Wyzwanie projektowania stosu PCB dla wysokich prędkości

Chociaż chcielibyśmy zbudować każdą płytę PCB wysokiej prędkości idealnie, z idealnymi charakterystykami SI/PI/EMI, nie zawsze jest to możliwe ze względu na wiele praktycznych ograniczeń. Czasami układ warstw może być "wystarczająco dobry", nawet dla PCB wysokiej prędkości. Wynika to zawsze z potrzeby zrównoważenia ograniczeń inżynieryjnych, wymagań funkcjonalnych oraz potrzeby zapewnienia integralności sygnału i mocy w projekcie wysokiej prędkości, a na końcu zapewnienia zgodności z wymaganiami EMC.

Nawet przy wszystkich dobrych wytycznych dotyczących projektowania wysokiej prędkości, istnieją szczególne aspekty konstrukcji układu warstw i ich związku z budowaniem płyt, które są pomijane. Moim celem tutaj jest wyjście poza typowe wytyczne SI/PI i spojrzenie na te problemy z bardziej inżynieryjnej perspektywy. Kiedy mówię "perspektywa inżynieryjna", mam na myśli wszystkie inne ograniczenia w produkcie, które napędzają projekt płyty.

Przetłumacz Ograniczenia Produktu na Potrzeby Układu Warstw

Jeśli zaczniemy od perspektywy inżynierskiej, powinniśmy zacząć od opracowania listy ograniczeń i wymagań funkcjonalnych dla systemu, który chcemy zbudować. W przypadku szybkich PCB, zazwyczaj zaczynamy od konkretnego komponentu, którego chcemy użyć. Pracując nad projektami dla klientów, będzie to prawie zawsze określony procesor i jego peryferia (CPU lub FPGA, pamięci, inne specjalistyczne układy itp.). Przykładowa lista ograniczeń, które mogą mieć zastosowanie w typowym projekcie szybkiego PCB, obejmuje:

• Liczba pinów głównego komponentu i rozmiar wyprowadzeń (np. BGA)
• Liczba I/O w dużych komponentach, co wpływa na liczbę warstw
• Liczba interfejsów, jak również liczba sygnałów w każdym interfejsie
• Docelowa grubość płytki, która może być, lub nie, standardową grubością (62 mile)
• Cel strat w porównaniu do rozmiaru płytki

Dlaczego warto zacząć od tej listy? Ponieważ używane komponenty odzwierciedlają wymagania funkcjonalne, a wymagania funkcjonalne będą kierować takimi aspektami jak liczba I/O, a co za tym idzie, liczba sygnałów. Więc zanim zaczniesz przeglądać materiały dostępne na rynku, lub zanim zaczniesz używać standardowego układu warstw, upewnij się, że masz odpowiedzi na powyższe pytania.

Przykładowe parametry układu warstw dla płyty 22-warstwowej z materiałami FR4. Dzięki zastosowaniu rdzenia FR4 i zestawu prepreg, grubość warstw może być większa, co prowadzi do również dość dużej grubości płyty (w tym przypadku około 3 mm). Użycie alternatywnych materiałów może zapewnić cieńszą płytę i możliwie zmniejszyć liczbę warstw.

Teraz spróbujmy połączyć tę listę z idealnym układem PCB dla wysokich prędkości i zobaczyć, czy możemy znaleźć punkt zbieżności.

• Warstwy sygnałowe muszą mieć przyległe warstwy masy, aby zapewnić izolację
• Warstwy zasilania potrzebują przyległej warstwy masy
• Jeśli kanały są bardzo długie, preferowany może być materiał o niskich stratach
• Grubość warstw może wymagać mniejszego via (ślepego lub ślepo/zakopanego) do osiągnięcia I/O
• Potrzebujesz określonych szerokości linii i odstępów między parami różnicowymi, aby osiągnąć cele impedancji

Kiedy dochodzimy do zaawansowanych płyt o wysokiej liczbie warstw, widzimy zbieżność między materiałami HDI a funkcjonalnością wysokich prędkości. Układy HDI wymagające kontrolowanej impedancji i obsługujące interfejsy wysokiej prędkości stworzą wyzwania z szerokościami linii i odstępami, do tego stopnia, że może być potrzebne niestandardowe przetwarzanie. Poniższy proces przejdzie przez wyzwania projektowe i powinien zilustrować rozważania DFM, które są potrzebne w tych produktach.

1. Zacznij od grubości płytki i warstw

Ważnym aspektem w przypadku szybkich PCB z dużą liczbą wejść/wyjść jest ich grubość warstw, która może być bardzo cienka. Czasami pojawia się błędne przekonanie, że przejście na bardzo wysoką liczbę wejść/wyjść zmusza do użycia płytki grubszej niż standardowa, ponieważ liczba warstw staje się wysoka. Nie jest to jednak regułą; dostępne są materiały, które mogą pomóc projektantom utrzymać standardowy rozmiar płytki, ale z niską grubością warstw.

