La sfida della progettazione dello stackup di PCB ad alta velocità

Per quanto ci piacerebbe costruire ogni PCB ad alta velocità perfettamente, con caratteristiche ideali di SI/PI/EMI, non è sempre possibile a causa di molte limitazioni pratiche. A volte uno stackup può essere "sufficientemente buono", anche per un PCB ad alta velocità. Questo deriva sempre dalla necessità di bilanciare i vincoli ingegneristici, i requisiti funzionali e la necessità di garantire l'integrità del segnale e dell'alimentazione in un progetto ad alta velocità, e infine di assicurare la conformità con i requisiti EMC.

Anche con tutte le buone linee guida disponibili per il design ad alta velocità, ci sono aspetti particolari della costruzione dello stackup e della loro relazione con la costruzione delle schede che vengono trascurati. Il mio obiettivo qui è andare oltre le solite linee guida SI/PI e guardare a questi problemi da una prospettiva più ingegneristica. Quando dico "prospettiva ingegneristica", mi riferisco a tutti gli altri vincoli in un prodotto che guidano il design della scheda.

Traduci i Vincoli del Prodotto nelle Necessità dello Stackup

Se partiamo dalla prospettiva ingegneristica, dovremmo iniziare sviluppando un elenco di vincoli e requisiti funzionali per il sistema che vogliamo costruire. In un PCB ad alta velocità, generalmente partiamo con un particolare componente che vogliamo utilizzare. Quando lavoriamo su progetti per clienti, questo sarà quasi sempre un processore specifico e i suoi periferici (CPU o FPGA, memorie, altri chip specializzati, ecc.). Un esempio di elenco di vincoli che potrebbero applicarsi in un tipico progetto di PCB ad alta velocità include:

• Numero di pin del componente principale e dimensione dei piedini (ad es., BGA)
• Conteggio degli I/O nei componenti di grandi dimensioni, che determina il numero di strati
• Numero di interfacce, così come il numero di segnali in ciascuna interfaccia
• Obiettivo di spessore della scheda, che può essere o menospessore standard (62 mils)
• Obiettivo di perdita rispetto alla dimensione della scheda

Perché iniziare con questo elenco? Questo perché i componenti utilizzati riflettono i requisiti funzionali, e i requisiti funzionali guideranno elementi come il conteggio degli I/O, e quindi il conteggio dei segnali. Quindi, prima di iniziare a sfogliare materiali disponibili sul mercato, o prima di iniziare a utilizzare un impilamento standard, assicurati di avere alcune risposte alle domande sopra.

Esempio di parametri di impilamento per una scheda a 22 strati con materiali FR4. Con un nucleo FR4 e un set di prepreg, lo spessore dei tuoi strati può essere maggiore, portando a uno spessore della scheda anch'esso piuttosto grande (circa 3 mm in questo caso). L'utilizzo di materiali alternativi può consentire di ottenere una scheda più sottile e, eventualmente, ridurre il numero di strati.

Ora proviamo a integrare questa lista con l'impilamento ideale per PCB ad alta velocità e vediamo se possiamo trovare una convergenza.

• I livelli di segnale devono avere strati di terra adiacenti per fornire isolamento
• Gli strati di alimentazione necessitano di uno strato di terra adiacente
• Se i canali sono molto lunghi, potrebbe essere preferibile un materiale a bassa perdita
• Lo spessore degli strati potrebbe richiedere un via più piccolo (cieco o cieco/interredato) per colpire gli I/O
• Sono necessarie larghezze di linea specifiche e spaziature di coppie differenziali per raggiungere gli obiettivi di impedenza

Quando arriviamo a schede avanzate con un alto numero di strati, vediamo la convergenza tra i materiali HDI e la funzionalità ad alta velocità. Gli impilamenti HDI che richiedono un'impedenza controllata e supportano interfacce ad alta velocità creeranno sfide con larghezze di linea e spaziature, al punto che potrebbe essere necessaria una lavorazione non standard. Il processo sottostante esaminerà le sfide di progettazione e dovrebbe illustrare le considerazioni DFM che sono necessarie in questi prodotti.

1. Inizia con lo Spessore della Scheda e dei Strati

Un punto importante da notare nelle PCB ad alta velocità con un alto numero di I/O è lo spessore dei loro strati, che può essere molto sottile. A volte c'è un malinteso secondo cui passare a un numero molto alto di I/O costringa ad utilizzare una scheda più grande dello spessore standard perché il numero di strati diventa elevato. Questo non è necessariamente il caso; esistono materiali che possono aiutare i progettisti a rimanere all'obiettivo di dimensione standard della scheda, ma con spessori di strato ridotti.

