circuits intégrés, regardant par-dessus notre épaule, ont commenté, « Bien joué—c'est ainsi que nous concevons les circuits intégrés ». Nos clients en RF ont également commenté, « Rien de nouveau—c'est une structure de ligne striée coplanaire décalée—nous l'utilisons depuis 30 ans ! » Donc, nous n'avons rien inventé de nouveau (comme nous l'avons appris lorsque nous avons essayé de le breveter) mais cela a certainement mieux fonctionné et avait des densités plus élevées que l'architecture multicouche conventionnelle tout en ayant également une PDN à inductance plus faible. Nous l'avons appelé « POWER MESH », et l'avons gardé comme ‘NOTRE’ secret !

FIGURE 1 a. L'architecture multicouche conventionnelle ; b. l'architecture IMPS de seulement 2 couches métalliques ; c. L'architecture HP Power Mesh de 4 couches.

Contrôle d'Impédance

La figure 2a montre le plan d'alimentation unique. L'étape suivante est un plan d'alimentation divisé (fig2b). Power Mesh utilise des structures coplanaires RF pour appliquer jusqu'à 12 rails d'alimentation séparés aux couches 3 et 4, mais de manière orthogonale (Fig2c). Les mêmes réseaux de distribution d'énergie (PDN) sont connectés aux couches 2-3 avec des vias enterrés (Fig2d). Les lignes de transmission pour le routage, qu'elles soient à extrémité unique ou différentielles, étaient une préoccupation majeure avec cette architecture. Comme on peut le voir dans la Figure 2 (fig2e), toutes les pistes sont coplanaires et référencées au plan de masse proche, mais aussi couplées à l'alimentation. La fig2f montre les règles de conception pour les différentiels de 50 ohms et 100 ohms.

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Figure 2. La structure de ligne striée coplanaire décalée présente de nombreux avantages pour les signaux à haute vitesse - faible diaphonie - faibles impédances PDN ; .a.  

Disposition et Conception

La disposition des PCB est non conventionnelle mais directe. La différence réside dans le fait que vous créez d'abord un réseau électrique, sur lequel vous placez les broches d'alimentation pour les dispositifs sur ce réseau, après avoir calculé la largeur des pistes d'alimentation. Pour s'assurer qu'il n'y a pas de chute de tension, vous utilisez un maillage pour connecter tous les dispositifs sur la couche 1 et 4 par des vias aveugles. Le maillage PDN doit être complété en X et Y ; routé de retour à vos sources d'alimentation en utilisant des vias enterrés. Ce maillage agit comme un plan en ce sens que l'alimentation a diverses routes vers les dispositifs.

Protégez toutes les connexions d'alimentation et le maillage et commencez le routage des signaux dans les couches X et Y. Il est « OK » de « pousser » le maillage d'alimentation si la connexion de la broche d'alimentation est maintenue. Une fois le routage terminé, toutes les pistes d'alimentation sont élargies pour remplir tous les espaces disponibles (sous forme de polygones) afin de maximiser la capacité distribuée pour chaque PDN. La figure 3 est un résumé des étapes de conception.

Figure 3. Le processus de conception pour le maillage d'alimentation a des activités familières mais réarrangées de manière à ce que la structure PM soit faite en premier.

Exemple

L'un des nombreux exemples que nous avons utilisés pour former les concepteurs et les ingénieurs est visible dans la Figure 4. Ce multicouche à haute vitesse était à l'origine conçu avec 12 couches. La version avec maillage d'alimentation n'a nécessité que 4 couches et a été achevée en seulement 2 jours, car nous n'avons déplacé aucune pièce. Lors d'examens ultérieurs, nous avons réalisé que si nous déplacions 48 % des composants sur le côté opposé, la carte pourrait être réduite de moitié en taille - ou nous pourrions fusionner une seconde carte à l'arrière.

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Les tests fonctionnels ont indiqué une réduction du diaphonie et une impédance du réseau de distribution d'alimentation (PDN) plus faible, ainsi que les réductions de coûts de 8 couches à 4 couches. D'autres réductions de coûts pourraient être envisagées si nous placions de nombreux composants sur le côté opposé.

Il n'existe pas de publications sur ce sujet car nous l'avons gardé secret pendant 30 ans !! Mais si vous recherchez « power mesh » sur Google, vous trouverez des articles sur la conception de circuits intégrés. FONCEZ !

Figure 4 : Un exemple de redessin d'un multicouche TH HS conventionnel de 12 couches en un Power Mesh de 4 couches. (des analyses ultérieures ont indiqué que la carte pourrait être réduite de moitié en taille ou intégrer un second TH dans cette version PM). A. Routage en Y de la couche-2 pour le signal et l'ALIM ; b. Routage en X de la couche-3 pour le signal et l'ALIM ; c. Deux des couches internes conventionnelles de 12 couches ; d. Mise à la terre de surface de la couche-1 et emplacements SMT incluant la vue de côté.

Références

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1. L.W. Schaper, S. Ang, D.A. Arnn, J.P.Parkerson, « A Low-Cost Multichip Module Using Flex Substrate and Ball Grid Array », Actes de la conférence ICE sur les modules multicouches, Denver, CO, avril 1996, pp. 28-32.

2. Schaper, L & Grover, M, « Comparaison du système d'alimentation en maille interconnectée (IMPS) et des topologies d'interconnexion à stripline enterrée dans l'emballage de microprocesseurs », 5e Atelier IEEE sur la propagation du signal sur les interconnexions, juin 2000, San Francisco, CA

3. Schaper, L; Parkerson, J; Brown, W; & Ang, S; « Modélisation et analyse électrique des interconnexions SHOCC (Seamless High Off-Chip Connectivity) », Transactions IEEE sur l'emballage avancé, Vol.22, NO.3, août 1999