Ograniczenia projektowe wynikające ze stosu warstw PCB

Stackup PCB określa znacznie więcej niż tylko liczbę warstw miedzi na płytce. Wyznacza fizyczne ograniczenia, które kontrolują geometrię przelotek, szerokość ścieżek, odstępy, gęstość trasowania, impedancję, grubość miedzi oraz sekwencję produkcji. Co najważniejsze, samo dodanie warstw lub przelotek blind/buried nie daje nieograniczonej swobody trasowania — zamiast tego zmienia ograniczenia projektowe i może ograniczyć możliwość poprowadzenia połączeń, montażu i/lub wykonania projektu.

Na szczęście zrozumienie tych czynników pomaga projektantom podejmować lepsze decyzje dotyczące stackupu, zamiast traktować większą liczbę warstw i zaawansowane układy przelotek jako protezę. Najgorszy scenariusz to ukończenie projektu tylko po to, by odkryć, że nie da się go wyprodukować przy ograniczeniach zastosowanych podczas tworzenia layoutu. Projektanci mogą uniknąć tych problemów, rozumiejąc, jak stackup PCB determinuje konkretne reguły projektowe w układzie PCB.

Jak stackup PCB wpływa na reguły projektowe

Wraz ze wzrostem liczby komponentów i gęstości połączeń zwykle rośnie także liczba warstw PCB. Zwykle robi się to, aby obsłużyć nowoczesne obudowy BGA i drobnoskokowe obudowy bottom-terminated, co powoduje wzrost liczby warstw i całkowitej grubości stackupu. Interfejsy high-speed mogą również wymagać określonych grubości dielektryka, aby uzyskać kontrolowaną impedancję przy szerokościach ścieżek możliwych do wykonania w produkcji.

Wymagania te oddziałują z całkowitą grubością płytki. Płytka o dużej liczbie warstw, zbudowana ze stosunkowo grubych warstw dielektryka, może szybko stać się zbyt gruba dla standardowego wiercenia otworów przelotowych. Bardzo cienkie warstwy dielektryka mogą poprawić gęstość trasowania, ale mogą też skierować projekt w stronę procesów produkcji HDI. Dlatego stackup musi równoważyć gęstość trasowania, wymagania impedancyjne, całkowitą grubość oraz możliwości produkcyjne.

Najczęstsze ograniczenia wynikające ze stackupu można podsumować następująco:

Współczynnik kształtu przelotek through-hole

Przelotki through-hole to jedno z najłatwiejszych miejsc, w których można stworzyć projekt niemożliwy do wyprodukowania. Parametrem decydującym jest współczynnik kształtu pomiędzy grubością płytki a średnicą gotowego otworu. Gdy płytka staje się grubsza lub otwór mniejszy, metalizacja całej głębokości przelotki staje się trudniejsza. Jednak z wielu powodów oprogramowanie do projektowania PCB nie pozwala użytkownikom definiować współczynnika kształtu jako reguły projektowej i zamiast tego wymaga zdefiniowania minimalnych dopuszczalnych średnic otworów dla różnych typów przelotek.

Na przykład zastosowanie przelotek o gotowej średnicy 0,15 mm w PCB o grubości 2 mm tworzy bardzo agresywny współczynnik kształtu, który większość fabryk odrzuci. Nawet przy nominalnej grubości płytki 62 mil (1,57 mm) taki rozmiar wiercenia może wykraczać poza standardowe możliwości procesowe wielu producentów. Staje się to szczególnie istotne, gdy duże BGA lub gęste układy QFN skłaniają projektantów do zmniejszania średnicy przelotek, aby utworzyć więcej kanałów trasowania:

• W dużym BGA, w którym można użyć przelotek through-hole w trasowaniu fanout, większa liczba wyprowadzeń oznacza więcej warstw w stackupie, a więc większą grubość
• Wraz ze wzrostem grubości płytki przelotki through-hole zbliżają się do granicy współczynnika kształtu, a ich powiększanie ostatecznie prowadzi do osiągnięcia limitu odstępów

Właściwe ograniczenie powinno wynikać z możliwości producenta, a nie z ogólnej reguły projektowej PCB. Większość fabryk zaakceptuje średnicę wiercenia 8 mil w PCB o standardowej grubości, wykonanym zgodnie ze standardami jakości IPC Class 2; dla Class 3 mogą zmniejszyć dopuszczalny współczynnik kształtu. Gdy maksymalny obsługiwany współczynnik kształtu jest już znany, minimalną dopuszczalną średnicę wiercenia można określić na podstawie planowanej grubości płytki.

