Pojemność międzypłytowa i układy warstw PCB

Artykuł ten ma na celu dostarczenie wglądu w tematykę pojemności międzypłaszczyznowej oraz wskazówek dotyczących procesu projektowania układów warstwowych PCB. Przydatne jest spojrzenie na ewolucję technologii w miarę upływu czasu, aby zobaczyć, jak zmieniały się wymagania względem układu warstwowego PCB.

W początkowych dniach produkcji PCB, obwody logiczne były na tyle wolne, że jedynymi obawami były sposób tworzenia połączeń między częściami logicznymi lub dyskretnymi oraz zapewnienie ścieżki dla zasilania DC do każdej części. Wystarczyło zapewnić wystarczającą liczbę warstw sygnałowych dla wszystkich przewodów oraz dostateczną ilość miedzi w ścieżkach zasilających, aby dostarczyć zasilanie DC z minimalnym spadkiem napięcia. Nie miało znaczenia, jakie szkło włókniste było używane w laminacie i prepregu, jaki był system żywicy, czy jak grube były poszczególne kawałki laminatu. Celem było uzyskanie najtańszej PCB, która wytrzyma proces lutowania i będzie niezawodna.

Ostatecznie układy scalone stały się na tyle szybkie, że problemy takie jak odbicia i przesłuchy zaczęły mieć znaczenie. Rodzina logiki, która to umożliwiła, to ECL. W tamtym czasie głównymi użytkownikami ECL były duże firmy komputerowe takie jak IBM, Control Data i Cray Research. Te firmy miały w swoich szeregach inżynierów, którzy wykonali potrzebne obliczenia impedancji, aby zaprojektować układy warstw, i dysponowały własnymi zakładami produkcji PCB, ponieważ publiczne rynki producentów jeszcze nie miały możliwości kontrolowania produkcji niezbędnej do spełnienia ich wymagań.

W połowie lat 80. TTL, najczęściej używany wówczas typ logiki, stał się na tyle szybki, że odbicia stały się problemem wymagającym, aby PCB miały kontrolowaną impedancję. Niewielu, jeśli w ogóle, inżynierów projektujących z użyciem TTL i CMOS miało jakiekolwiek pojęcie o tym, jak osiągnąć PCB z kontrolowaną impedancją, więc wymagali od producenta dostarczenia PCB o znanej impedancji, zazwyczaj 50 omów. Producenci nie mieli takiej możliwości, ponieważ ich umiejętności obejmowały galwanizację, trawienie, laminowanie i wiercenie. Mimo to, inżynierowie domagali się, aby producenci wykonali obliczenia impedancji. Autor był świadkiem tych czasów i spędził wiele godzin, pomagając producentom rozwijać zdolność do obliczania impedancji. Ich umiejętność w tym zakresie była bardzo różna i, w wielu przypadkach, jest taka nadal.

Wkrótce potem, przeplot między ścieżkami biegnącymi obok siebie stał się problemem, wymagającym od projektantów zwrócenia uwagi na to, jak blisko siebie oraz nad sobą i pod sobą są prowadzone ścieżki.

Do połowy lat 90., prędkości wzrosły do tego stopnia, że większość produktów nie spełniała wymagań EMI z powodu potrzeby pojemności działającej powyżej 100 MHz. Żadne z dyskretnych kondensatorów umieszczonych na szynach zasilających nie mogły rozwiązać tego problemu z powodu ich indukcyjności montażowej. Doprowadziło to do powstania tego, co jest znane jako pojemność międzypłaszczyznowa lub pojemność ukryta. Pojemność międzypłaszczyznowa jest tworzona przez umieszczenie płaszczyzn zasilania i masy bardzo blisko siebie, zwykle mniej niż 3 mils.

Więc teraz mamy trzy wymagania stawiane projektowaniu stosu warstw: kontrolowana impedancja, kontrola przeplotu i potrzeba pojemności międzypłaszczyznowej. Niektórym producentom udało się uzyskać właściwą impedancję w stosie warstw, ale nie ma sposobu, aby uwzględnili oni dwa pozostałe wymagania. Ta odpowiedzialność spoczywa na inżynierze projektującym, który jako jedyny wie, czego potrzebuje i jak zaimplementować wymaganą kontrolę.

