Progettazione di un impilamento a quattro strati per PCB senza capacitanza del piano

In una serie di articoli precedenti, ho affrontato le sfide incontrate nella progettazione di schede con 16 strati o più. Questi sono i tipi di PCB complessi che si trovano nei server di fascia alta, negli switch e nei prodotti dei giganti del cloud che supportano le crescenti esigenze di Internet.

Tuttavia, molti prodotti non richiedono questi tipi di schede complesse con un alto numero di strati. Un esempio sono le decine di milioni di schede madri PCB a quattro strati prodotte ogni anno per PC e altri prodotti relativamente economici, come i prodotti Xbox™ di Microsoft. A prima vista, potrebbe sembrare che progettare un PCB a 4 strati sia un compito facile, ma come per qualsiasi altra scheda, richiede il tipo giusto di layout e impilamento. Inoltre, ci sono sfide particolari quando si tratta di progettare un impilamento di PCB a quattro strati con o senza capacità di piano. Poiché una elevata capacità di piano non è disponibile su un PCB a quattro strati senza piani di alimentazione e di massa adiacenti, devono essere utilizzati altri approcci. Questo articolo descrive come è meglio progettare un impilamento di PCB a quattro strati insieme a come viene gestita la mancanza di capacità di piano.

Le basi di un impilamento di PCB a quattro strati

Schede a Due Strati

Prima che esistessero i PCB a quattro strati, c'erano le schede logiche a due strati, come mostrato in Figura 1. Queste schede soddisfacevano abbastanza bene le esigenze elettroniche e sono state ampiamente utilizzate prima che le cose diventassero abbastanza veloci da richiedere le connessioni a bassa induttanza ottenute con i piani.

PCB a Quattro Strati

I PCB a quattro strati sono stati il cavallo di battaglia di computer e giochi per 40 anni. Fin dal primo giorno, le schede madri dei PC sono state a quattro strati. E la necessità di schede a quattro strati continuerà solo ad espandersi man mano che vengono sviluppati più prodotti orientati al consumatore.

Gli aspetti tecnici che guidano la progettazione di un PCB a quattro strati sono:

• Due buoni piani che distribuiscono energia che sono continui (solitamente sotto gli strati superficiali).
• Strati di tracce che sono vicini a quei piani in modo che il diafonia e l'impedenza possano essere controllati.

I fattori economici e aziendali chiave nella creazione di un PCB a quattro strati sono produrlo in enormi quantità (fattori di milioni) al costo più basso possibile. Questi volumi sono necessari perché devono essere spesi enormi quantità di denaro per creare gli strumenti che saranno necessari per costruire le schede. I principali vantaggi delle schede a quattro strati includono:

• Le schede a quattro strati si prestano facilmente alle tecniche di laminazione di massa che utilizzano pannelli di 36” x 48”.
• L'immagine per gli strati interni, che sono semplicemente piani, viene realizzata con piastre di esposizione in vetro invece che con pellicole. Questo rende l'attrezzatura più duratura e meccanicamente più stabile.
• Dopo che gli strati interni sono stampati e incisi, prepreg e foglio vengono posizionati all'esterno del laminato.
• Intorno all'esterno di ogni scheda sul pannello di 36” x 48”, ci sono piccoli riferimenti. Il rame sulla parte superiore delle schede viene asportato in modo che i riferimenti siano visibili e il trapano possa essere allineato al modello che si trova all'interno delle schede. Di conseguenza, non c'è bisogno di preoccuparsi degli errori di scorrimento sui pannelli molto grandi.

La Prospettiva di Progettazione

Dal punto di vista della progettazione, l'impilamento a quattro strati del PCB mostrato in Figura 2 è piuttosto semplice. Gli elementi da tenere in mente includono:

• I due strati esterni sono strati di segnale.
• I due strati intermedi sono Vdd e terra.
• La distanza tra ogni strato di segnale e il piano sottostante è impostata a 4 o 5 mil per controllare l'impedenza e il diafonia.
  • Questa distanza costringe i due strati di piano ad essere molto distanti tra loro—40 mil o più.
  • La capacità del piano con uno spazio di 40 mil è minima rispetto a quella che sarebbe se i piani fossero adiacenti (fattore 10 inferiore).
    • La capacità di alta qualità necessaria si trova sul die e sul pacchetto (ne parleremo più avanti).

