Come Progettare Uno Stackup PCB Perfetto con Altium Designer®

Negli ultimi 20 anni l'elettronica è diventata sempre più complessa. La densità delle schede si è spinta oltre i limiti. Le normative EMC/EMI si sono evolute e sono diventate più severe. I fronti di salita e discesa si sono ridotti. Pertanto, l'ingegnere che si occupa del layout PCB ha bisogno di una buona conoscenza riguardo a EMC, PDN, EMI e SI, per tracciare un moderno PCB in tutta sicurezza. In questo articolo parleremo di alcune considerazioni utili per creare correttamente uno stackup PCB.

Cosa impareremo?

In questo articolo impareremo a progettare uno stackup PCB e successivamente ad implementarla in Altium®. Considereremo alcune ottimizzazioni di progettazione per ridurre al minimo il problema dell'integrità di segnale (SI) nel caso di una progettazione digitale ad alta velocità (HSD).

Impareremo quindi:

• Come comprendere la scheda tecnica dei materiali laminati del circuito stampato.
• Come calcolare il numero dei layer di segnale.
• Alcuni suggerimenti su come progettare lo stackup PCB con Altium®.
• Insidie ed errori tipici.
• Come utilizzare Altium® per evitarli.

Comprensione della scheda tecnica riferita al materiale del laminato PCB

Il primo passo che un ingegnere addetto al layout PCB dovrebbe fare, è selezionare i materiali laminati PCB (resina, lamina di rame, trama del vetro) per le relative applicazioni. La scelta del laminato PCB dipende dal tipo di applicazione.

Ad esempio:

• Circuiti digitali ad alta velocità (HSD): Le applicazioni tipiche sono i server, i router e i canali dati ad alta velocità (ad esempio PCIe, 10Gbe, ecc.) Richiede laminati di tipo FR408HR, I-Speed, ecc.
• Elevata affidabilità termica, applicazioni tipiche nei campi automotive, aerospaziale e militare. Richiede laminati di tipo P95/P25 (con alto Tg/Td).
• RF e microonde. Richiede laminati di tipo IS680 TerraReen (RF/MW), ecc.
• Halogen-free, applicazioni tipiche come i dispositivi portatili, cellulari e wireless. Richiede un laminato di tipo TerraReen.
• Connessione ad alta velocità (HDI - High Density Interconnect), applicazioni tipiche come la riduzione del numero dei layer, in campo militare e aerospaziale. Richiede laminati di tipo I-Speed, FR408HR, ecc.
• Poliimmide, applicazioni tipiche nel campo militare e aerospaziale, richiedono laminati di tipo P25N, P95/P25, ecc.

Per selezionare il materiale corretto, dobbiamo comprendere la scheda tecnica del circuito stampato.

Parametri fondamentali da verificare

CTE

Coefficiente di espansione termica (CTE), espresso in PPM. Di solito è maggiore sull'asse z rispetto agli assi x e y. Questo parametro è fondamentale sull'asse z. Quando è troppo alto, durante l'assemblaggio, si possono verificare micro crepe sulle vias, derivanti dalle diverse dilatazioni tra il laminato e il rame.

Invece, Il CTE-x,y è un parametro da tenere in considerazione quando si eseguono progettazioni elettroniche con molti cicli termici. Ad esempio, nell'industria aerospaziale, il CTE-x,y è molto importante poiché i satelliti LEO hanno periodi orbitali di 90-120 minuti e questo espone i satelliti ad un gran numero di cicli termici, che possono causare crepe sui lati dei componenti.

Tg, temperatura di transizione del vetro

Il simbolo Tg si riferisce ad una temperatura alla quale una resina preimpregnata passa dallo stato di materiale rigido a quello di materiale sufficientemente elastico (ovvero quando inizia a sciogliersi).

Td, temperatura di decomposizione

Come suggerisce il nome, questa è la temperatura alla quale il materiale preimpregnato si decompone e inizia a perdere le sue proprietà.

