Strategie trasowania PCB dla układów wielowarstwowych o dużej liczbie warstw

Strategie stosowane do trasowania PCB o wysokiej liczbie warstw są różnorodne i zależą od funkcjonalności płytki. Płytki o wysokiej liczbie warstw mogą obejmować wiele różnych typów sygnałów, począwszy od grup wolno działających interfejsów cyfrowych po wiele szybkich interfejsów cyfrowych z różnymi wymaganiami dotyczącymi integralności sygnału. Stanowi to wyzwanie z perspektywy planowania trasowania i przypisywania warstw sygnałowych do różnych interfejsów.

Nie możemy wspomnieć o strategiach trasowania w PCB o wysokiej liczbie warstw, nie wspominając również o projektowaniu rozmieszczenia wyprowadzeń w wielu BGA. BGA o wysokiej liczbie pinów może zawierać wiele różnych interfejsów cyfrowych, szczególnie jeśli komponentem jest typowy mikroprocesor lub FPGA. Jest to jeden z najczęstszych czynników prowadzących do wysokiej liczby warstw w PCB.

Skoro mamy wiele wyzwań pojawiających się jednocześnie w projektowaniu PCB o wysokiej liczbie warstw, przedstawię te wyzwania oraz niektóre strategie, których możesz użyć, aby z powodzeniem trasować PCB o wysokiej liczbie warstw.

Co powoduje wysoką liczbę warstw w PCB?

Jak wspomniałem we wstępie, najczęstszym czynnikiem, który prowadzi do posiadania przez PCB bardzo dużej liczby warstw, jest obecność dużego BGA. Te komponenty mają dużą liczbę pinów po dolnej stronie urządzenia i będą wymagały większej liczby warstw, aby sygnały mogły dotrzeć do pinów. Ponieważ te komponenty są często specjalizowanymi ASICami, mikroprocesorami lub FPGA, zawierają również wiele interfejsów cyfrowych z różnymi wymaganiami dotyczącymi integralności sygnału i trasowania, a także wiele pinów zasilania i masowych.

Wielu projektantów przypomni sobie prostą formułę pozwalającą oszacować liczbę warstw potrzebną do dotarcia do wszystkich pinów na BGA. Gdy odstęp między pinami BGA jest wystarczająco duży, aby można było poprowadzić sygnał między pinami, możemy umieścić dwie rzędy pinów BGA na jednej warstwie sygnałowej:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Dla pakietu BGA o dużym odstępie, gdzie możemy umieścić ścieżki między kulkami, możemy trasować 2 rzędy/kolumny na warstwę.

Niektóre obrysy BGA mogą być dość skomplikowane z brakującymi kulkami w wewnętrznych rzędach. Poniżej przedstawiono przykład; prawdopodobnie to BGA nie będzie podlegać tej samej kalkulacji liczby warstw, co standardowe BGA pokazane powyżej.

Dowiedz się więcej w tym artykule Charliego Yapa.

Gdy komponent ma znacznie drobniejszy rozstaw i nie możemy dopasować ścieżek między padami w obrysie BGA, musimy podwoić wymaganą liczbę warstw. Gdy wiele pinów to zasilanie i masa, liczba warstw zdecydowanie się zmniejszy. Możliwe jest również, że duża liczba pakietów quad generuje wymaganie wysokiej liczby warstw. Na wyższym poziomie mogą one mieć kilkaset pinów, zdecydowanie nie jest to wysoka liczba, jaką można by zobaczyć na umiarkowanie dużym BGA.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Strategia trasowania 1: Brak strategii!

Strategia "brak strategii" jest zdecydowanie najprostsza i skupia się tylko na minimalizacji liczby warstw przy jednoczesnym zapewnieniu rozwiązywalności. Może zacząć się od wybrania wymaganej liczby warstw i trasowania wychodzącego z BGA, stosując standardowe podejście fan-out, próbując zmieścić wszystkie ścieżki, lub trasowania swobodnego i dodawania nowych warstw sygnałowych w miarę potrzeb. Stosuje się, gdy:

• Nie martwisz się o oddzielanie różnych specyfikacji impedancji na różnych warstwach
• Wszystkie interfejsy nie mają specyfikacji impedancji, takie jak SPI
• Wszystkie interfejsy mają takie same wymagania dotyczące impedancji
• Liczba interfejsów ze specyfikacją impedancji jest mała (może 1 lub 2)

Nie trzeba chyba dodawać, że trasowanie przy użyciu tej strategii może nie wyglądać na bardzo uporządkowane, ale zmniejszenie nacisku na integralność sygnału na rzecz rozwiązywalności może pomóc utrzymać liczbę warstw na niższym poziomie niż w innych strategiach.

Ten interfejs równoległy zaczyna się od BGA (prawy dolny róg) i prowadzi do modułu LCD (lewy górny róg).

Strategia 2: Priorytetowanie warstw przez interfejs

W tej strategii, specyficzne interfejsy kontrolowane impedancją otrzymują własne przydziały warstw i są głównie trasowane w tych warstwach. Producent następnie przyjmuje kontrolowane podejście do impedancji i określa właściwości elektryczne, które będą używane podczas budowy twojego układu warstw. Tego typu strategia może być używana, gdy istnieje wiele szybkich interfejsów wymagających kontroli impedancji, które mogą mieć różne docelowe wartości impedancji. W niektórych przypadkach, przy interfejsach różnicowych, mają one tę samą nominalną docelową wartość impedancji, ale możliwe, że różne wymagania dotyczące pasma, co będzie wymagać użycia różnych szerokości i odstępów linii dla różnych interfejsów.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

Na poniższych obrazkach pokazuję wiele cyfrowych interfejsów przypisanych do różnych warstw w układzie 16-warstwowym. Zaangażowane interfejsy to:

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

I zobacz, jak te są rozdzielone na różne warstwy na poniższych schematach.

