Capacitanza Interpiano e Impilamenti PCB

Questo articolo ha lo scopo di fornire approfondimenti sulla capacità interplanare e guida per il processo di progettazione degli stackup PCB. È utile osservare l'evoluzione della tecnologia nel tempo per vedere come siano cambiate le esigenze relative allo stackup dei PCB.

Nei primi giorni della fabbricazione dei PCB, i circuiti logici erano così lenti che le uniche preoccupazioni erano come realizzare connessioni tra parti logiche o discrete e fornire un percorso per l'alimentazione DC a ogni parte. Tutto ciò che si doveva fare era fornire abbastanza strati di segnale per tutti i fili e abbastanza rame nei percorsi di potenza per consegnare l'alimentazione DC con un minimo di calo o abbassamento. Non importava quale fosse il tessuto di vetro usato nel laminato e nel prepreg, o quale fosse il sistema di resina, o quanto fosse spesso ogni pezzo di laminato. L'obiettivo era il PCB al prezzo più basso che potesse resistere al processo di saldatura e fosse affidabile.

Alla fine, i circuiti integrati (IC) divennero abbastanza veloci da rendere problematiche come le riflessioni e il diafonia rilevanti. La famiglia logica che realizzò ciò fu l'ECL. In quel periodo, i principali utilizzatori di ECL erano grandi aziende informatiche come IBM, Control Data e Cray Research. Queste aziende avevano ingegneri in organico che eseguivano i calcoli di impedenza necessari per progettare gli stackup e disponevano di proprie strutture interne per la fabbricazione di PCB, poiché i fabbricanti del mercato pubblico non avevano ancora le capacità per esercitare il controllo della fabbricazione necessario per soddisfare i loro requisiti.

Nella metà degli anni '80, il TTL, il tipo di logica più comune all'epoca in uso, divenne abbastanza veloce da rendere le riflessioni un problema che richiedeva PCB con impedenza controllata. Pochi, se non nessuno, degli ingegneri che progettavano con TTL e CMOS avevano una comprensione di come ottenere un PCB con impedenza controllata, quindi esigevano che il fabbricante fornisse PCB con un'impedenza nota, solitamente 50 ohm. I fabbricanti non avevano questa capacità poiché il loro insieme di competenze includeva la placcatura, l'incisione, la laminazione e la foratura. Tuttavia, gli ingegneri esigevano che i fabbricanti facessero i calcoli dell'impedenza. L'autore era presente in quel periodo e trascorse molte ore ad aiutare i fabbricanti a sviluppare la capacità di calcolare l'impedenza. La loro abilità in questo compito era molto a tentativi e, in molti casi, lo è ancora oggi.

Poco dopo, il diafonia tra le tracce disposte una accanto all'altra è diventata un problema che ha richiesto ai progettisti di prestare attenzione a quanto vicine fossero disposte le tracce lateralmente e una sopra l'altra.

Entro la metà degli anni '90, le velocità erano aumentate a tal punto che la maggior parte dei prodotti non superava i test EMI a causa della necessità di una capacitanza che funzionasse sopra i 100 Mhz. Nessuno dei condensatori discreti posizionati sui binari di alimentazione poteva risolvere questo problema a causa della loro induttanza di montaggio. Ciò ha dato origine a ciò che è noto come capacitanza interplanare o capacitanza sepolta. La capacitanza interplanare è creata posizionando i piani di alimentazione e di massa molto vicini tra loro, tipicamente, meno di 3 mils.

Ora, abbiamo quindi tre esigenze poste sul design dello stackup: impedenza controllata, controllo della diafonia e la necessità di capacitanza interplanare. Alcuni fabbricanti potrebbero ottenere l'impedenza corretta in uno stackup, ma non c'è modo per loro di tenere conto degli altri due fattori. Questa responsabilità ricade sull'ingegnere progettista, che è l'unico che sa cosa è necessario e come implementare il controllo richiesto.

Entro la metà degli anni 2000, la velocità di molte coppie differenziali era diventata così elevata che la trama di vetro utilizzata nel laminato e nel prepreg poteva indurre un fenomeno noto come skew, che distruggeva il segnale. Lo skew è il disallineamento dei due lati di una coppia differenziale quando arrivano al ricevitore. Inoltre, le perdite nel laminato iniziarono ad influenzare questi segnali ad alta velocità, costringendo il team di ingegneria a cercare laminati a bassa perdita che soddisfacessero gli obiettivi di perdita così come tutti i requisiti sopra menzionati. Una discussione dettagliata sui materiali disponibili per soddisfare tutte queste esigenze è contenuta nel Capitolo 3 di questo documento.

Per tutte le ragioni discusse sopra, l'ingegnere progettista deve prendere in mano la progettazione. Per fare ciò con successo, è essenziale una comprensione approfondita del processo di fabbricazione e dei materiali. Questa sezione coprirà tutti gli argomenti coinvolti nella progettazione degli stackup di PCB che soddisfano i quattro vincoli: impedenza controllata, gestione del crosstalk, creazione di una capacitancia interplano adeguata e specifica della trama corretta per gestire lo skew.

