Stratégies de routage PCB pour les empilements à nombre élevé de couches

Les stratégies utilisées pour router les PCB avec un nombre de couches élevé sont diverses et dépendront de la fonctionnalité du PCB. Les cartes avec un grand nombre de couches peuvent impliquer de nombreux types de signaux différents, allant de groupes d'interfaces numériques à basse vitesse à de multiples interfaces numériques à haute vitesse avec différentes exigences en matière d'intégrité de signal. Cela représente un défi du point de vue de la planification du routage et de l'attribution des couches de signal à diverses interfaces.

Nous ne pouvons pas mentionner les stratégies de routage dans les PCB à nombre élevé de couches sans également parler de la conception des brochages dans de nombreux BGA. Un BGA à nombre élevé de broches peut contenir de nombreuses interfaces numériques différentes, en particulier si le composant est un microprocesseur typique ou un FPGA. C'est l'un des moteurs les plus courants du nombre élevé de couches dans le PCB.

Comme nous avons plusieurs défis qui se présentent simultanément dans une conception à nombre élevé de couches, je vais passer en revue ces défis et certaines stratégies que vous pouvez utiliser pour router avec succès un PCB à nombre élevé de couches.

Qu'est-ce qui entraîne un nombre élevé de couches dans un PCB ?

Comme je l'ai mentionné dans l'introduction, le facteur le plus courant qui amène un PCB à avoir un nombre de couches très élevé est la présence d'un grand BGA. Ces composants ont un nombre élevé de broches sur le côté inférieur du dispositif, et ils nécessiteront plus de couches pour que les signaux atteignent les broches. Étant donné que ces composants sont souvent des ASICs spécialisés, des microprocesseurs ou des FPGA, ils contiennent également de nombreuses interfaces numériques avec différentes exigences d'intégrité de signal et de routage, ainsi que de nombreuses broches d'alimentation et de masse.

De nombreux concepteurs se rappelleront de la formule simple pour estimer le nombre de couches nécessaires pour atteindre toutes les broches sur un BGA. Lorsque le pas du BGA est suffisamment grand pour qu'un signal puisse être routé entre les broches, nous pouvons ajuster deux rangées de broches de BGA par couche de signal :

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Pour un boîtier BGA à pas large où nous pouvons insérer des pistes entre les billes, nous pouvons router 2 rangées/colonnes par couche.

Certains empreintes de BGA peuvent être plutôt complexes avec des billes manquantes dans les rangées intérieures. Un exemple est montré ci-dessous ; il est probable que ce BGA ne suivra pas le même calcul de nombre de couches utilisé pour le BGA standard montré ci-dessus.

Pour en savoir plus, consultez cet article avec Charlie Yap.

Lorsque le composant a un pas beaucoup plus fin et que nous ne pouvons pas insérer de pistes entre les pastilles dans l'empreinte BGA, nous devons doubler le nombre de couches requis. Lorsque de nombreuses broches sont destinées à l'alimentation et à la masse, le nombre de couches va certainement diminuer. Il est également possible qu'un grand nombre de boîtiers quad engendre le besoin d'un nombre élevé de couches. Dans le haut de gamme, ces derniers peuvent avoir quelques centaines de broches, certainement pas le nombre élevé que vous verriez sur un BGA de taille modérée.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Stratégie de routage 1 : Pas de stratégie du tout !

La stratégie "sans stratégie" est de loin la plus simple et se concentre uniquement sur la minimisation du nombre de couches tout en assurant la résolvabilité. Elle peut commencer par sélectionner le nombre de couches requis et procéder au routage à partir du BGA en utilisant une approche de fan-out standard, en appliquant un nombre de couches fixe et en tentant de regrouper toutes les traces, ou en routant librement et en ajoutant de nouvelles couches de signal au besoin. Elle s'applique lorsque :

• Vous ne vous préoccupez pas de séparer différentes spécifications d'impédance dans différentes couches
• Toutes les interfaces n'ont pas de spécification d'impédance, comme le SPI
• Toutes les interfaces ont la même exigence d'impédance
• Le nombre d'interfaces avec des spécifications d'impédance est faible (peut-être 1 ou 2)

Inutile de dire que le routage avec cette stratégie peut ne pas sembler très organisé, mais le fait de réduire l'accent sur l'intégrité du signal au profit de la résolvabilité peut aider à maintenir le nombre de couches inférieur à celui d'autres stratégies.

Cette interface parallèle commence à partir d'un BGA (coin inférieur droit) et se route vers un module LCD additionnel (coin supérieur gauche).

Stratégie 2 : Priorisation des couches par interface

Dans cette stratégie, des interfaces spécifiques contrôlées par impédance obtiennent leurs propres affectations de couches et sont principalement routées dans ces couches. Le fabricant adopte alors une approche d'impédance contrôlée et détermine les propriétés électriques qui seront utilisées lorsqu'ils construiront votre empilement. Ce type de stratégie peut être utilisé lorsqu'il y a plusieurs interfaces à haute vitesse nécessitant un contrôle d'impédance, et qui peuvent avoir différentes valeurs d'impédance cibles. Dans certains cas avec des interfaces différentielles, elles ont la même cible d'impédance nominale mais possiblement une exigence de bande passante différente, ce qui exigera que des largeurs de ligne et des espacements différents soient utilisés pour les différentes interfaces.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

Dans les images d'exemple ci-dessous, je montre plusieurs interfaces numériques attribuées à différentes couches dans un empilement de 16 couches. Les interfaces concernées sont :

• DDR4
• CSI-2
• LVDS 1 Gbps
• Ethernet 10 Gbps

Et voyez comment ceux-ci sont séparés en différentes couches dans les schémas ci-dessous.