Gramatura miedzi zmienia reguły trasowania

Gramatura miedzi to kolejny parametr stackupu, który ogranicza gęstość trasowania. Wraz ze wzrostem końcowej grubości miedzi zwykle rosną minimalna możliwa do wykonania szerokość ścieżki i odstęp miedź-miedź. W kategoriach reguł projektowych PCB oznacza to, że warstwy wewnętrzne i zewnętrzne mogą wymagać różnych ograniczeń trasowania. Typowy stackup może wykorzystywać miedź 0,5 oz na warstwach wewnętrznych oraz 1 oz końcowej miedzi na warstwach zewnętrznych. Warstwy zewnętrzne będą wtedy wymagały znacznie większych minimalnych szerokości i odstępów niż wewnętrzne warstwy trasowania.

Znaczenie ma również rozróżnienie między miedzią bazową a końcową. Warstwy zewnętrzne zyskują dodatkową miedź podczas metalizacji otworów przelotowych, więc warstwa rozpoczynająca się jako folia miedziana 1 oz może finalnie być znacznie grubsza. Dlatego projektanci powinni określać wymagania dotyczące końcowej grubości miedzi w dokumentacji produkcyjnej i stosować reguły projektowe odzwierciedlające końcową gramaturę miedzi.

Przykładowe minima odstępów/rozmiarów elementów względem gramatury miedzi (uwaga: dla warstw wewnętrznych stosuje się inną tabelę)

Źródła: Bittele Electronics oraz PCBWay.

Gdy grubość miedzi osiąga 2 oz lub więcej, odstępy między ścieżkami, tolerancja trawienia, wypełnienie żywicą, pokrycie maską lutowniczą i lutowność stają się bardziej restrykcyjne. Dlatego w wielu projektach energoelektronicznych lub projektach cyfrowych wymagających także wysokich prądów dodanie dodatkowych warstw trasowania lub planów z miedzią 1 oz daje znacznie większą swobodę projektową niż wymuszanie grubych warstw miedzi na małej liczbie warstw. Pod względem kosztów oba podejścia są zasadniczo podobne.

Przelotki blind i buried w sublaminacjach

Mechanicznie wiercone przelotki blind i buried wprowadzają ograniczenia bezpośrednio związane z sekwencją produkcji i standardowymi możliwościami wytwórczymi, szczególnie w zakresie wiercenia. Istnieją ważne reguły dotyczące przelotek blind/buried w sublaminacjach:

1. Zasada początku i końca — zakres mechanicznie wierconej przelotki blind/buried nie może kończyć się na tej samej warstwie, na której zaczyna się zakres innej mechanicznie wierconej przelotki. Wyjątek stanowi zastosowanie laminacji sekwencyjnej; w przeciwnym razie potrzebne będą wiercone laserowo przelotki blind, które pozwalają na ich stackowanie.
2. Brak krzyżujących się przelotek — zakresy mechanicznie wierconych przelotek blind/buried nie mogą się krzyżować, ale mogą być zagnieżdżane.
3. Łączenie prepregiem — podczas łączenia sublaminacji substosy można łączyć wyłącznie prepregami, a nie rdzeniami.

Jako podstawowe podejście projektowe, jeśli celem jest określona średnica przelotki buried (na przykład dla fanoutu BGA), współczynnik kształtu wiercenia trzeba zaplanować już podczas tworzenia stackupu. Każdy niezależny zakres przelotki blind/buried może wymagać dodatkowych sublaminacji, operacji wiercenia i etapów metalizacji, z których każdy zwiększa gramaturę miedzi, podnosi wymagania dotyczące odstępów/rozmiarów i zmniejsza dopuszczalny współczynnik kształtu.

Proces metalizacji zmienia również grubość miedzi na początku i końcu zakresów mechanicznie wierconych przelotek buried. Te odsłonięte warstwy miedzi otrzymują dodatkową metalizację podczas formowania tulei przelotek buried. Wynikowa końcowa grubość miedzi może wpływać na odstępy trasowania, obliczenia impedancji i kompensację trawienia na tych warstwach.

Laminacja sekwencyjna i ograniczenia HDI

Laminacja sekwencyjna wprowadza kolejny zestaw ograniczeń przy stosowaniu wierconych laserowo microvia. Dopuszczalna średnica wiercenia laserowego zależy od grubości dielektryka między sąsiednimi warstwami miedzi i zwykle wymagany jest współczynnik kształtu <1, dlatego warstwy buildup w HDI są zazwyczaj cienkie. Jeśli dielektryk staje się zbyt gruby względem średnicy wiercenia laserowego, przelotka przekracza obsługiwany przez producenta współczynnik kształtu microvia.

Każdy cykl sekwencyjnego buildup dodaje także kolejne etapy produkcji. Stackowane microvia mogą wymagać wypełnionych i spłaszczonych przelotek, zanim kolejna microvia zostanie umieszczona bezpośrednio nad nimi, a producenci mogą ograniczać liczbę obsługiwanych poziomów stackowania. Microvia staggered pozwalają uniknąć części tych wymagań dotyczących stackowania, ale zajmują więcej miejsca do trasowania.