Powodem, dla którego grubość warstw ma znaczenie w projektowaniu szybkich układów, jest to, że określa ona wymaganą szerokość linii do osiągnięcia celu impedancji. Gdy grubość warstwy sygnałowej zmniejsza się, wymagana szerokość linii dla sygnałów z kontrolowaną impedancją również się zmniejsza.

• Dowiedz się więcej o szerokościach linii na cienkich dielektrykach

W przypadku, gdy osiągniesz limit grubości płytki i nadal potrzebujesz uzyskać cieńsze grubości warstw, może to prowadzić do szerokości linii poniżej możliwości standardowego procesu fabrykacji lub procesu produkcji HDI. Czy istnieją jakieś materiały, które można by użyć, aby osiągnąć mniejszą grubość bez jednoczesnego zmniejszania szerokości linii? Odpowiedź może tkwić w użyciu materiału o niskim Dk.

2. Kiedy należy używać materiałów PTFE lub o niskim Dk?

Nie mogę zliczyć, ile razy samozwańczy guru stwierdził, że laminaty o niskim Dk lub podłoża PTFE powinny być zawsze używane w szybkich PCB jako ogólna zasada. Ważne jest, aby pamiętać, że szybkie PCB obejmują dość szeroki zakres możliwych prędkości transmisji danych, szybkości zboczy, pasm i szerokości ścieżek. Istnieje wiele projektów, które można by z pewnością nazwać „szybkimi”, ale nie są one zbudowane z laminatu o niskim Dk. Podobnie, istnieje wiele szybkich projektów w dziedzinie HDI, które również używają laminatu o niskim Dk, ale nie zawsze jest to spowodowane potrzebą posiadania niskich strat wstawienia.

Prawdopodobnie najczęściej cytowanym materiałem o niskim Dk jest PTFE wypełnione ceramiką, które obejmuje ogromny zakres możliwych materiałów. Wartość Dk materiałów na bazie PTFE jest modulowana przez dodanie wypełniaczy ceramicznych, więc utwardzone podłoże PTFE może mieć szeroki zakres wartości. Na przykład, materiały PTFE mogą mieć wartości Dk w zakresie od około 3 do około 10, wszystkie z niższymi stratami niż standardowe laminaty FR4. Możesz zobaczyć wybór materiałów PTFE tutaj.

Trzy główne powody, dla których warto używać materiału o niskim Dk w zaawansowanych, szybkich płytach z cienkimi warstwami sygnałowymi to:

1. Szerokości linii mogą być większe niż na materiale o wysokim Dk dla tego samego celu impedancji (Zobacz wykres powyżej)
2. Jeśli materiał nie jest wzmacniany, nie będzie skosu wynikającego z efektu splotu włókien
3. Mogą być dostępne jako cienkie laminaty, więc mogą być używane, gdy liczba warstw jest wysoka

Te trzy powody ilustrują, dlaczego, gdy dochodzi do wysokiej liczby warstw, szybsze opóźnienie propagacji w laminacie o niskim Dk jest bez znaczenia, wbrew powszechnej opinii. Dla profesjonalistów pracujących nad zaawansowanymi płytkami, kwestia szerokości linii będzie dominować, zwłaszcza przy projektowaniu płyt o wysokiej liczbie warstw z kontrolowanymi striplinami o kontrolowanej impedancji.

3. Zrównoważenie strat i wartości Dk

Gdy grubość warstwy jest mała, wymagana szerokość linii potrzebna do osiągnięcia określonej impedancji również będzie mała. Jeśli szerokość linii jest zbyt mała, obróbka może być bardziej wymagająca, a koszty mogą wzrosnąć. To ilustruje, dlaczego punkt #1 powyżej jest ważny; niższe Dk pozwala na szersze linie dla danej grubości podłoża.

Aby zrównoważyć niskie straty i wysoki Dk, istnieją materiały o Dk w zakresie od 3,5 do 4 z niższymi kątami strat niż standardowy FR4; Rogers i Isola to dwie firmy, które produkują te laminaty, i wydaje mi się, że pamiętam o innym materiale dostępnym od ITEQ z kątem strat ~0,01.

Jeśli w wysokoszybkościowej PCB na poziomie HDI potrzebny jest niski Dk, prawdopodobnie będzie musiał być wzmacniany szkłem. Może to być wzmacniane rozprzestrzenionym szkłem o grubości ~5 mils, ale mniejsza grubość może wymagać luźnego splotu do wzmacniania. Wzmocnienie rozprzestrzenionym szkłem ma na celu zminimalizowanie akumulacji skosu, gdy materiał jest używany do warstw sygnałowych. Głównym powodem tego jest możliwość produkcji:

1. Niewzmocnione laminaty PTFE są bardzo elastyczne, szczególnie w cienkich warstwach, do tego stopnia, że mogą być trudne do obsługi i umieszczenia w stosie.
2. Z powodu #1, może dojść do pewnego niezgodnego rejestracji podczas budowania stosu warstw w standardowym przetwarzaniu.