ORGANIZZAZIONE DEI STRATI CON LA CAPACITANZA INTERPLANO IN MENTE

Una volta determinato il numero di piani di alimentazione, piani di massa e strati di segnale per un determinato progetto, organizzarli in modo che tutte le regole di integrità del segnale siano rispettate e le esigenze di erogazione di potenza siano soddisfatte è una serie di compromessi. Se c'è la necessità di capacitanza tra i piani, sarà necessario disporre gli strati in modo che i piani di terra e di tensione siano vicini l'uno all'altro. La Figura 2.1 è un esempio di compromessi tra gli strati di instradamento e la capacitanza del piano di alimentazione per un PCB a dieci strati. Lo stackup sul lato sinistro della Figura 2.1 ha sei strati di segnale, ma ha solo una coppia di piani vicini. Questo è buono per lo spazio di instradamento, ma non così buono per l'erogazione di potenza se c'è la necessità di capacitanza tra i piani. Lo stackup sul lato destro ha solo quattro strati di instradamento (i due strati esterni sono troppo lontani dal piano più vicino per ottenere l'impedenza corretta), ma ora ha due set di coppie di piani. Questo è buono per la capacitanza tra i piani, ma non altrettanto buono per lo spazio di instradamento.

Figura 2.1 Due Modi Possibili per Disporre gli Strati in un PCB a Dieci Strati.

In entrambi i casi sopra citati, tutti gli strati di segnale sono accoppiati con piani attraverso pezzi di laminato eccetto i due strati esterni. Come accennato in precedenza, questi strati saranno troppo lontani dal piano più vicino per raggiungere l'impedenza appropriata. Possono essere utilizzati per tracce di alimentazione e pad di montaggio dei componenti.

Una volta determinata la disposizione degli strati, il passo successivo è selezionare lo spessore di ogni strato dielettrico per ottenere le migliori prestazioni al minor costo. Per minimizzare il diafonia, è consigliabile selezionare il laminato più sottile che soddisfi gli obiettivi di SI per lo spazio tra gli strati di segnale e i loro partner piani. Una volta fatto ciò, viene calcolata la larghezza della traccia necessaria per raggiungere l'impedenza target. In seguito, viene selezionato lo spessore del prepreg tra i piani di alimentazione per soddisfare i requisiti di tensione di rottura e permettere abbastanza resina per riempire i vuoti nei piani adiacenti. Questo sarà solitamente un singolo strato di vetro che inizia con tre mils di spessore e si comprime fino a circa 2,5 mils.

Nell'esempio a destra nella Figura 2.1, ci sono tre strati di prepreg che rimangono da scegliere. Questi sono quello al centro dello stackup e i due appena sotto gli strati esterni. (Gli strati esterni in questo stackup non sono utilizzabili come strati a impedenza controllata, quindi la loro altezza sopra i piani sottostanti non è critica.) Lo spessore di tutti e tre questi spazi può essere utilizzato per aggiungere materiale al fine di raggiungere lo spessore finale desiderato poiché le variazioni di spessore in queste tre aree hanno poco effetto sulle prestazioni complessive del PCB.

DOCUMENTAZIONE DELLO STACKUP DEL PCB

Man mano che la velocità dei segnali continua ad aumentare, le richieste poste sul PCB diventano più complesse. Alcune di queste richieste, come menzionato sopra, sono l'impedenza controllata, il crosstalk controllato, la capacità interplanare, la gestione della perdita di percorso e il controllo dello stile della tessitura in vetro.

Per queste ragioni, anche la documentazione richiesta è diventata più complessa. Il disegno dello stackup deve contenere più informazioni rispetto al passato, e le note di fabbricazione dovranno essere ampliate. La Figura 2.2 è un esempio della quantità di informazioni che devono essere incluse nel disegno dello stackup per garantire che il PCB sia fabbricato correttamente. Si noti che non ci sono informazioni sull'impedenza nello stackup. Il motivo è che tutte le altre richieste devono essere soddisfatte. Pertanto, il disegno dello stackup specifica la sezione trasversale complessiva del PCB che soddisfa tutti gli obiettivi di SI. L'ingegnere progettista deve determinare tutto ciò, inclusa l'impedenza, e specificare la sezione trasversale totale.

Figura 2.2 Un Disegno di Stackup con Informazioni Adeguat

CAPACITÀ INTERPLANO E ALTRE CALCOLAZIONI RICHIESTE NELLA PROGETTAZIONE DI UNO STACKUP

Come accennato in precedenza, ci sono una serie di calcoli che devono essere effettuati per arrivare a un disegno finale dello stackup e alle regole di routing per un progetto. Tra questi ci sono;

