Vincoli di progettazione che derivano dallo stackup del PCB

Lo stackup del tuo PCB definisce molto più del semplice numero di strati di rame presenti sulla scheda. Stabilisce i limiti fisici che controllano la geometria delle via, la larghezza delle tracce, la spaziatura, la densità di instradamento, l’impedenza, lo spessore del rame e la sequenza di fabbricazione. Ancora più importante, aggiungere semplicemente strati o via cieche/interrate non offre una libertà di instradamento illimitata; al contrario, modifica i vincoli del progetto e può limitare la tua capacità di instradare, assemblare e/o fabbricare il design.

Fortunatamente, comprendere questi fattori può aiutare i progettisti a prendere decisioni più intelligenti sullo stackup, invece di fare affidamento su un numero maggiore di strati e su stack di via avanzati come soluzioni di ripiego. Il caso peggiore è completare un progetto per poi scoprire che non può essere prodotto dati i vincoli utilizzati per completare il layout. I progettisti possono evitare questi problemi comprendendo come lo stackup del PCB determini specifiche regole di progettazione nel layout del PCB.

Come lo stackup del tuo PCB determina le regole di progettazione

Con l’aumento del numero di componenti e della densità di interconnessione, di solito aumenta anche il numero di strati del PCB. In generale, ciò avviene per soddisfare le esigenze dei moderni BGA e dei package bottom-terminated a passo fine, facendo crescere di conseguenza il numero di strati e lo spessore totale dello stackup. Anche le interfacce ad alta velocità possono richiedere specifici spessori del dielettrico per ottenere un’impedenza controllata con larghezze di traccia fabbricabili.

Questi requisiti interagiscono con lo spessore totale della scheda. Una scheda con molti strati costruita con strati dielettrici relativamente spessi può diventare rapidamente troppo spessa per la foratura passante standard. Strati dielettrici molto sottili possono migliorare la densità di instradamento, ma possono anche spingere il progetto verso processi di fabbricazione HDI. Lo stackup deve quindi bilanciare densità di instradamento, requisiti di impedenza, spessore totale e capacità di fabbricazione.

I vincoli più comuni determinati dallo stackup possono essere riassunti come segue:

Rapporto d’aspetto delle via passanti

Le via passanti sono uno dei modi più semplici per creare un progetto non fabbricabile. Il valore determinante è il rapporto d’aspetto tra lo spessore della scheda e il diametro finale del foro. Man mano che la scheda diventa più spessa o il foro più piccolo, placcare l’intera profondità della via diventa più difficile. Tuttavia, per diversi motivi, il software di progettazione PCB non consente agli utenti di definire il rapporto d’aspetto come regola di progettazione e richiede invece di definire le dimensioni minime consentite del foro per i diversi tipi di via.

Ad esempio, inserire via finite da 0,15 mm in un PCB spesso 2 mm crea un rapporto d’aspetto molto spinto che la maggior parte delle aziende di fabbricazione rifiuterà. Anche con uno spessore nominale della scheda di 62 mil (1,57 mm), quella dimensione di foro può essere al di fuori della capacità di processo standard di molti fabbricanti. Questo diventa particolarmente rilevante quando grandi BGA o layout QFN densi spingono i progettisti a ridurre il diametro delle via per creare più canali di instradamento:

• In un grande BGA che può accettare fori passanti nel fanout routing, un numero maggiore di pin equivale a più strati nello stackup e quindi a uno spessore maggiore
• All’aumentare dello spessore della scheda, i fori passanti si avvicinano al limite del rapporto d’aspetto e aumentarne le dimensioni porta infine a raggiungere il limite di clearance

Il vincolo corretto dovrebbe provenire dal fabbricante, piuttosto che da una regola di progettazione PCB generica. La maggior parte delle aziende di fabbricazione accetterà un diametro di foratura di 8 mil in un PCB di spessore standard prodotto secondo gli standard di lavorazione IPC Classe 2; per la Classe 3, potrebbero ridurre il rapporto d’aspetto consentito. Una volta noto il rapporto d’aspetto massimo supportato, il diametro minimo consentito del foro può essere determinato a partire dallo spessore previsto della scheda.