4. Jeśli niski Dk nie jest zawsze potrzebny, dlaczego projektanci RF go używają?

Laminaty PTFE są ulubieńcami społeczności RF, i są dobre powody, dla których ich używamy, ale nie sądzę, aby projektanci cyfrowi dokładnie wiedzieli, dlaczego tak jest. Najczęściej przytaczanym powodem jest niska wartość strat niektórych laminatów PTFE i warstw łączących, takich jak materiały z serii RO3000.

Jednym z powodów, dla których wartości Dk są starannie wybierane w płytach RF, jest zrównoważenie rozmiaru obwodu ze stratami. W rzeczywistości, jeśli spojrzysz na powyższą listę laminatów PTFE, zobaczysz, że niektóre laminaty PTFE o wysokim Dk mają mniejsze straty niż FR4 (wystarczy obliczyć urojoną część stałej dielektrycznej). Wyższa wartość Dk zapewnia mniejsze obwody przy niskich częstotliwościach (np. RF poniżej GHz), ale niższe Dk może pomóc zapewnić, że coś jest wykonalne przy wysokich częstotliwościach (np. radar).

Innym powodem, dla którego używany jest laminat PTFE, jest fakt, że płyty RF mają zazwyczaj znacznie dłuższe kanały niż płyty cyfrowe, więc dominującymi mechanizmami strat będą straty związane z propagacją. Są to strata dielektryczna oraz strata związana z chropowatością miedzi. Dzisiejsze materiały PTFE o niskiej wartości Dk charakteryzują się bardzo niskimi tangensami strat, co przekłada się na niskie straty dielektryczne. Te laminaty mogą również przyjmować miedź VLP o bardzo niskiej chropowatości, więc mogą również oferować niższe straty miedzi niż standardowa miedź elektrolityczna.

5. Materiały z wbudowaną pojemnością (ECM)

Aby wspomóc integralność zasilania, dielektryk wypełniający przestrzeń między parami płaszczyzn zasilania i masy powinien być odpowiednio dobrany. Konwencjonalna mądrość dotycząca materiałów o niskich stratach i niskiej wartości Dk jest ponownie błędna. Materiał używany między parą płaszczyzn zasilania/masy nie powinien być materiałem o niskiej wartości Dk. Zamiast tego powinien mieć wysoką wartość Dk i wysokie straty. Te warstwy powinny być również jak najcieńsze.

Branża odpowiedziała bardzo cienkimi materiałami o wysokim Dk, które mogą być włączone do systemów żywiczno-szklanych. Te materiały o wbudowanej pojemności nie są wymagane dla integralności zasilania, ale z pewnością są pomocne w szybkich PCB o wysokiej liczbie warstw. Istnieją trzy powody dla tego:

1. Wysokie Dk zapewnia większą pojemność płaszczyzn
2. Cieńsze warstwy ECM mają większą pojemność płaszczyzn
3. Wysokie straty w warstwie ECM szybko tłumią wahania mocy

Wartości Dk tych materiałów mogą wahać się od ~4 do ~10 od 100 MHz do 1 GHz. To właśnie region, w którym chcielibyśmy mieć pojemność płaszczyzn, która może tłumić rezonanse płaszczyzn zasilających i wszelkie braki pojemności na chipie/w pakiecie. Grubość tych materiałów będzie rzędu mikronów. Niektóre firmy produkujące te materiały to 3M i DuPont; innym znanym materiałem jest FaradFlex. Ponieważ te materiały mają również małe grubości warstw, mogą być używane w układach o wysokiej liczbie warstw.

• Dowiedz się więcej o wpływie materiałów ECM o wysokim Dk na integralność zasilania

Ostateczne przemyślenia

W procesie projektowania układu warstw PCB wysokiej prędkości, budowa układu warstw PCB jest właściwie ostatnim etapem procesu. Zamiast tego znacznie większą uwagę przykładamy do liczby warstw i ich grubości w porównaniu do rozmiaru wyprowadzeń komponentów i rozwidlenia. Stąd możesz podejść do wyboru materiałów dla warstw sygnałowych oraz ocenić materiały z wbudowaną pojemnością dla par płaszczyzn zasilania/masy.

Jeśli projektujesz prostszą płytę, taką jak płytka 4-warstwowa do zastosowań wysokiej prędkości, naprawdę masz tylko dwie rzeczy do ustalenia: grubość warstw zewnętrznych i wartość Dk. Razem określą one szerokość ścieżki, której potrzebujesz, aby osiągnąć impedancję jednostronną, a następnie odstępy dla docelowej impedancji różnicowej.

Kiedy potrzebujesz zaprojektować swój układ warstw PCB wysokiej prędkości, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer®. Layer Stack Manager daje pełną kontrolę nad układem warstw PCB, w tym wybór materiałów i obliczenia impedancji. Kiedy zakończysz projektowanie i chcesz wysłać pliki do producenta, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.