Considerazioni sullo stack-up dei layer di schede per la progettazione di schede ad alta velocità

La progettazione ad alta velocità funzionerà con successo solo se realizzata con il giusto stack-up PCB. Il tuo stack-up deve avere la corretta disposizione dei piani di alimentazione e di massa, con un numero sufficiente di layer assegnati al segnale e tutti con set di materiali e selezione di rame in grado di essere prodotti su scala e con costi appropriati. Se un progettista riesce a configurare correttamente lo stack-up, il routing con un'integrità del segnale garantita è molto più semplice e molti dei problemi EMI più banali verranno eliminati o evitati.

Per aiutare i progettisti a ingegnerizzare e costruire più rapidamente stack-up ad alta velocità che supportino il routing e l'integrità del segnale richiesti, abbiamo compilato risorse importanti per diverse categorie di stack-up ad alta velocità. 

Stack-up a basso numero di layer

I PCB ad alta velocità più semplici inizieranno come schede a 4 layer. La mia ferma opinione è che le schede a 2 layer non debbano essere utilizzate per progetti che supporteranno interfacce digitali ad alta velocità con impedenza controllata, perché non possono garantire l'integrità del segnale o il controllo del rumore. Qualsiasi professionista del design confermerà questo punto.

Di seguito sono riportati le tre principali tipologie di stack-up PCB a 4 layer in grado di supportare segnali ad alta velocità. Tra questi stack-up, l'opzione 1 è probabilmente la scelta migliore, in quanto offre la massima flessibilità di instradamento e può essere utilizzata come scheda a doppia faccia. Anche l'opzione 2 può essere utilizzata per il posizionamento a doppia faccia, ma limita i punti in cui i segnali possono essere instradati perché può verificarsi una diafonia nel layer interno. L'opzione 3 è utile con requisiti di potenza elevati, ma consente di indirizzare i segnali ad alta velocità solo su un layer; i passivi o i meccanici potrebbero comunque essere posizionati sul layer posteriore.

• Scopri di più sulle migliori opzioni di stack-up a 4 layer per PCB a doppia faccia

Quando è necessario un numero di layer più elevato, come per il posizionamento di segnali a bassa velocità in un layer interno, il passaggio successivo consiste nell'estendere l'opzione 1 a numeri di layer più elevati. Si inizierebbe con uno stack-up a 6 layer, in cui un layer di alimentazione dedicato e un layer di segnale vengono aggiunti allo stack-up mostrato nell'opzione 1 sopra. Questo stack-up è utile per due motivi:

• I layer superficiali sono adatti per interfacce ad alta velocità a impedenza controllata
• I layer interni possono supportare la maggior parte delle interfacce o dei segnali di controllo più lenti
• Il layer di alimentazione può essere suddiviso in più binari di grandi dimensioni per supportare diversi livelli di tensione del nucleo.

La stessa procedura può essere utilizzata per estendere lo stack-up a 8 o più layer con segnali ad alta velocità; questo tipo di stack-up PCB viene trattato nella sezione successiva.

• Scopri di più sugli stack-up PCB a 6 layer in grado di supportare PCB ad alta velocità

Numero di layer moderato

A un certo punto, lo stack-up della scheda può diventare così spesso che lo spessore totale del PCB sarà maggiore del valore standard. In termini di produzione, questo non è un problema: i processi standard della pressa per laminazione possono gestire schede oltre il valore di spessore standard e raggiungere spessori multipli di mm. Se il tuo obiettivo è una scheda sottile, avrai bisogno di layer più sottili: le opzioni sono i laminati in PTFE rinforzato (di cui trattiamo di seguito) o il passaggio diretto alla lavorazione HDI.

Le schede con un numero di layer moderato (al di sopra di ~ 8 layer) possono tendere ad avere più layer di piani assegnati all'alimentazione, oltre a livelli di segnale aggiuntivi. Per le schede con numero di layer moderato, esistono alcune semplici linee guida che possono contribuire a sopprimere l'EMI e garantire l'integrità dell'alimentazione:

• Va bene dividere un piano di alimentazione in più binari, purché i segnali non facciano riferimento a quel layer del piano
• Se sono presenti più piani di alimentazione, non impilarli su strati adiacenti; separali con un piano GND
• Metti segnali veloci su layer interni tra due piani GND: non fare riferimento a questi piani di alimentazione con eventuali suddivisioni
• Utilizza i layer superficiali solo per microstrisce veloci, il routing di alimentazione se serve, e una colata di GND se necessario

Queste linee guida potrebbero farti aggiungere un paio di layer extra al tuo progetto, ma i vantaggi saranno: un controllo del rumore molto maggiore, l'integrità dell'alimentazione e l'integrità del segnale.

Stack-up più avanzati

L'idea di "più avanzato" nel contesto della progettazione PCB ad alta velocità potrebbe significare molte cose. Nei progetti digitali ad alta velocità, potrebbe avere due possibili significati in termini di selezione e disposizione dei layer:

• Layer sottili per supportare l'instradamento HDI
• Numero elevato di layer che forzano l'utilizzo di layer sottili
• Routing in BGA a passo fine, su più layer (ma non necessariamente con HDI)

In altre parole, potresti avere dei layer di segnale molto sottili (ad esempio 4 mil) con FR4 rinforzato con vetro con un basso numero di layer, oppure un numero di layer molto elevato che impone l'uso di layer sottili e possibilmente di materiali alternativi.

Le considerazioni nella progettazione dello stack-up di layer ad alta velocità per questi PCB si concentrano sulle larghezze di linea richieste per i componenti e sulla producibilità, non semplicemente sui valori Dk e Df per uno stack-up. In alcuni casi è necessario un laminato a basso Dk e Df sui layer di segnale, ma non semplicemente perché le perdite sono inferiori. In questi progetti, la producibilità e l'integrità del segnale regnano sovrane, e i laminati sottili possono essere la risposta a molte sfide negli stack-up ad alta velocità con un numero elevato di layer e/o layer di segnale sottili. L'opzione principale per le schede più sottili che possono eliminare la necessità di passare alla lavorazione più avanzata o alla lavorazione HDI sono i laminati PTFE rinforzati, disponibili in spessori inferiori a 4 mil.

• Ulteriori informazioni sulla progettazione dello stack-up per PCB avanzati ad alta velocità

Altre risorse

Le altre aree della progettazione dello stack-up, che sono importanti per i circuiti stampati ad alta velocità, sono l'integrità dell'alimentazione e l'integrità del segnale. Esiste anche la potenziale necessità di passare a progetti HDI quando i pacchetti BGA hanno un passo molto fine e quando i layer diventano molto sottili. Dai un'occhiata a queste risorse per saperne di più su queste aree importanti della progettazione PCB:

• 11 materiali HDI che devi conoscere
• Progettazione dello stack-up PCB 2+N+2 per schede HDI
• Ebook: guida alla simulazione e all'analisi PDN
• L'impatto della progettazione di uno stack-up sull'integrità del segnale

Quando devi specificare i materiali, creare uno stack-up ed eseguire calcoli di impedenza per supportare PCB ad alta velocità, assicurati di utilizzare il set completo di strumenti di progettazione PCB in Altium Designer^®. Quando avrai completato il progetto e vorrai inviare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365^™ ti permetterà di semplificare la collaborazione e la condivisione dei tuoi progetti.

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