Projektowanie idealnego stosu PCB w systemie Altium Designer

W ciągu ostatnich ponad 20 lat elektronika stawała się coraz bardziej skomplikowana. Elementy na płytce zagęszczono do granic możliwości. Przepisy w zakresie EMC/EMI ewoluowały i stały się bardziej restrykcyjne. Szybkości zboczy wzrosły. Z tego powodu inżynierowie PCB muszą wykazywać się dobrym rozumieniem EMC, sieci zasilania, EMI oraz integralności sygnału, żeby pewnie wytyczać ścieżki współczesnych płytek PCB. W tym artykule porozmawiamy o kilku kwestiach, które musimy rozważyć, aby prawidłowo utworzyć stos PCB. 

Czego się nauczymy?

W niniejszym artykule dowiemy się, jak planować stos PCB i jak go potem wdrożyć w oprogramowaniu Altium. Rozważymy pewne optymalizacje projektu, aby zminimalizować problemy związane z integralnością sygnału w projektach HSD (High Speed Design).

Zapoznamy się z następującymi kwestiami

• Rozumienie arkuszy danych materiałów laminatów PCB.
• Szacowanie liczby warstw sygnałowych.
• Pewne sugestie dotyczące projektowania stosu PCB w systemie Altium.
• Typowe błędy i pułapki oraz sposoby ich unikania przy wykorzystaniu oprogramowania Altium.

Rozumienie arkuszy danych materiałów laminatów PCB

Pierwszym krokiem inżyniera PCB powinno być wybranie materiałów na laminat PCB (żywica, folia miedziana, włókno szklane) dla danego zastosowania. Laminat PCB dobiera się zależnie od typu zastosowania. 

Przykładowo:

• Obwody HSD — typowe zastosowania to serwery, routery, kanały szybkiego przesyłu danych (np. PCIe, 10Gbe itd.). Wymagają laminatu typu FR408HR, I-speed itd.
• Duża niezawodność termiczna — typowe zastosowania to branża motoryzacyjna i lotnicza, wojsko. Wymagają laminatu typu P95/P25 (o wysokiej temperaturze Tg/Td).
• Obwody RF i mikrofalowe. Wymagają laminatu typu IS680 TerraGreen(RF/MW) itd.
• Bezhalogenowe — typowe zastosowania obejmują transport, urządzenia mobilne i bezprzewodowe. Wymagają laminatu typu TerraGreen.
• HDI (obwody drukowane o dużej gęstości połączeń) — typowe zastosowania to ograniczenie liczby warstw, urządzenia wojskowe i lotnicze. Wymagają laminatu typu I-Speed, FR408HR itd.
• Poliamid — typowe zastosowania obejmują wojsko i lotnictwo. Wymagają laminatu typu P25N, P95/P25 itd.

Żeby móc dobrać odpowiedni materiał, trzeba rozumieć arkusz danych PCB.

Kluczowe parametry

CTE

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) wyrażony w PPM. Zazwyczaj jest większy na osi Z niż na osiach X oraz Y. Ten parametr ma krytyczne znaczenie dla osi Z. Gdy będzie zbyt wysoki, podczas montażu mogą powstać mikropęknięcia w przelotkach ze względu na różną rozszerzalność cieplną laminatu i miedzi.

Przy projektowaniu układów elektronicznych o licznych cyklach termicznych trzeba zwracać uwagę na parametr CTE-x,y.  Ten parametr jest bardzo ważny np. w branży lotniczej, ponieważ satelity krążące na niskiej orbicie okołoziemskiej okrążają Ziemię w czasie 90–120 minut, przez co są wystawione na dużą liczbę cyklów termicznych, które mogą powodować pęknięcia na bokach podzespołów.

Tg, temperatura zeszklenia

Tg to temperatura, w której żywica w prepregu przechodzi ze stanu sztywnego do dość elastycznego (tj. topi się).

Td, temperatura rozkładu

Jak sama nazwa sugeruje, jest to temperatura, w której materiał prepregu rozkłada się i zaczyna tracić swoje właściwości.