Altri fattori da tenere in mente riguardo le schede a quattro strati includono:

• Uno spessore di 40+ mil è più che sufficiente per rendere una scheda rigida.
• Con una scheda a quattro strati, le regole di routing per i segnali ad alta velocità sono più rigide perché non si può cambiare strato senza rischio di creare una discontinuità di impedenza.
  • Deve esserci uno sforzo di squadra tra le persone che definiscono i pin dell'IC, le persone che definiscono i pin del pacchetto e le persone che progettano la scheda. Questo deve essere negoziato tra questi tre gruppi.
  • Tutti i segnali ad alta velocità devono iniziare e terminare sullo stesso strato. La figura 3 mostra una foto di una sezione di scheda a quattro strati con tutti i segnali che percorrono lo strato superficiale superiore.

• I fori passanti su una PCB a quattro strati sono vias dritti. Questi vias sono sigillati in modo che nessun contaminante possa passare da un lato all'altro della scheda. Questo tipo di contaminazione può causare perdite da pin a pin sotto un BGA che non possono essere pulite e risultano nel dover scartare l'intero assemblaggio.
  • I vias ciechi su una scheda a quattro strati sono superflui perché farebbero solo la connessione dai vias al primo piano di alimentazione.
  • I vias ciechi aumentano il costo della scheda.

Che dire della mancanza di capacitanza del piano?

Come si può vedere nella Figura 4, e come notato sopra, la capacitanza interplano su una scheda madre PC con uno spazio di 40 mil è minima (circa 5 pF per pollice quadrato di capacitanza del piano). Ma è necessaria una fonte di capacitanza di alta qualità (bassa induttanza) per fornire corrente per caricare le linee di dati e indirizzi.

Questa capacità è fornita integrando grandi quantità di capacità direttamente sul die del circuito integrato (IC) o nel pacchetto del componente. Questa stessa capacità a bassa induttanza costituisce il percorso attraverso il quale le correnti di ritorno trovano la loro via da un piano all'altro quando un segnale cambia strati. Quando ciò è assente, i segnali devono essere instradati da punto a punto rimanendo sullo stesso strato del segnale.

Esempi della capacità sul die dei componenti e dei moduli di memoria includono:

• Un die DDR2 ha più di 100 pF per pin I/O integrati per fornire la carica alle linee che vengono pilotate.
• Un IC power PC ha più di 200 pF per pin I/O integrati per fornire carica quando pilota linee single-ended.
• Un IC power PC ha dell'ordine di 50 nF integrati per fornire la carica al core quando passa dalla modalità sleep a tutta attiva.
• Il processore IC personalizzato progettato per il supercomputer di prossima generazione Blue Gene, che ha un bus di memoria largo 512 bit, ha 190 nF di capacità sul die per supportare il transiente.

Che dire dei PCB a quattro strati con bus larghi?

Inizialmente, la necessità della capacitanza del piano era dovuta al supporto di grandi transitori in commutazione unilaterale, come quelli coinvolti nei sottosistemi di memoria. Tuttavia, con gli ampi bus di oggi, si devono tenere presenti i seguenti fattori.

• Come notato sopra, su una scheda a quattro strati con impilamento segnale/terra/alimentazione/segnale, la capacitanza del piano è molto bassa.
• L'unico "percorso di ritorno" per i segnali che cambiano strato sono i condensatori discreti che funzionano male alle frequenze coinvolte nei bus di dati veloci.
  • Di conseguenza, i segnali devono rimanere sullo stesso strato di segnale per l'intera lunghezza del percorso.
• I circuiti integrati che non dispongono di capacitanza integrata per supportare transizioni rapide saranno performanti in modo scadente su PCB a quattro strati, risultando in sistemi che sperimentano un funzionamento "instabile" e alta EMI.
• A seguito di quanto precede, è richiesta una combinazione di capacitanza integrata e sul pacchetto e si applicano le seguenti considerazioni:
• Con geometrie di IC di 130 nanometri e inferiori, la corrente all'interno dell'IC o del nucleo può spesso raggiungere decine di Ampere in tempi brevi come 15 ps.
  • Transitori di corrente di questa grandezza e velocità non possono essere supportati dalla capacitanza sul PCB a causa dell'induttanza delle palle del pacchetto e delle vie.
• Combinare condensatori con ultra-bassa induttanza montati su un pacchetto BGA ben progettato con la capacitanza sul chip risolve questo problema.

Riassunto:

I PCB a quattro strati sono un pilastro delle industrie dei prodotti informatici e delle console per videogiochi. La progettazione di successo di un impilamento, layout e instradamento di un PCB a quattro strati si basa su regole di progettazione valide, e ci sono modi per fornire capacitanza quando gli strati interni del piano non forniscono sufficiente capacitanza interplano. Questa capacitanza è fornita sul chip sui circuiti integrati o tramite una combinazione di configurazioni sul chip e sul pacchetto.

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Riferimenti:

1. Ritchey, Lee W., e Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design,” Volume 2.
2. Ritchey, Lee W., Diapositive del corso, “2-Day Signal Integrity and High-Speed System Design,” corso di formazione.