Wysokoprędkościowe trasowanie wielu interfejsów cyfrowych na płytce PCB o dużej liczbie warstw.

Zauważysz, że na tych warstwach jest trochę pustej przestrzeni. Ważne jest, aby pamiętać, że w tej strategii warstw głównym celem jest ułatwienie producentowi określenia impedancji. Kiedy na każdej warstwie jest tylko jedna specyfikacja impedancji, producentowi znacznie łatwiej jest wyprodukować układ warstw, który spełnia te cele dla każdego interfejsu.

Wadą jest to, że zazwyczaj prowadzi to do większej liczby warstw, jak również do pustej przestrzeni na niektórych warstwach. W razie potrzeby możesz wypełnić część tej pustej przestrzeni dodatkową masą lub miedzią dla szyn zasilających. W niektórych projektach wolę wykorzystać tę przestrzeń na szyny zasilające, ponieważ może mi to pozwolić na całkowite wyeliminowanie warstwy zasilającej. Możesz również nadal używać tych warstw z kontrolowaną impedancją dla sygnałów niskoprędkościowych lub konfiguracyjnych, pod warunkiem, że nie są one zbyt blisko skupione wokół twoich ścieżek wysokoprędkościowych.

Strategia 3: Warstwy wysokiej i niskiej prędkości

W tej strategii liczba interfejsów wymagających kontrolowanej impedancji jest zazwyczaj niska, lub wszystkie interfejsy z kontrolowaną impedancją wymagają tej samej impedancji. Pozwala to na oddzielenie sygnałów na dedykowane warstwy wysokiej i niskiej prędkości. Jest to podobne do tego, co można zrobić na płytce sześciowarstwowej z czterema warstwami sygnałowymi, gdzie warstwy sygnałowe niskiej prędkości mogą być umieszczone obok siebie.

Ten typ strategii sprzyja ortogonalnemu trasowaniu, szczególnie jeśli sygnały niskiej prędkości znajdują się na sąsiednich warstwach. Na przykład, zobacz trasowanie pokazane poniżej, które wykorzystuje ortogonalne kierunki trasowania między dwoma komponentami na dwóch różnych warstwach.

Te I/O są częścią interfejsu SDRAM i mogą być łatwo trasowane do chipa pamięci przy użyciu podejścia ortogonalnego trasowania.

Trasowanie w tej strategii będzie miało mniej wyzwań związanych z integralnością sygnału, ponieważ wiele sygnałów ma tendencję do bycia niskoprędkościowymi. Dlatego to podejście pomaga utrzymać rozsądną liczbę warstw.

Strategia 4: Połączenie zasilania i niektórych sygnałów

Inna strategia trasowania, którą często stosuję na płytach o wysokiej liczbie warstw, to połączenie niektórych sygnałów i szyn zasilających w jednej warstwie.

Częstym powodem, dla którego liczba warstw staje się wysoka, nie jest tylko duża liczba sygnałów lub interfejsów wymagających trasowania. Liczba warstw może również wzrosnąć z powodu wielu szyn zasilających i zasilaczy. Początkujący projektant może sądzić, że PCB wymaga dedykowanej płaszczyzny zasilania dla każdej szyny zasilającej, ale spowodowałoby to stworzenie dużej liczby warstw z nadmiarem miedzi. Lepszą strategią jest zamiast tego używanie szyn zasilających narysowanych jako poligony.

W warstwach, gdzie rysowane są szyny zasilające, dopuszczalne jest używanie tych warstw do trasowania sygnałów. W szczególności ma sens trasowanie sygnałów o niższej prędkości lub sygnałów konfiguracyjnych w tych warstwach. Widzę wiele przykładów tego w serii 1-Minute Design Review, co wygląda mniej więcej jak pokazane poniżej trasowanie.

Trasowanie w warstwach zasilania jest odpowiednie, o ile zachowana jest wystarczająco duża odległość.

To podejście może być stosowane w ramach Strategii 2, ponieważ pozwala na wykorzystanie pozostałych warstw, które nie są przypisane do masy, dla sygnałów o niskiej prędkości. Sygnały o wysokiej prędkości mogą nadal mieć swoje własne warstwy w ramach Strategii 2, w miarę potrzeb. Pomaga to utrzymać niską liczbę warstw, eliminując potrzebę dedykowanych płaszczyzn zasilania i dedykowanych warstw dla sygnałów o niskiej prędkości.

Ponadto, nadal możliwe jest prowadzenie ścieżek z kontrolowaną impedancją na warstwach zawierających szyny zasilające. Zazwyczaj, prowadzenie ścieżek na warstwie z koplanarną masą wymaga egzekwowania reguły odstępu, aby zapobiec nadmiernemu wpływowi pojemności na impedancję ścieżki. Ta sama zasada ma zastosowanie przy prowadzeniu ścieżek w pobliżu szyn zasilających. Zamiast stosować globalną regułę odstępu elektrycznego, najlepiej jest utworzyć regułę specyficzną dla sieci i warstwy, aby egzekwować ten odstęp. W Altium Designer, możesz ustawić tę regułę odstępu, używając niestandardowego zapytania, wykorzystując warunki InNet (lub InNetClass) oraz InLayer.

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodne elektroniki mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer^®. Aby w dzisiejszym środowisku wielodyscyplinarnym wdrożyć współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Tylko zarysowaliśmy możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.