Do połowy lat 2000 prędkości wielu par różnicowych stały się tak szybkie, że używana do laminatu i prepregu tkanina szklana mogła indukować zjawisko znane jako skos, które niszczyło sygnał. Skos to niezgodność dwóch stron pary różnicowej, gdy docierają do odbiornika. Ponadto, straty w laminacie zaczęły wpływać na te szybkie sygnały, zmuszając zespół inżynierski do poszukiwania laminatów o niskich stratach, które spełniałyby cele strat oraz wszystkie powyższe wymagania. Szczegółowa dyskusja na temat materiałów dostępnych do zaspokojenia wszystkich tych potrzeb zawarta jest w rozdziale 3 tego dokumentu.

Z wszystkich powyższych powodów inżynier projektant musi przejąć kontrolę nad projektem. Aby to zrobić skutecznie, niezbędne jest dogłębne zrozumienie procesu fabrykacji i materiałów. Ta sekcja omówi wszystkie tematy związane z projektowaniem układów PCB, które spełniają cztery ograniczenia: kontrolowana impedancja, zarządzanie przeplotem, tworzenie odpowiedniej pojemności międzywarstwowej oraz określanie odpowiedniej tkaniny do zarządzania skosem.

UKŁADANIE WARSTW Z MYŚLĄ O POJEMNOŚCI MIĘDZYWARSTWOWEJ

Po ustaleniu liczby warstw zasilających, masowych i sygnałowych dla danego projektu, ich rozmieszczenie w taki sposób, aby spełnione zostały wszystkie zasady integralności sygnału i potrzeby dostarczania mocy, jest serią kompromisów. Jeśli istnieje potrzeba pojemności międzywarstwowej, konieczne będzie takie ułożenie warstw, aby płaszczyzny masy i napięcia były umieszczone blisko siebie. Rysunek 2.1 jest przykładem dokonywania kompromisów między warstwami trasowania a pojemnością płaszczyzn zasilających dla dziesięciowarstwowej płytki PCB. Układ po lewej stronie Rysunku 2.1 ma sześć warstw sygnałowych, ale tylko jedną parę płaszczyzn blisko siebie. Jest to dobre dla przestrzeni trasowania, ale nie tak dobre dla dostarczania mocy, jeśli istnieje potrzeba pojemności międzywarstwowej. Układ po prawej stronie ma tylko cztery warstwy trasowania (dwie zewnętrzne warstwy są zbyt daleko od najbliższej płaszczyzny, aby osiągnąć odpowiednią impedancję), ale teraz ma dwie pary płaszczyzn. Jest to dobre dla pojemności międzywarstwowej, ale nie tak dobre dla przestrzeni trasowania.

Rysunek 2.1 Dwa możliwe sposoby rozmieszczenia warstw w dziesięciowarstwowej płytce PCB.

W obu przypadkach powyżej, wszystkie warstwy sygnałowe są sparowane z płaszczyznami przez kawałki laminatu, z wyjątkiem dwóch zewnętrznych warstw. Jak wspomniano wcześniej, te warstwy będą zbyt daleko od najbliższej płaszczyzny, aby osiągnąć odpowiednią impedancję. Mogą być używane do ścieżek zasilających i padów montażowych komponentów.

Po ustaleniu układu warstw, kolejnym krokiem jest wybór grubości każdej warstwy dielektrycznej, aby osiągnąć najlepszą wydajność przy najniższych kosztach. Aby zminimalizować przebicie sygnałów, zaleca się wybór najcieńszego laminatu, który spełnia cele SI dla przestrzeni między warstwami sygnałowymi a ich płaszczyznami partnerskimi. Po zrobieniu tego, obliczana jest szerokość ścieżki potrzebna do osiągnięcia docelowej impedancji. Następnie wybiera się grubość prepregu między płaszczyznami zasilającymi, aby spełnić wymagania dotyczące napięcia przebicia i umożliwić wystarczającą ilość żywicy do wypełnienia pustek w sąsiednich płaszczyznach. Zazwyczaj będzie to pojedyncza warstwa szkła, która zaczyna się od grubości trzech mil i jest prasowana do około 2,5 mila.