Wiele praktycznych stackupów HDI łączy laminację sekwencyjną z rdzeniem zawierającym mechanicznie wiercone przelotki buried. Daje to projektantowi zarówno microvia w pobliżu warstw zewnętrznych, jak i dłuższe połączenia buried przechodzące przez środek płytki. Poniżej pokazano typową opcję, która wspiera stackowanie microvia do warstw wewnętrznych i nakładające się układy BGA po obu stronach PCB.

Zdefiniuj ograniczenia produkcyjne przed rozpoczęciem trasowania

Najbardziej efektywny stackup PCB to taki, który wspiera wymagane trasowanie bez wymuszania niepotrzebnych, dodatkowych etapów procesu produkcyjnego. Zanim rozpocznie się rozmieszczanie elementów i trasowanie, należy wykorzystać końcowe gramatury miedzi, dopuszczalny współczynnik kształtu dla wiercenia mechanicznego oraz wszelkie wymagania dotyczące stackowania microvia od wybranego producenta, aby zdefiniować kilka podstawowych reguł projektowych:

• Rozmiar i odstępy elementów miedzianych
• Limity rozmiarów przelotek dla różnych typów przelotek
• Wartości szerokości ścieżek/odstępów dla linii o kontrolowanej impedancji
• Zdefiniuj elementy miedziane zarówno dla warstw wewnętrznych, jak i zewnętrznych oraz w zależności od gramatury miedzi

Te proste reguły projektowe PCB zapobiegają temu, by layout ewoluował w kierunku rozwiązania wymagającego rozległych przeprojektowań, aby stał się możliwy do wyprodukowania. Aby lepiej zrozumieć reguły projektowe i ograniczenia narzucane przez struktury przelotek buried w bardziej zaawansowanych stackupach, obejrzyj poniższy materiał wideo.

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną elektronikę zasilania, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji do projektowania PCB oraz światowej klasy narzędzi CAD od Altium. Altium oferuje wiodącą na świecie platformę do opracowywania produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się z ekspertem Altium już dziś!

Często zadawane pytania

Jak grubość PCB wpływa na współczynnik aspektu przelotki przez otwór?

Grubość PCB bezpośrednio wpływa na współczynnik aspektu przelotki przez otwór. Wraz ze wzrostem grubości płytki dana średnica wiercenia daje wyższy współczynnik aspektu, co utrudnia uzyskanie równomiernego metalizowania ścianki otworu. Projektanci powinni ustalić maksymalny współczynnik aspektu obsługiwany przez producenta i na podstawie planowanej grubości płytki określić minimalną dopuszczalną średnicę gotowego otworu.

Kiedy stackup PCB wymaga laminacji sekwencyjnej?

Laminacja sekwencyjna jest zwykle wymagana, gdy stackup wykorzystuje mikrootwory wiercone laserowo, które łączą wiele warstw buildup, lub gdy struktur przelotek nie da się wykonać w pojedynczym, konwencjonalnym cyklu laminacji. Każdy cykl buildup dodaje kolejne etapy produkcji, a spiętrzone mikrootwory mogą wymagać wypełnienia i planaryzacji, zanim będzie można umieścić nad nimi kolejny mikrootwór.

Czy ślepe i zakopane przelotki mogą się przecinać lub nakładać w stackupie PCB?

Zakresy mechanicznie wierconych ślepych i zakopanych przelotek zasadniczo nie mogą się wzajemnie przecinać, chociaż mogą być zagnieżdżane. Jeden zakres mechanicznie wierconej przelotki również nie może kończyć się na tej samej warstwie, na której zaczyna się inny zakres wiercony mechanicznie, chyba że stosowana jest laminacja sekwencyjna. Mikrootwory wiercone laserowo zapewniają większą elastyczność i mogą obsługiwać struktury spiętrzone, jeśli pozwala na to proces produkcyjny.

Dlaczego zewnętrzne warstwy PCB wymagają innych zasad dotyczących szerokości ścieżek i odstępów niż warstwy wewnętrzne?

Zewnętrzne warstwy PCB mogą wymagać większych szerokości ścieżek i większych odstępów, ponieważ podczas metalizacji otworów otrzymują dodatkową warstwę miedzi. W rezultacie ich końcowa grubość miedzi może być większa niż grubość początkowej folii i większa niż grubość miedzi stosowanej na warstwach wewnętrznych. Dlatego reguły projektowe PCB powinny odzwierciedlać końcową wagę miedzi na każdej warstwie, zamiast stosować identyczne zasady dla całego stackupu.

Jak gramatura miedzi wpływa na szerokość ścieżek i odstępy na PCB?

Wraz ze wzrostem końcowej gramatury miedzi zazwyczaj rosną minimalna możliwa do wykonania szerokość ścieżki oraz minimalny odstęp miedź-miedź. Grubsza miedź wymaga większego zapasu na trawienie i tolerancje produkcyjne, co zmniejsza gęstość trasowania dostępną na danej warstwie. Na przykład artykuł pokazuje wzrost standardowych minimalnych rozmiarów elementów z 4 mil przy miedzi 0,5 oz do 8 mil przy miedzi 2 oz.