Il peso del rame modifica le regole di instradamento

Il peso del rame è un altro parametro dello stackup che limita la densità di instradamento. All’aumentare dello spessore finale del rame, la larghezza minima fabbricabile delle tracce e la spaziatura rame-rame generalmente aumentano. In termini di regole di progettazione PCB, ciò significa che gli strati interni ed esterni possono richiedere vincoli di instradamento differenti. Uno stackup comune potrebbe usare rame da 0,5 oz sugli strati interni e rame finale da 1 oz sugli strati esterni. Gli strati esterni richiederanno quindi larghezze minime e clearance molto maggiori rispetto agli strati interni di instradamento.

È importante anche la distinzione tra rame di base e rame finale. Gli strati esterni acquisiscono rame aggiuntivo durante la metallizzazione dei fori passanti, quindi uno strato che inizia come foglio di rame da 1 oz può risultare molto più spesso alla fine. I progettisti dovrebbero quindi specificare i requisiti del rame finale nella documentazione di fabbricazione e usare regole di progettazione che riflettano il peso finale del rame.

Esempio di valori minimi di clearance/dimensione caratteristica in funzione del peso del rame (nota: per gli strati interni si userebbe una tabella diversa)

Fonti di riferimento: Bittele Electronics e PCBWay.

Una volta che lo spessore del rame raggiunge 2 oz o più, la spaziatura delle tracce, la tolleranza di incisione, il riempimento di resina, la copertura della solder mask e la saldabilità diventano tutti più restrittivi. Per questo motivo, in molti progetti di elettronica di potenza, o in progetti digitali che richiedono anche correnti elevate, aggiungere ulteriori strati di instradamento o piani da 1 oz può offrire molta più libertà progettuale rispetto al forzare film di rame pesante su un numero ridotto di strati. In termini di costo, i due approcci sono sostanzialmente equivalenti.

Via cieche e interrate nelle sub-laminazioni

Le via cieche e interrate forate meccanicamente introducono vincoli direttamente legati alla sequenza di fabbricazione e alle capacità standard di produzione, in particolare per quanto riguarda la foratura. Esistono regole importanti relative alle via cieche/interrate nelle sub-laminazioni:

1. Regola di inizio e fine - una campata di via cieca/interrata forata meccanicamente non può terminare sullo stesso strato in cui inizia una diversa campata di via forata meccanicamente. L’eccezione si ha se viene usata la laminazione sequenziale, oppure se si utilizzano via cieche forate al laser, che consentirebbero lo stacking.
2. Nessun incrocio di via - le campate di via cieche/interrate forate meccanicamente non possono incrociarsi tra loro, ma possono essere annidate.
3. Accoppiamento con prepreg - quando si uniscono sub-laminazioni, i sotto-stack possono essere incollati tra loro solo con prepreg, non con core.

Come approccio progettuale di base, se si punta a un diametro specifico di via interrata (ad esempio per il fanout di un BGA), allora il rapporto d’aspetto della foratura deve essere pianificato durante la creazione dello stackup. Ogni campata indipendente di via cieca/interrata può richiedere sub-laminazioni aggiuntive, operazioni di foratura e fasi di metallizzazione, ognuna delle quali aggiunge peso di rame, aumenta i requisiti di clearance/dimensione e riduce il rapporto d’aspetto consentito.

Il processo di metallizzazione modifica anche lo spessore del rame all’inizio e alla fine delle campate di via interrate forate meccanicamente. Quegli strati di rame esposti ricevono una metallizzazione aggiuntiva quando si formano i barilotti delle via interrate. Lo spessore finale del rame risultante può influire sulle clearance di instradamento, sui calcoli di impedenza e sulla compensazione di incisione su quegli strati.

Laminazione sequenziale e vincoli HDI

La laminazione sequenziale introduce un ulteriore insieme di limiti quando vengono utilizzate microvia forate al laser. Il diametro consentito per la foratura laser dipende dallo spessore del dielettrico tra strati di rame adiacenti e normalmente è richiesto un rapporto d’aspetto <1, motivo per cui gli strati buildup HDI sono in genere sottili. Se il dielettrico diventa troppo spesso rispetto al diametro forato al laser, la via supera il rapporto d’aspetto delle microvia supportato dal fabbricante.

Ogni ciclo di buildup sequenziale aggiunge anche fasi di fabbricazione. Le microvia impilate possono richiedere via riempite e planarizzate prima che un’altra microvia possa essere posizionata direttamente sopra di esse, e i fabbricanti possono limitare il numero di livelli impilati che sono in grado di supportare. Le microvia sfalsate possono evitare alcuni di questi requisiti di stacking, ma occupano più area di instradamento.