W przykładzie po prawej stronie na Rysunku 2.1, pozostały trzy warstwy prepreg do wyboru. Są to ta w środku układu warstw oraz dwie znajdujące się tuż pod zewnętrznymi warstwami. (Zewnętrzne warstwy w tym układzie nie mogą być używane jako warstwy o kontrolowanej impedancji, więc ich wysokość nad leżącymi pod nimi płaszczyznami nie jest krytyczna.) Grubość wszystkich trzech tych przestrzeni może być wykorzystana do dodania materiału w celu osiągnięcia pożądanej końcowej grubości, ponieważ zmiany grubości w tych trzech obszarach mają niewielki wpływ na ogólną wydajność PCB.

DOKUMENTACJA UKŁADU WARSTW PCB

W miarę jak prędkości sygnałów nadal rosną, wymagania stawiane PCB stają się bardziej złożone. Niektóre z tych wymagań, jak wspomniano powyżej, to kontrolowana impedancja, kontrolowane przeploty, pojemność międzywarstwowa, zarządzanie stratami sygnału oraz kontrola stylu splotu szkła.

Z tych powodów wymagana dokumentacja również stała się bardziej skomplikowana. Rysunek układu warstw musi zawierać więcej informacji niż w przeszłości, a notatki produkcyjne będą musiały zostać rozszerzone. Rysunek 2.2 jest przykładem ilości informacji, które muszą zostać uwzględnione w rysunku układu warstw, aby zapewnić prawidłową produkcję PCB. Zauważ, że na rysunku układu warstw nie ma informacji o impedancji. Powodem tego jest, że wszystkie inne wymagania również muszą być spełnione. Dlatego rysunek układu warstw określa ogólny przekrój poprzeczny PCB, który spełnia wszystkie cele SI. Inżynier projektant musi określić wszystkie te elementy, w tym impedancję, i określić całkowity przekrój.

Rysunek 2.2 Rysunek układu warstw z odpowiednią ilością informacji

POJEMNOŚĆ MIĘDZYWARSTWOWA I INNE OBLICZENIA WYMAGANE PODCZAS PROJEKTOWANIA UKŁADU WARSTW

Jak wspomniano wcześniej, istnieje szereg obliczeń, które muszą zostać wykonane, aby uzyskać ostateczny rysunek układu warstw oraz zasady trasowania dla projektu. Wśród nich są;

• Impedancja

• Odległość między ścieżkami w celu uniknięcia przeplotu

• Wymagana pojemność międzywarstwowa

• Dopuszczalna strata sygnału na ścieżce

• Dopuszczalne przesunięcie fazowe

OBLICZENIE IMPEDANCJI

Najdokładniejszą metodą obliczania impedancji jest użycie narzędzia, które wykorzystuje równania Maxwella. Najmniej wiarygodną metodą jest stosowanie dowolnych równań, które kiedyś były jedynym wyborem. Na rynku dostępnych jest wiele produktów, które używają równań Maxwella w rozwiązaniach pola 2D. Każde z nich daje dokładne odpowiedzi, pod warunkiem użycia poprawnych stałych dielektrycznych. Poprawną stałą dielektryczną dla każdego typu laminatu uzyskuje się z informacji o laminacie dostarczanych przez producenta laminatu. Tabela 2.1 to typowy arkusz informacyjny laminatu ze stałą dielektryczną (er lub Dk) jako funkcją częstotliwości. Zauważ, że Dk zmienia się w zależności od zawartości żywicy i częstotliwości. Niezbędne jest użycie poprawnej wartości przy obliczaniu impedancji. Niestety, autor odkrył, że wielu producentów nie używa poprawnych wartości Dk przy obliczaniu impedancji, co skutkuje wytwarzaniem PCB z nieprawidłową impedancją.

Informacja dzięki uprzejmości Isola

Tabela 2.1 Typowa tabela informacyjna laminatu

Narzędzia do obliczania impedancji powszechnie dostępne w branży PCB to:

• Polar Instruments SI8000 i SI9000

• Mentor Graphics Hyperlynx

• Z-ZERO

• Cadence

• HFSS

• ADS

Wszystkie te narzędzia produkują dokładne impedancje i są porównywalne pod względem dokładności. Polar SI8000 jest narzędziem najczęściej używanym przez producentów.