Dk, costante dielettrica

Questo parametro è la costante dielettrica tipica per il nucleo e i materiali preimpregnati. Sto usando la parola tipica perché se osserviamo la struttura di un armatura di vetro preimpregnato avremo la seguente forma:

Figura 1 preimpregnata: La resina riempirà le lacune della struttura in vetro, creando una zona dielettrica Dk1 e una Dk2. A frequenze molto alte questo può causare alcuni problemi (non discussi in questo articolo). Il punto fondamentale è che, quando si progettano circuiti HSD, è necessario selezionare un preimpregnato che sia più omogeneo possibile, di tipo I-Speed, FR408HR, Tachyon 100G.

Tan (δ) oppure Df, tangente di perdita o fattore di dissipazione

Una forma d'onda elettromagnetica che attraversa un materiale dielettrico viene parzialmente assorbita dal materiale stesso. Questo assorbimento è misurato da un parametro che solitamente è indicato come Dk nella scheda tecnica. Si traduce in un'attenuazione per pollice utilizzando l'equazione 1:
 

Att = 2.3 f tan ⁡(δ) √ (ϵ_r) (dB/in]) [equazione 1]

Dove f è uguale alla frequenza in GHz, mentre ϵ_r è la costante dielettrica del materiale

Esempio: L'Isola FR408HR ha un valore ϵ_r = 3.7 e tan (δ) = 0.011. Quindi, a 10 GHz, avremo un'attenuazione di Att (10GHz) = -0.94 (dB/in). In questo modo, usando un FR408HR, dopo soli 7,5 cm avremo perso già 3 dB. 

Come calcolare il numero dei layer di segnale

Per progettare lo stackup PCB dobbiamo individuare il numero dei layer di cui abbiamo bisogno.

Esistono due metodi interessanti per farlo:

• Il primo metodo [1] presuppone che i componenti con il maggior numero di pin, ad esempio un componente BGA, decretino lo scenario peggiore. Con questo metodo puoi calcolare il numero dei layer di segnale, utilizzando il numero di righe dei pin I/O (o colonne), dividere tale numero per 2 e in seguito arrotondare il risultato al numero pari più prossimo. Ad esempio, se un BGA ha una profondità di righe I/O (colonne) uguale a 11, una buona stima sul numero minimo di layer IO da utilizzare sarà 6.
• Il secondo metodo consiste nell'utilizzare la regola di Rent. [2] Rent era un ingegnere della IBM, che ha reso popolare il modo in cui calcolava il passo tipico della traccia. Secondo la regola, se si hanno M layer di routing e N interconnessioni [2], il passo tipico, espresso in pollici, sarà uguale a:

P_avg = (XY) ^ (1/2)/N 2,7 M     [equazione 2]

Dove X e Y sono le dimensioni X e Y della scheda espresse in pollici. Di conseguenza, potrai calcolare il numero dei layer di routing determinando M, quindi dovrai verificare se il passo risultante sia compatibile con la tecnologia PCB.

Considerazioni sul piano di riferimento

Dopo aver calcolato il numero dei layer di routing dobbiamo determinare il numero dei piani. 
 

• Il piano 0V fornisce un percorso di ritorno ai segnali ad alta velocità (indirizza sempre una traccia fondamentale all'interno di 2 piani). Pertanto, devi assicurarti che il piano 0V si propaghi il più lontano possibile.
• Tutti i piani si propagano! Ogni piano funziona come un'antenna e si propagherà a [3]

F_GHz=150 √ ((l/L) ^2 + (m/W) ^2)     [equazione 3]

Dove l e m sono le modalità, mentre W e L sono i parametri di dimensione espressi in mm. Ad esempio, se un piano ha la dimensione di 100 mm x 50 mm, la prima modalità dovrebbe propagarsi intorno a 1,34 GHz. Perché abbiamo bisogno di queste informazioni? Perché durante il test EMC (emissione irradiata), se troviamo un picco di circa 1,34 GHz, che non è un multiplo (o intermodulazione) di alcun clock, avremo probabilmente la conferma della propagazione del piano. (Esistono tecniche di progettazione per aumentare la frequenza di propagazione, ma non rientrano nell'ambito di questo articolo).
    

