Strategie di Routing PCB per Stackup con Elevato Numero di Strati

Le strategie utilizzate per instradare PCB con un numero elevato di strati sono diverse e dipenderanno dalla funzionalità nel PCB. Le schede con un alto numero di strati possono coinvolgere molti tipi diversi di segnali, che vanno da gruppi di interfacce digitali a bassa velocità a molteplici interfacce digitali ad alta velocità con differenti requisiti di integrità del segnale. Questo rappresenta una sfida dal punto di vista della pianificazione dell'instradamento e dell'assegnazione degli strati di segnale alle varie interfacce.

Non possiamo menzionare le strategie di instradamento in PCB con un alto numero di strati senza menzionare anche il design del pinout in molte BGA. Una BGA con un alto numero di pin può contenere molte diverse interfacce digitali, in particolare se il componente è un tipico microprocessore o un FPGA. Questo è uno dei driver più comuni di un alto numero di strati nel PCB.

Poiché abbiamo molteplici sfide che si presentano simultaneamente in un design con un alto numero di strati, passerò in rassegna queste sfide e alcune strategie che puoi utilizzare per instradare con successo un PCB con un alto numero di strati.

Cosa Determina un Alto Numero di Strati nel PCB?

Come ho menzionato nell'introduzione, il fattore più comune che porta un PCB ad avere un numero elevato di strati è la presenza di un grande BGA. Questi componenti hanno un alto numero di pin sul lato inferiore del dispositivo e richiederanno più strati affinché i segnali possano raggiungere i pin. Poiché questi componenti sono spesso ASIC specializzati, microprocessori o FPGA, contengono anche molte interfacce digitali con diverse esigenze di integrità del segnale e di routing, così come molti pin di alimentazione e di terra.

Molti progettisti ricorderanno la formula semplice per stimare il numero di strati necessari per raggiungere tutti i pin su un BGA. Quando il passo del BGA è abbastanza grande da permettere il routing di un segnale tra i pin, possiamo inserire due file di pin del BGA per strato di segnale:

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Per un pacchetto BGA a passo largo dove possiamo inserire le tracce tra le sfere, possiamo instradare 2 file/colonne per strato.

Alcune impronte BGA possono essere piuttosto complesse con sfere mancanti nelle file interne. Un esempio è mostrato di seguito; è probabile che questo BGA non seguirà lo stesso calcolo del numero di strati usato per il BGA standard mostrato sopra.

Scopri di più in questo articolo con Charlie Yap.

Quando il componente ha un pitch molto fine e non possiamo inserire tracce tra i pad nell'impronta BGA, dobbiamo raddoppiare il numero di strati richiesti. Quando molti dei pin sono di alimentazione e massa, il numero di strati sicuramente diminuirà. È anche possibile che un gran numero di pacchetti quad produca la necessità di un alto numero di strati. Ai livelli più alti, questi possono avere un paio di centinaia di pin, certamente non il numero elevato che si vedrebbe su un BGA di dimensioni moderate.

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Strategia di Routing 1: Nessuna Strategia!

La strategia "nessuna strategia" è di gran lunga la più semplice e si concentra solo sulla minimizzazione del numero di strati garantendo al contempo la risolvibilità. Può iniziare selezionando il numero richiesto di strati e procedendo con il routing dal BGA utilizzando un approccio standard di fan-out, applicando un numero fisso di strati e cercando di inserire tutte le tracce, o effettuando il routing liberamente e aggiungendo nuovi strati di segnale secondo necessità. Si applica quando:

• Non ti preoccupi di separare specifiche di impedenza diverse in strati differenti
• Tutte le interfacce non hanno una specifica di impedenza, come SPI
• Tutte le interfacce hanno lo stesso requisito di impedenza
• Il numero di interfacce con specifiche di impedenza è piccolo (forse 1 o 2)

Non c'è bisogno di dire che il routing con questa strategia potrebbe non sembrare molto organizzato, ma la ridotta attenzione all'integrità del segnale a favore della risolvibilità può aiutare a mantenere il numero di strati inferiore rispetto ad altre strategie.

Questa interfaccia parallela parte da un BGA (angolo in basso a destra) e si dirige verso un modulo LCD aggiuntivo (angolo in alto a sinistra).

Strategia 2: Dare Priorità agli Strati per Interfaccia

In questa strategia, specifiche interfacce controllate per impedenza ricevono le loro assegnazioni di strato e sono principalmente instradate in questi strati. Il produttore adotta quindi un approccio di impedenza controllata e determina le proprietà elettriche che verranno utilizzate quando costruiranno il vostro stack-up. Questo tipo di strategia può essere utilizzato quando ci sono molteplici interfacce ad alta velocità che richiedono il controllo dell'impedenza e che possono avere diversi valori di impedenza target. In alcuni casi, con interfacce differenziali, hanno lo stesso obiettivo di impedenza nominale ma possibilmente un diverso requisito di larghezza di banda, il che richiederà l'uso di diverse larghezze di linea e spaziature per le diverse interfacce.