Nowa alternatywa jest dostępna od momentu wydania Altium Designer^® 19, Menedżer Stosu używa rozwiązania Simbeor SFS do dokładnych obliczeń impedancji z walidowaną i weryfikowalną dokładnością. Zobacz to w akcji: 

Zobacz więcej na temat dokładności impedancji i strat w notatce aplikacyjnej 2018_05 tutaj.

OBLICZANIE ODSTĘPÓW DLA PRZESŁUCHÓW

Przesłuch to niepożądana interakcja między dwoma ścieżkami, które są umieszczone zbyt blisko siebie. Stosy w Rysunku 2.1 mają pary warstw sygnałowych, jedna nad drugą. Jeśli sygnał w jednej z tych warstw leży nad sygnałem w drugiej warstwie, przesłuch będzie rósł tak szybko, że żadna ilość nakładania się przy obecnych prędkościach technologii nie może być dozwolona bez powodowania problemu z przesłuchem. Jedyną bezpieczną strategią trasowania w tym przypadku jest trasowanie jednej warstwy w kierunku X, a drugiej w kierunku Y.

Gdy ścieżki biegną obok siebie w tej samej warstwie, należy zadbać o to, aby odstępy między ścieżkami oraz wysokość najbliższej płaszczyzny były takie, aby spełniały cele dotyczące przeplotu. Jedynym sposobem na ustalenie niezawodnych zasad dotyczących odstępów jest wykorzystanie jednego z narzędzi symulacyjnych przeznaczonych do tego celu. Reguły takie jak 2H czy 3H są arbitralne i niebezpieczne w użyciu.

OBICZANIE POJEMNOŚCI MIĘDZYPOŁĄCZENIOWEJ

Pojemność międzypłaszczyznowa, czyli pojemność utworzona przez dwie blisko rozmieszczone płaszczyzny, okazała się niezbędna do dostarczania bardzo szybkich prądów przełączających potrzebnych nowoczesnej logice do napędzania linii transmisyjnych i zasilania rdzeni układów scalonych. Nieuwzględnienie wystarczającej pojemności międzypłaszczyznowej w projekcie jest najczęstszą przyczyną awarii EMI.

Określenie wymaganej ilości pojemności międzypłaszczyznowej jest możliwe dzięki wykorzystaniu jednego z narzędzi analitycznych zaprojektowanych do tego celu. Projektowanie układu warstw PCB nie może zostać zakończone bez przeprowadzenia tej analizy.

DOZWOLONE STRATY NA ŚCIEŻCE

W miarę wzrostu prędkości łączy danych, potencjał degradacji sygnału z powodu strat na długości ścieżek sygnałowych, wynikających ze strat w dielektrykach i miedzi, może stać się znaczący. Decydowanie, czy strata na proponowanej ścieżce jest akceptowalna na podstawie szerokości ścieżki i właściwości stratnych dielektryka, jest złożoną analizą, która wymaga narzędzia takiego jak ADS, HFSS, Hyperlynx Gigahertz lub podobnego.

Na rynku dostępnych jest wiele laminatów zaprojektowanych do bardzo niskich strat. Decyzja o potrzebie użycia jednego z nich zależy od czterech czynników. Są to:

• Długość ścieżki sygnałowej

• Zawartość częstotliwościowa tego sygnału

• Zdolność pary nadajnik/odbiornik do kompensacji strat

• Chropowatość miedzi w płaszczyznach i na ścieżkach

Szerokość ścieżki nie znajduje się na tej liście, ponieważ wykazano, że dla dopuszczalnych szerokości ścieżek w większości projektów, zmiana szerokości ścieżki w celu redukcji strat (poprzez poszerzanie ścieżek), nie jest skuteczną metodą redukcji strat.

DOPUSZCZALNE ODMIENNOŚCI CZASOWE

Skew to niezgodność w czasie dwóch sygnałów w parze różnicowej, gdy docierają do odbiornika. Głównym źródłem niechcianego skew są różnice w czasie przejścia każdej ścieżki z powodu nierównomiernego rozmieszczenia włókien w tkaninie szklanej. W miarę jak prędkości łączy par różnicowych nadal rosną, efekt nieprawidłowego splotu może spowodować, że projekt nie powiedzie się z powodu nadmiernego skew. 

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium lub skorzystaj z jednej z naszych przydatnych stron z rozwiązaniami dla pomocy przy układzie warstw w projektowaniu PCB.