Dk, stała dielektryczna

Ten parametr to średnia stała dielektryczna materiałów rdzenia i prepregu. Używam tu słowa „średnia”, ponieważ gdy spojrzymy na strukturę prepregu z włókna szklanego, to wygląda ona następująco:

Rys. 1 — prepreg: Żywica wypełnia szczeliny szklanej struktury, tworząc strefę o stałej Dk1 oraz jedną o stałej Dk2. Przy bardzo wysokich częstotliwościach może to rodzić pewne problemy (nie będziemy ich omawiać w tym artykule). Kluczowym punktem jest to, że przy projektowaniu obwodów HSD trzeba wybierać prepreg, który jest jak najbardziej jednorodny, np. I-Speed, FR408HR, Tachyon 100G.

Tan(δ ) lub Df, tangens stratności lub współczynnik rozproszenia

Fala elektromagnetyczna przepływająca przez materiał dielektryczny zostaje częściowo zaabsorbowana przez ten materiał. Tę absorpcję mierzy się parametrem występującym zwykle w arkuszach danych pod nazwą Dk. Oznacza on tłumienie (Att) na cal opisane równaniem 1:

Att=2,3 f tan⁡(δ) √(ϵ_r ) (dB/in]) [równ. 1]

Gdzie f = częstotliwość w GHz, a ϵ_r to stała dielektryczna materiału

Przykład: Isola FR408HR ma stałą ϵ_r  = 3,7 i tan(δ )= 0,011, dlatego przy 10 GHz tłumienie wynosi Att(10 GHz) = -0,94 (dB/in). Zatem stosując laminat FR408HR już po 3 calach tracimy -3 dB. 

Szacowanie liczby warstw sygnałowych

Żeby zaprojektować stos PCB, musimy oszacować liczbę warstw, jakie nam będą potrzebne.

Można to zrobić na dwa interesujące sposoby.

• Pierwszy z nich [1] zakłada, że podzespoły o największej liczbie styków, np. podzespoły BGA, określają najgorszy możliwy scenariusz. Stosując tę metodę, szacuje się liczbę warstw sygnałowych, biorąc liczbę rzędów (lub kolumn) styków we/wy, którą dzieli się przez 2 i zaokrągla do najbliższej liczby parzystej. Jeśli na przykład BGA ma 11 rzędów (kolumn) we/wy, to można szacować, że minimalna liczba warstw we/wy wyniesie 6.
• Drugi sposób wykorzystuje zasadę Renta [2]. Rent był inżynierem w firmie IBM, który popularyzował sposób szacowania średnich odstępów między ścieżkami. Zgodnie z tą zasadą, gdy mamy M warstw ścieżek i N wzajemnych połączeń [2], średni odstęp (P_avg) w calach wynosi:

P_avg=(XY)^(1/2)/N  2,7 M [równ. 2]

Gdzie X i Y oznaczają wymiary X i Y płytki w calach. Dlatego liczbę warstw ścieżek można oszacować poprzez oszacowanie wartości M, a następnie sprawdzenie, czy uzyskany odstęp jest kompatybilny z technologią PCB.

Kwestie dotyczące płaszczyzny odniesienia

Po oszacowaniu liczby warstw ścieżek musimy zadecydować o liczbie płaszczyzn. 

• Płaszczyzna 0 V daje ścieżkę powrotną dla sygnałów o dużej prędkości (zawsze należy prowadzić krytyczną ścieżkę na 2 płaszczyznach). Dlatego płaszczyzna 0 V musi się rozciągać jak najdalej.
• Wszystkie płaszczyzny rezonują! Każda płaszczyzna działa jak antena i będzie rezonować przy [3]

F_GHz=150 √((l/L)^2+(m/W)^2 ) [równ. 3]

Gdzie l oraz m oznaczają tryby, a W oraz L to wymiary w mm. Jeśli płaszczyzna ma np. wymiary 100 mm x 50 mm, to pierwszy tryb rezonansu powinien wystąpić przy ok. 1,34 GHz. Do czego są nam potrzebne te informacje? Ponieważ jeśli podczas testów EMC (emisja promieniowania) znajdziemy wartość szczytową w okolicach 1,34 GHz, która nie będzie wielokrotnością (lub intermodulacją) żadnych zegarów, to wiemy, że płaszczyzna prawdopodobnie rezonuje. (Istnieją techniki projektowania pozwalające zwiększyć częstotliwość rezonansową, ale nie wchodzą one w zakres niniejszego artykułu). 