Il motivo per cui ci interessa lo spessore dello strato in un design ad alta velocità è perché determinerà la larghezza della linea richiesta per raggiungere un obiettivo di impedenza. Man mano che lo spessore di uno strato di segnale si riduce, anche la larghezza della linea richiesta per i segnali controllati in impedenza si riduce.

• Scopri di più sulle larghezze di linea su dielettrici sottili

Nel caso in cui hai raggiunto il tuo limite sullo spessore della scheda e hai ancora bisogno di ottenere uno spessore di strato più sottile, ciò può portare le larghezze di linea al di sotto delle capacità di un processo di fabbricazione standard o del processo di produzione HDI. Esistono materiali che possono essere utilizzati per ottenere uno spessore minore senza ridurre anche la larghezza della linea? La risposta potrebbe risiedere nell'uso di un materiale a basso Dk.

2. Quando Dovresti Usare Materiali PTFE o a Basso Dk?

Non riesco a contare quante volte un cosiddetto esperto ha affermato che i laminati a basso Dk o i substrati in PTFE dovrebbero sempre essere utilizzati nelle PCB ad alta velocità come regola generale. È importante ricordare che le PCB ad alta velocità coprono un'ampia gamma di possibili velocità di trasmissione dati, velocità di transizione, larghezze di banda e larghezze di traccia. Ci sono molti progetti che potrebbero essere comodamente definiti "ad alta velocità" ma non sono costruiti con un laminato a basso Dk. Allo stesso modo, ci sono molti progetti ad alta velocità nel campo HDI che utilizzano anche un laminato a basso Dk, ma non è sempre perché necessitano di avere una bassa perdita di inserzione.

Probabilmente il materiale a basso Dk più citato è il PTFE riempito di ceramica, che copre una vasta gamma di materiali possibili. Il valore Dk dei materiali basati su PTFE è modulato attraverso l'aggiunta di riempitivi ceramici, quindi un substrato in PTFE indurito potrebbe avere una vasta gamma di valori. Ad esempio, i materiali in PTFE potrebbero avere valori Dk che vanno da circa 3 a circa 10, tutti con perdite inferiori rispetto ai laminati FR4 standard. Qui puoi vedere una selezione di materiali in PTFE.

Le tre principali ragioni per utilizzare un materiale a basso Dk in schede ad alta velocità avanzate con strati di segnale sottili sono:

1. Le larghezze delle linee possono essere maggiori rispetto a un materiale ad alto Dk per lo stesso obiettivo di impedenza (Vedi il grafico sopra)
2. Se il materiale non è rinforzato, non ci sarà alcuna deviazione dovuta all'effetto della trama della fibra
3. Possono essere disponibili come laminati sottili, quindi possono essere utilizzati quando il numero di strati è elevato

Questi tre motivi illustrano perché, quando si arriva a un numero elevato di strati, il ritardo di propagazione più veloce in un laminato a basso Dk è insignificante, contrariamente al senso comune. Per i professionisti che lavorano su schede avanzate, il problema della larghezza delle linee dominerà, specialmente quando si progettano schede con un alto numero di strati e stripline a impedenza controllata.

3. Bilanciare la Perdita e il Valore di Dk

Quando lo spessore del strato è piccolo, anche la larghezza della linea necessaria per raggiungere una determinata impedenza sarà piccola. Se la larghezza della linea è troppo piccola, allora la lavorazione può essere più complessa e i costi possono aumentare. Questo illustra perché il punto #1 sopra è importante; un Dk più basso consente larghezze di linea maggiori per uno spessore di substrato dato.

Per bilanciare bassa perdita e alto Dk, ci sono materiali con Dk che varia da 3.5 a 4 con tangenti di perdita inferiori rispetto allo standard FR4; Rogers e Isola sono due aziende che producono questi laminati, e mi sembra di ricordare un altro materiale disponibile da ITEQ con tangente di perdita ~0.01.

Se è necessario un basso Dk in un PCB ad alta velocità a livello HDI, probabilmente dovrà essere rinforzato con vetro. Questo potrebbe essere rinforzato con vetro diffuso a ~5 mils, ma spessori inferiori potrebbero necessitare di una trama lenta per il rinforzo. Il rinforzo con vetro diffuso intende minimizzare l'accumulo di skew quando il materiale è utilizzato per strati di segnale. La ragione principale di ciò è la fabbricabilità:

1. I laminati PTFE non rinforzati sono molto flessibili, specialmente in strati sottili, al punto che possono essere difficili da maneggiare e posizionare in un impilamento.
2. A causa del punto #1, potrebbe verificarsi una certa disallineazione durante la costruzione dell'impilamento degli strati nel processo standard.