Molti stackup HDI pratici combinano la laminazione sequenziale con un core con via interrate forate meccanicamente. Questo offre al progettista sia microvia vicino agli strati esterni sia connessioni interrate più lunghe attraverso il centro della scheda. Di seguito è mostrata un’opzione comune che supporta l’impilamento di microvia verso gli strati interni e la sovrapposizione di BGA su entrambi i lati del PCB.

Definisci i vincoli di fabbricazione prima dell’instradamento

Lo stackup PCB più efficiente è quello che supporta l’instradamento richiesto senza spingere la fabbricazione verso fasi di processo non necessarie. Prima di iniziare il posizionamento e l’instradamento, usa i pesi finali del rame, il rapporto d’aspetto consentito per la foratura meccanica ed eventuali stacking di microvia del fabbricante selezionato per definire alcune regole di progettazione di base:

• Dimensione e spaziatura delle caratteristiche in rame
• Limiti dimensionali delle via per i vari tipi di via
• Valori di larghezza/spaziatura delle tracce per linee a impedenza controllata
• Definisci le caratteristiche del rame sia per gli strati interni sia per quelli esterni e in base al peso del rame

Queste semplici regole di progettazione PCB impediscono al layout di evolvere verso qualcosa che richieda ampie riprogettazioni per diventare fabbricabile. Per comprendere meglio le regole di progettazione e le limitazioni imposte dalle strutture di via interrate negli stackup più avanzati, guarda il video qui sotto.

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Domande frequenti

In che modo lo spessore del PCB influisce sull’aspect ratio delle vias passanti?

Lo spessore del PCB influisce direttamente sull’aspect ratio di una via passante. Man mano che la scheda diventa più spessa, un determinato diametro di foratura produce un aspect ratio più elevato, rendendo più difficile ottenere una metallizzazione uniforme del barrel. I progettisti dovrebbero determinare l’aspect ratio massimo supportato dal produttore e utilizzare lo spessore previsto della scheda per stabilire il diametro minimo consentito del foro finito.

Quando uno stackup PCB richiede la laminazione sequenziale?

La laminazione sequenziale è generalmente necessaria quando lo stackup utilizza microvia forate al laser che collegano più strati buildup oppure quando le strutture via non possono essere realizzate in un unico ciclo di laminazione convenzionale. Ogni ciclo buildup aggiunge fasi di fabbricazione, e le microvia impilate potrebbero dover essere riempite e planarizzate prima che un’altra microvia possa essere posizionata sopra di esse.

Le vias cieche e interrate possono incrociarsi o sovrapporsi in uno stackup PCB?

Le estensioni delle vias cieche e interrate forate meccanicamente in genere non possono incrociarsi tra loro, anche se possono essere annidate. Inoltre, l’estensione di una via forata meccanicamente non può terminare sullo stesso layer in cui inizia un’altra estensione forata meccanicamente, a meno che non venga utilizzata la laminazione sequenziale. Le microvia forate al laser offrono maggiore flessibilità e possono supportare strutture impilate quando il processo di fabbricazione lo consente.

Perché gli strati esterni del PCB richiedono regole diverse per larghezza delle tracce e spaziatura rispetto agli strati interni?

Gli strati esterni del PCB possono richiedere larghezze di traccia e distanze di isolamento maggiori perché ricevono rame aggiuntivo durante la metallizzazione dei fori passanti. Di conseguenza, il loro spessore finale di rame può essere superiore allo spessore iniziale della lamina e maggiore rispetto al rame utilizzato sugli strati interni. Le regole di progettazione PCB dovrebbero quindi riflettere il peso finale del rame di ciascuno strato, anziché applicare regole identiche all’intero stackup.

In che modo il peso del rame influisce sulla larghezza e sulla spaziatura delle tracce PCB?

Con l’aumentare del peso finale del rame, in genere aumentano anche la larghezza minima producibile delle tracce e la spaziatura rame-rame. Un rame più pesante richiede maggior margine per l’incisione e per le tolleranze di fabbricazione, riducendo la densità di routing disponibile su quello strato. Ad esempio, l’articolo mostra che le dimensioni minime standard aumentano da 4 mil con rame da 0,5 oz a 8 mil con rame da 2 oz.