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Nelle immagini di esempio qui sotto, mostro molteplici interfacce digitali assegnate a diversi strati in uno stack-up a 16 strati. Le interfacce coinvolte sono:

• DDR4
• CSI-2
• 1 Gbps LVDS
• 10 Gbps Ethernet

E osserva come queste sono separate in diversi strati nei plot sottostanti.

Routing ad alta velocità di molteplici interfacce digitali in un PCB con un elevato numero di strati.

Noterai che ci sono alcuni spazi vuoti su questi strati. È importante ricordare che, in questa strategia di strati, l'obiettivo principale è rendere più semplice per il produttore specificare l'impedenza. Quando c'è solo una specifica di impedenza per strato, è molto più facile per il produttore produrre un impilamento che raggiunga questi obiettivi per ogni interfaccia.

Lo svantaggio è che tende a risultare in un numero maggiore di strati, così come spazi vuoti su alcuni strati. Se necessario, puoi riempire alcuni degli spazi vuoti con ulteriore terra o rame per binari di alimentazione. Preferisco utilizzare questo spazio per i binari di alimentazione in alcuni progetti poiché potrebbe permettermi di eliminare completamente uno strato di alimentazione. Inoltre, puoi comunque utilizzare questi strati controllati per impedenza per segnali a bassa velocità o di configurazione, purché non siano raggruppati troppo vicino alle tue tracce ad alta velocità.

Strategia 3: Strati ad Alta Velocità e Bassa Velocità

In questa strategia, il numero di interfacce che richiedono un'impedenza controllata è tipicamente basso, oppure tutte le interfacce a impedenza controllata richiedono la stessa impedenza. Questo ti permette di separare i segnali in strati dedicati ad alta e bassa velocità. Questo è simile a ciò che potresti fare in una scheda a sei strati con quattro strati di segnale, dove i tuoi strati di segnale a bassa velocità potrebbero essere posizionati uno accanto all'altro.

Questo tipo di strategia è adatta al routing ortogonale, in particolare se i segnali a bassa velocità sono presenti su strati adiacenti. Ad esempio, vedi il routing mostrato di seguito, che utilizza direzioni di routing ortogonali tra due componenti su due strati differenti.

Questi I/O fanno parte di un'interfaccia SDRAM e possono essere facilmente instradati al chip di memoria con un approccio di routing ortogonale.

Il routing in questa strategia avrà meno sfide di integrità del segnale perché molti dei segnali tendono ad essere a bassa velocità. Pertanto, questo approccio aiuta a mantenere un conteggio degli strati ragionevole.

Strategia 4: Combinare Alimentazione e Alcuni Segnali

Un'altra strategia di routing che implemento spesso in schede con un alto numero di strati è quella di combinare alcuni segnali e binari di alimentazione in un unico strato.

Un motivo comune per cui il numero di strati diventa elevato non è solo a causa di un grande numero di segnali o interfacce che richiedono il routing. Il conteggio degli strati può anche aumentare a causa di molteplici linee di alimentazione e alimentatori. Un progettista principiante potrebbe credere che un PCB richieda un piano di alimentazione dedicato per ogni linea di alimentazione, ma ciò creerebbe un gran numero di strati con più rame del necessario. Invece, una strategia migliore è utilizzare le linee di alimentazione disegnate come poligoni.

Nei strati in cui sono disegnate le linee di alimentazione, è accettabile utilizzare quegli strati per il routing dei segnali. In particolare, ha senso instradare segnali a bassa velocità o segnali di configurazione in questi strati. Vedo molti esempi di questo nella serie 1-Minute Design Review, che assomiglia a qualcosa come l'esempio di routing mostrato di seguito.

Il routing negli strati di alimentazione è appropriato purché sia mantenuta una distanza sufficientemente grande.

Questo approccio può essere utilizzato all'interno della Strategia 2, poiché consente di utilizzare gli strati rimanenti che non sono assegnati a terra per segnali a bassa velocità. I segnali ad alta velocità possono comunque ottenere i propri strati sotto la Strategia 2 secondo necessità. Questo aiuta a mantenere il conteggio degli strati da diventare troppo elevato eliminando la necessità di piani di alimentazione dedicati e strati di segnali a bassa velocità dedicati.

Inoltre, è ancora possibile tracciare percorsi a impedenza controllata in strati che contengono binari di alimentazione. Tipicamente, il routing in uno strato con terra coplanare richiede l'applicazione di una regola di distanza per prevenire che una capacitività eccessiva influenzi l'impedenza del tracciato. Lo stesso principio si applica quando si effettua il routing vicino ai binari di alimentazione. Invece di utilizzare una regola globale di distanza elettrica, è meglio creare una regola specifica per rete e strato per imporre questa distanza. In Altium Designer, è possibile impostare questa regola di distanza utilizzando una query personalizzata, utilizzando le condizioni InNet (o InNetClass) e InLayer.

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