Routage à haute vitesse de multiples interfaces numériques dans un PCB à nombre élevé de couches.

Vous remarquerez qu'il y a de l'espace vide sur ces couches. Il est important de se rappeler que dans cette stratégie de couches, l'objectif principal est de faciliter la spécification de l'impédance pour le fabricant. Lorsqu'il n'y a qu'une seule spécification d'impédance par couche, il est beaucoup plus facile pour le fabricant de produire un empilement qui atteint ces cibles pour chaque interface.

L'inconvénient est que cela tend à entraîner un nombre de couches plus élevé, ainsi que de l'espace vide sur certaines couches. Si nécessaire, vous pouvez remplir une partie de cet espace vide avec du cuivre supplémentaire ou de la masse pour les rails d'alimentation. Je préfère utiliser cet espace pour les rails d'alimentation dans certains designs car cela peut me permettre d'éliminer complètement une couche d'alimentation. De plus, vous pouvez toujours utiliser ces couches à impédance contrôlée pour des signaux à basse vitesse ou de configuration tant qu'ils ne sont pas trop regroupés près de vos traces à haute vitesse.

Stratégie 3 : Couches à Haute et Basse Vitesse

Dans cette stratégie, le nombre d'interfaces nécessitant une impédance contrôlée est généralement faible, ou toutes les interfaces à impédance contrôlée requièrent la même impédance. Cela vous permet de séparer les signaux en couches dédiées à haute et basse vitesse. Cela est similaire à ce que vous pourriez faire dans une carte à six couches avec quatre couches de signaux, où vos couches de signaux à basse vitesse pourraient être placées l'une à côté de l'autre.

Ce type de stratégie se prête bien au routage orthogonal, en particulier si des signaux à basse vitesse sont présents sur des couches adjacentes. Par exemple, voyez le routage ci-dessous, qui utilise des directions de routage orthogonales entre deux composants sur deux couches différentes.

Ces E/S font partie d'une interface SDRAM et peuvent être facilement routées vers la puce mémoire avec une approche de routage orthogonal.

Le routage dans cette stratégie présentera moins de défis d'intégrité de signal car beaucoup de signaux ont tendance à être à basse vitesse. Par conséquent, cette approche aide à maintenir un nombre de couches raisonnable.

Stratégie 4 : Combiner l'alimentation et certains signaux

Une autre stratégie de routage que j'implémente souvent dans les cartes à nombre élevé de couches consiste à combiner certains signaux et rails d'alimentation dans une seule couche.

Une raison courante pour laquelle le nombre de couches devient élevé n'est pas seulement due à un grand nombre de signaux ou d'interfaces nécessitant un routage. Le nombre de couches peut également augmenter en raison de multiples rails d'alimentation et alimentations. Un concepteur novice pourrait croire qu'un PCB nécessite un plan d'alimentation dédié pour chaque rail d'alimentation, mais cela créerait un grand nombre de couches avec plus de cuivre que nécessaire. Au lieu de cela, une meilleure stratégie consiste à utiliser des rails d'alimentation dessinés sous forme de polygones.

Dans les couches où les rails d'alimentation sont dessinés, il est acceptable d'utiliser ces couches pour le routage des signaux. En particulier, il est logique de router des signaux de basse vitesse ou des signaux de configuration dans ces couches. Je vois de nombreux exemples de cela dans la série 1-Minute Design Review, qui ressemble à l'exemple de routage montré ci-dessous.

Le routage dans les couches d'alimentation est approprié tant qu'un espacement suffisamment grand est maintenu.

Cette approche peut être utilisée dans la Stratégie 2, car elle vous permet d'utiliser les couches restantes qui ne sont pas attribuées à la terre pour les signaux de basse vitesse. Les signaux à haute vitesse peuvent toujours obtenir leurs propres couches sous la Stratégie 2 si nécessaire. Cela aide à maintenir le nombre de couches à un niveau bas en éliminant le besoin de plans d'alimentation dédiés et de couches de signaux à basse vitesse dédiées.

De plus, il est toujours possible de router des pistes à impédance contrôlée dans des couches contenant des rails d'alimentation. Typiquement, le routage dans une couche avec un plan de masse coplanaire nécessite l'application d'une règle de dégagement pour éviter qu'une capacité excessive n'affecte l'impédance de la piste. Le même principe s'applique lors du routage à proximité des rails d'alimentation. Au lieu d'utiliser une règle globale de dégagement électrique, il est préférable de créer une règle spécifique à un réseau et à une couche pour faire respecter ce dégagement. Dans Altium Designer, vous pouvez configurer cette règle de dégagement en utilisant une requête personnalisée, en utilisant les conditions InNet (ou InNetClass) et InLayer.

Que vous ayez besoin de construire des électroniques de puissance fiables ou des systèmes numériques avancés, utilisez l'ensemble complet des fonctionnalités de conception de PCB et des outils de CAO de classe mondiale dans Altium Designer^®. Pour mettre en œuvre la collaboration dans l'environnement interdisciplinaire d'aujourd'hui, les entreprises innovantes utilisent la plateforme Altium 365™ pour partager facilement les données de conception et lancer les projets en fabrication.

Nous n'avons effleuré que la surface de ce qui est possible avec Altium Designer sur Altium 365. Commencez votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365 aujourd'hui.