4. Se il Basso Dk Non È Sempre Necessario, Perché Gli Progettisti RF Lo Utilizzano?

I laminati in PTFE sono molto apprezzati nella comunità RF, e ci sono buone ragioni per cui li usiamo, ma non credo che i progettisti digitali sappiano esattamente perché. La ragione più comunemente citata è il basso valore di perdita di alcuni laminati e strati di adesione in PTFE, come i materiali della serie RO3000.

Una ragione per cui i valori di Dk sono scelti con cura nelle schede RF è per bilanciare la dimensione del circuito con la perdita. Infatti, se guardate l'elenco dei laminati in PTFE sopra, vedrete che alcuni laminati in PTFE ad alto Dk hanno perdite minori rispetto al FR4 (basta calcolare la parte immaginaria della costante dielettrica). Un valore di Dk più alto fornisce circuiti più piccoli a basse frequenze (ad es., RF sub-GHz), ma un Dk più basso può aiutare a garantire che qualcosa sia realizzabile ad alte frequenze (ad es., radar).

L'altro motivo per cui si utilizzerebbe un laminato in PTFE è perché le schede RF tendono ad avere canali molto più lunghi rispetto alle schede digitali, quindi i meccanismi di perdita dominanti saranno legati alla propagazione. Questi sono la perdita dielettrica e la perdita dovuta alla rugosità del rame. I materiali in PTFE a basso Dk di oggi hanno angoli di perdita molto bassi, il che si traduce in una bassa perdita dielettrica. Questi laminati possono anche accettare rame VLP con rugosità molto bassa, quindi possono offrire anche perdite di rame inferiori rispetto al rame elettrodepositato standard.

5. Materiali per Capacitanza Integrata (ECM)

Per aiutare l'integrità della potenza, il dielettrico che riempie tra le coppie di piani di potenza e di massa dovrebbe essere scelto correttamente. La saggezza convenzionale sui materiali a bassa perdita e a basso Dk è nuovamente errata qui. Il materiale utilizzato tra una coppia di piani di potenza/massa non dovrebbe essere un materiale a basso Dk. Invece, dovrebbe avere un valore Dk elevato e alte perdite. Questi strati dovrebbero anche essere il più sottili possibile.

L'industria ha risposto con materiali ad alto Dk molto sottili che possono essere incorporati nei sistemi resina-vetroresina. Questi materiali di capacitanza incorporata non sono necessari per l'integrità della potenza, ma sono certamente utili nelle PCB ad alta velocità con un elevato numero di strati. Ci sono tre motivi per questo:

1. L'alto Dk fornisce più capacitanza del piano
2. Strati ECM più sottili hanno più capacitanza del piano
3. L'alta perdita nello strato ECM smorza molto rapidamente le fluttuazioni di potenza

I valori di Dk di questi materiali possono variare da ~4 a ~10 da 100 MHz a 1 GHz. Questa è esattamente la regione in cui vorremmo avere una capacitanza del piano che può smorzare le risonanze del piano di potenza e qualsiasi mancanza di capacitanza sul chip/nell'imballaggio. Lo spessore di questi materiali sarà dell'ordine dei micron. Alcune aziende che producono questi materiali includono 3M e DuPont; un altro materiale ben noto è FaradFlex. Poiché questi materiali hanno anche spessori di strato piccoli, possono essere utilizzati in impilamenti con un alto numero di strati.

• Scopri di più sugli effetti dei materiali ECM ad alto Dk sull'integrità della potenza

Considerazioni Finali

Nel processo di progettazione dello stackup di PCB ad alta velocità, l'atto di costruire uno stackup di PCB rappresenta circa l'ultimo passo del processo. Ciò che ci interessa molto di più sono il numero di strati e lo spessore in confronto alla dimensione dei piedini dei componenti e al fanout. Da qui puoi avvicinarti alla selezione dei materiali per i layer dei segnali, e puoi valutare materiali con capacità incorporata per coppie di piani di alimentazione/massa.

Se stai progettando una scheda più semplice, come una scheda a 4 strati per alta velocità, hai davvero solo due cose da determinare: lo spessore del layer esterno e il valore di Dk. Insieme, questi determineranno la larghezza della traccia di cui hai bisogno per ottenere un'impedenza terminale singola, seguita dallo spazio per un'impedenza differenziale target.

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