• Impedenza

• Spaziatura per il cross talk

• Capacità interplano richiesta

• Perdita di traccia ammissibile

• Skew ammissibile

CALCOLO DELL'IMPEDENZA

Il metodo più accurato per calcolare l'impedenza è utilizzare uno strumento che impiega le equazioni di Maxwell. Il metodo meno affidabile è utilizzare una qualsiasi delle equazioni che una volta erano l'unica scelta disponibile. Sul mercato esistono numerosi prodotti che utilizzano le equazioni di Maxwell in un risolutore di campo 2D. Ognuno di questi può produrre risposte accurate a condizione che vengano utilizzati i corretti costanti dielettriche. La costante dielettrica corretta per ogni tipo di laminato si ottiene dalle informazioni sul laminato fornite dal produttore. La Tabella 2.1 è un tipico foglio informativo sui laminati con la costante dielettrica (er o Dk) come funzione della frequenza. Si noti che il Dk varia sia con il contenuto di resina sia con la frequenza. È imperativo utilizzare il valore corretto quando si calcola l'impedenza. Sfortunatamente, l'autore ha scoperto che molti fabbricanti non utilizzano i valori corretti di Dk quando calcolano l'impedenza, risultando in PCB fabbricati con un'impedenza errata.

Informazioni cortesia di Isola

Tabella 2.1 Un Tipico Tavolo di Informazioni sui Laminati

Gli strumenti per il calcolo dell'impedenza comunemente disponibili nell'industria dei PCB includono:

• Polar Instruments SI8000 e SI9000

• Mentor Graphics Hyperlynx

• Z-ZERO

• Cadence

• HFSS

• ADS

Tutti questi strumenti producono impedenze accurate e sono comparabili in termini di precisione. Polar SI8000 è lo strumento più comunemente utilizzato dai fabbricanti.

Una nuova alternativa è disponibile dall'introduzione di Altium Designer^® 19, il Stackup Manager utilizza il risolutore Simbeor SFS per calcoli di impedenza accurati con una precisione validata e verificabile. Guardalo in azione: 

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CALCOLO DELLO SPAZIAMENTO PER IL CROSSTALK

Il crosstalk è l'interazione indesiderata tra due tracce che sono troppo vicine tra loro. Gli stackup nella Figura 2.1 hanno coppie di strati di segnale uno sopra l'altro. Se un segnale in uno di questi strati si trova sopra uno nell'altro strato, il crosstalk aumenterà così rapidamente che nessuna quantità di sovrapposizione alle velocità della tecnologia attuale può essere permessa senza causare un problema di crosstalk. L'unica strategia di routing sicura in questo caso, è di instradare uno strato nella direzione X e l'altro nella direzione Y.

Quando le piste corrono una accanto all'altra nello stesso strato, è necessario prestare attenzione affinché la distanza tra le piste e l'altezza del piano più vicino siano tali da soddisfare gli obiettivi di diafonia. L'unico modo per arrivare a regole di spaziatura affidabili è utilizzare uno degli strumenti di simulazione creati per questo scopo. Regole come 2H o 3H sono arbitrarie e non sicure da usare.

CALCOLO DELLA CAPACITÀ INTERPIANO

La capacità interpianto, ovvero la capacità formata da due piani vicini tra loro, si è dimostrata necessaria per fornire le correnti di commutazione molto rapide richieste dalla logica moderna per pilotare le linee di trasmissione e fornire corrente ai nuclei degli IC. La mancata inclusione di sufficiente capacità interpianto in un progetto è la causa più comune di fallimenti EMI.

Determinare la quantità di capacità interpianto necessaria si ottiene impiegando uno degli strumenti analitici progettati per questo scopo. Il design dello stackup del PCB non può essere completato senza eseguire questa analisi.

PERDITA DI TRACCIA ACCETTABILE

Man mano che la velocità dei collegamenti dati continua ad aumentare, il potenziale di degradazione del segnale a causa delle perdite lungo il percorso del segnale, dalle perdite nei dielettrici e nel rame, può diventare significativo. Decidere se la perdita in un percorso proposto sia accettabile in base alla larghezza della traccia e alle proprietà di perdita del dielettrico è un'analisi complessa che richiede uno strumento come ADS, HFSS, Hyperlynx Gigahertz o uno strumento simile.

Ci sono numerosi laminati sul mercato che sono stati progettati per avere perdite molto basse. Decidere quando un progetto necessita di uno di questi dipende da quattro fattori. Questi sono:

• Lunghezza del percorso del segnale

• Contenuto in frequenza di questo segnale

• Capacità della coppia trasmettitore/ricevitore di compensare la perdita

• Rugosità del rame nei piani e sulle tracce

La larghezza della traccia non è inclusa in questa lista perché è stato dimostrato che, per le larghezze di traccia consentite nella maggior parte dei progetti, cambiare la larghezza della traccia per ridurre la perdita (rendendo le tracce più larghe), non è un metodo utile per ridurre la perdita.

SCARTO AMMISSIBILE

Lo skew è il disallineamento temporale dei due segnali in una coppia differenziale al loro arrivo al ricevitore. La principale fonte di skew indesiderato è la differenza nei tempi di percorrenza su ogni traccia a causa del modo disomogeneo in cui sono spaziate le fibre nella tessitura del vetro. Man mano che la velocità dei collegamenti delle coppie differenziali continua ad aumentare, l'effetto di una tessitura errata può causare il fallimento di un progetto a causa dell'eccesso di skew. 

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