• Propagazione dello spazio vuoto tra i piani. Per evitare la propagazione dello spazio vuoto tra 2 piani che hanno lo stesso potenziale (ad esempio 0V), posiziona i piani ad una distanza non superiore a λ/(10 √ (ε_r)) [3]. 
• Riduci il valore Q del piano VDD-GND. Ogni piano VDD-GND è utilizzato per un'importante regola. Distribuisce la capacità mentre si propaga. Se ha una capacità elevata, molto probabilmente non si verificherà un'emissione irradiata. Un modo per evitarlo è quello di posizionare i 2 piani il più vicino possibile (aumentando il valore di C e riducendo quello di Q).

Pianificazione dello stackup PCB con Altium®

È giunto il momento di progettare lo stackup PCB. In riferimento a quanto descritto precedentemente avremo già i seguenti dati:

• Numero dei layer di segnale
• Numero minimo dei piani
• Segnale fondamentale (clock, ddr, USB)
• Materiale laminato del PCB

In riferimento ai punti 1 e 2 abbiamo una buona percezione del numero dei layer di cui l'applicazione ha bisogno.  Diciamo che abbiamo circa 6 layer per i segnali e 6 layer per il piano. Possiamo utilizzare Altium® per risparmiare tempo! Apri il progetto PCB e crea un documento PCB. Quindi seleziona il Layer Stack Manager e di seguito seleziona: 

Tool->Presets, dopodiché seleziona 12 Layers.

Altium® creerà lo stackup PCB predefinito, che dovrebbe apparire come di seguito:

Ora dobbiamo modificare lo stackup di cui sopra, con il materiale laminato del PCB selezionato per la nostra applicazione.

Se non siamo soddisfatti dei materiali predefiniti possiamo cambiarli e inserire il materiale corretto, lo spessore e le costanti Dk e Df.

Lo Stackup predefinito fornito da Altium® possiede già una buona struttura simmetrica e rappresenta un buon esempio sul modo in cui dovrebbe essere progettata uno stackup.

Una volta che siamo soddisfatti del materiale dobbiamo determinare i layer da utilizzare per il segnale, i segnali fondamentali e il piano di alimentazione.

Dovremmo progettare inizialmente i segnali fondamentali (ad esempio tracce di clock, tracce ddr, ecc.).  Ad esempio, se abbiamo una scheda con alcune tracce e un'impedenza caratteristica di 50 e 90 ohm, possiamo selezionare il layer che indirizzerà quelle tracce e utilizzare Altium® per compiere l'operazione.

Clicca sulla scheda d'impedenza (immagine di seguito)

Successivamente, clicca su Add Impedance Profile: 

Dovresti visualizzare il profilo d'impedenza predefinito per una traccia di 50 ohm:

Ad esempio, in base al profilo d'impedenza sopra riportato, la larghezza di una traccia di 50 ohm è di circa 0,14 mm nel layer superiore e inferiore, mentre solamente di 0,038 mm nei layer interni. Se siamo soddisfatti di queste impostazioni possiamo procedere, altrimenti dovremo cambiare lo spessore del preimpregnato oppure il materiale laminato.

A questo punto, indirizziamo la traccia di 90 ohm (di solito per gli USB) cliccando semplicemente sull'icona +, così da creare un nuovo profilo e successivamente modifichiamo il valore dell'impedenza di destinazione a 90 nelle proprietà.

Se un layer non può avere un'impedenza di 90 ohm Altium® te lo segnalerà, aggiungendo un avvertimento relativo al profilo d'impedenza.

Potrai quindi modificare il materiale e ripetere i passaggi precedenti, fino a quando non troverai una soluzione che soddisfi le tue esigenze.

Nel prossimo articolo vedremo come utilizzare Altium® per evitare alcune delle insidie di progettazione relative al routing dei segnali fondamentali su un PCB multilayer. 

Ora puoi scaricare una versione di prova gratuita di Altium Designer®, per approfondire le tue conoscenze sulle caratteristiche della pila e dell'impedenza. Contatta oggi stesso un esperto Altium® per saperne di più.