• Rezonans wnękowy między płaszczyznami. Aby zapobiec rezonansowi wnękowemu między 2 płaszczyznami o tym samym potencjale (np. 0 V), trzeba utrzymywać odległość między przelotkami płaszczyzn nie większą niż λ/(10 √(ε_r )) [3]. 
• Zmniejszenie współczynnika Q płaszczyzny VDD-GND. Każda płaszczyzna VDD-GND służy ważnej regule. Podczas rezonowania rozdziela pojemność. Jeśli ma dużą pojemność, najprawdopodobniej nie przejdzie testu emisji promieniowania. Jednym ze sposobów na uniknięcie takiej sytuacji jest umieszczenie 2 płaszczyzn jak najbliżej siebie (zwiększenie C i zmniejszenie Q).

Planowanie stosu PCB w systemie Altium

Czas zaprojektować stos PCB. Z tego, co napisano powyżej, mamy już następujące dane:

1. Liczba warstw sygnałowych
2. Minimalna liczba płaszczyzn
3. Sygnał krytyczny (zegar, ddr, USB)
4. Materiał laminatu PCB

Jeśli chodzi o punkty 1 i 2, to mamy dobre wyobrażenie dotyczące liczby warstw potrzebnych w danym zastosowaniu.  Powiedzmy, że potrzebujemy 6 warstw na sygnały i 6 na płaszczyzny. Możemy uruchomić program Altium, żeby nie tracić czasu! Otwórz swój projekt PCB i utwórz dokument PCB. Następnie wybierz Layer Stack Manager (Menedżer stosu warstw); tu wybierz 

Tools (Narzędzia) -> Presets (Ustawienia początkowe) i wybierz opcje 12 Layers (12 warstw).

Program Altium utworzy domyślny stos PCB, który powinien wyglądać następująco:

Teraz musimy zmodyfikować powyższy stos, aby uwzględnić materiał laminatu PCB wybrany dla naszego zastosowania.

Jeśli nie odpowiadają nam materiały domyślne, możemy je zmienić, wstawiając właściwy materiał, grubość, Dk i Df.

Domyślny stos w programie Altium już ma dobrą symetryczną strukturę i stanowi dobry przykład sposobu projektowania stosu.

Gdy już mamy odpowiedni materiał, musimy zdecydować, które warstwy wykorzystamy dla sygnału, sygnałów krytycznych i płaszczyzny zasilania.

Powinniśmy zacząć od planowania sygnałów krytycznych (np. ścieżki zegara, ścieżki ddr itp.).  Jeśli np. mamy płytkę z jakimiś ścieżkami i impedancjami charakterystycznymi 50 i 90 omów, możemy wybrać, na której warstwie poprowadzimy te ścieżki i do tego celu możemy użyć oprogramowania Altium.

Kliknij zakładkę Impedance (Impedancja) u dołu ekranu.

Kliknij opcję Add Impedance Profile (Dodaj profil impedancji): 

Powinno być widać domyślny profil impedancji dla ścieżki 50 omów:

Przykładowo zgodnie z powyższym profilem impedancji szerokość ścieżki 50 omów wynosi ok. 0,14 mm na warstwach górnej i dolnej, ale tylko 0,038 mm na warstwach wewnętrznych. Jeśli to nam odpowiada, możemy kontynuować. W przeciwnym razie musimy zmienić grubość prepregu albo materiał laminatu.

Teraz poprowadźmy ścieżkę 90 omów (zazwyczaj dla USB), klikając ikonę +, tworząc nowy profil i zmieniając wartość Target Impedance (Impedancja docelowa) w oknie Properties (Właściwości) na 90. 

Jeśli warstwa nie może mieć impedancji 90 omów, program Altium powiadomi nas o tym, dodając ostrzeżenie do profilu impedancji.

Ostrzeżenia programu Altium o problemach z impedancją stosu PCB

Następnie można zmienić materiał i powtórzyć powyższe kroki, aż uzyskamy satysfakcjonujące rozwiązanie odpowiadające naszym wymogom.

W kolejnym artykule przyjrzymy się, jak korzystać z oprogramowania Altium do unikania pewnych pułapek projektowych przy prowadzeniu ścieżek sygnałów krytycznych w wielowarstwowym projekcie PCB. 

Pobierz bezpłatną wersję próbną oprogramowania Altium Designer i dowiedz się więcej o funkcjach związanych ze stosem i impedancją. Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej