O Desafio do Design de Empilhamento de PCB de Alta Velocidade

Por mais que gostaríamos de construir todas as PCBs de alta velocidade perfeitamente, com características ideais de SI/PI/EMI, nem sempre é possível devido a muitas restrições práticas. Às vezes, um empilhamento pode ser "suficientemente bom", mesmo para uma PCB de alta velocidade. Isso sempre vem da necessidade de equilibrar as restrições de engenharia, os requisitos funcionais e a necessidade de garantir a integridade de sinal e de energia em um design de alta velocidade, e finalmente garantir a conformidade com os requisitos de EMC.

Mesmo com todas as boas diretrizes disponíveis para design de alta velocidade, existem aspectos particulares da construção do empilhamento e sua relação com a construção de placas que são negligenciados. Meu objetivo aqui é ir além das típicas diretrizes de SI/PI e olhar para esses problemas de uma perspectiva mais engenhosa. Quando digo "perspectiva de engenharia", estou me referindo a todas as outras restrições em um produto que direcionam o design da placa.

Traduzir Restrições do Produto em Necessidades de Empilhamento

Se começarmos pela perspectiva da engenharia, devemos começar desenvolvendo uma lista de restrições e requisitos funcionais para o sistema que queremos construir. Em uma PCB de alta velocidade, geralmente começamos com um componente específico que queremos usar. Ao trabalhar em projetos para clientes, isso quase sempre será um processador específico e seus periféricos (CPU ou FPGA, memórias, outros chips especializados, etc.). Uma lista de restrições que pode se aplicar em um design típico de PCB de alta velocidade inclui:

• Contagem de pinos do componente principal e tamanho do lead (por exemplo, BGA)
• Contagem de I/O em componentes grandes, que determina a contagem de camadas
• Contagem de interfaces, bem como o número de sinais em cada interface
• Meta de espessura da placa, que pode ou não serespessura padrão (62 mils)
• Meta de perda em comparação ao tamanho da placa

Por que começar com esta lista? Isso ocorre porque os componentes usados refletem os requisitos funcionais, e os requisitos funcionais vão determinar coisas como a contagem de I/O, e assim a contagem de sinais. Então, antes de começar a vasculhar materiais prontos ou antes de começar a usar uma pilha padrão, certifique-se de ter algumas respostas para as perguntas acima.

Parâmetros de exemplo para uma placa de 22 camadas com materiais FR4. Com um núcleo FR4 e conjunto de prepreg, a espessura da sua camada pode ser maior, levando a uma espessura da placa também bastante grande (cerca de 3 mm neste caso). O uso de materiais alternativos pode resultar em uma placa mais fina e possivelmente reduzir a quantidade de camadas.

Agora, vamos tentar alinhar esta lista com o empilhamento ideal para PCBs de alta velocidade e ver se conseguimos encontrar uma convergência.

• Camadas de sinal precisam ter camadas de terra adjacentes para fornecer isolamento
• Camadas de alimentação precisam de uma camada de terra adjacente
• Se os canais forem muito longos, um material de baixa perda pode ser preferível
• Espessuras de camadas podem exigir um via menor (cego ou cego/enterrado) para alcançar os I/Os
• Você precisa de larguras de linha específicas e espaçamento de pares diferenciais para atingir os alvos de impedância

Quando chegamos a placas avançadas com alta contagem de camadas, vemos a convergência entre materiais HDI e funcionalidade de alta velocidade. Empilhamentos HDI que exigem impedância controlada e suportam interfaces de alta velocidade criarão desafios com larguras de linha e espaçamentos, a ponto de que processamentos não padrão possam ser necessários. O processo abaixo irá revisar os desafios de design e deve ilustrar as considerações de DFM que são necessárias nestes produtos.

1. Comece com Espessuras de Placa e Camada

Um ponto importante a ser observado em PCBs de alta velocidade com alta contagem de I/O é a espessura de suas camadas, que podem ser muito finas. Às vezes, há um equívoco de que ir para contagens de I/O muito altas obriga você a usar uma placa que é maior do que a espessura padrão porque a contagem de camadas se torna alta. Isso não é necessariamente verdade; existem materiais disponíveis que podem ajudar os designers a permanecer no alvo de tamanho de placa padrão, mas com espessuras de camada baixas.

A razão pela qual nos importamos com a espessura da camada em um design de alta velocidade é porque ela determinará a largura de linha necessária para atingir um alvo de impedância. À medida que a espessura de uma camada de sinal se torna menor, a largura de linha necessária para sinais controlados por impedância também se reduz.

• Saiba mais sobre larguras de linha em dielétricos finos

No caso em que você atingiu seu limite de espessura da placa e ainda precisa chegar a espessuras de camada mais finas, isso pode levar as larguras de linha abaixo das capacidades de um processo de fabricação padrão ou do processo de produção HDI. Existem materiais que podem ser usados para chegar a uma espessura menor sem também reduzir a largura de linha? A resposta pode estar em usar um material de baixo Dk.

2. Quando Você Deve Usar PTFE ou Materiais de Baixo Dk?

Não consigo contar quantas vezes um autoproclamado guru afirmou que laminados de baixo Dk ou substratos de PTFE devem sempre ser usados em PCBs de alta velocidade como uma regra geral. É importante lembrar que PCBs de alta velocidade abrangem uma ampla gama de possíveis taxas de dados, velocidades de borda, larguras de banda e larguras de trilhas. Existem muitos designs que poderiam ser confortavelmente chamados de “alta velocidade”, mas não são construídos com um laminado de baixo Dk. Da mesma forma, existem muitos designs de alta velocidade no domínio HDI que também usam um laminado de baixo Dk, mas nem sempre é porque eles precisam ter baixa perda de inserção.

Provavelmente o material de baixo Dk mais citado é o PTFE preenchido com cerâmica, que abrange uma enorme gama de materiais possíveis. O valor de Dk dos materiais baseados em PTFE é modulado pela adição de preenchimentos cerâmicos, então um substrato de PTFE curado poderia ter uma ampla gama de valores. Por exemplo, materiais de PTFE poderiam ter valores de Dk variando de aproximadamente 3 a aproximadamente 10, todos com perdas menores do que os laminados FR4 padrão. Você pode ver uma seleção de materiais de PTFE aqui.

As três principais razões para usar um material de baixo Dk em placas avançadas de alta velocidade com camadas de sinal finas são:

1. As larguras de linha podem ser maiores do que em um material de alta Dk para o mesmo alvo de impedância (Veja o gráfico acima)
2. Se o material não for reforçado, não haverá desvio devido ao efeito da trama de fibra
3. Podem estar disponíveis como laminados finos, então podem ser usados quando o número de camadas é alto

Esses três motivos ilustram por que, quando se chega a um número alto de camadas, o atraso de propagação mais rápido em um laminado de baixa Dk é insignificante, ao contrário do senso comum. Para profissionais que trabalham com placas avançadas, a questão da largura de linha dominará, especialmente ao projetar placas de alta contagem de camadas com linhas de transmissão de impedância controlada.

3. Equilibrar Perda e Valor de Dk

Quando a espessura da camada é pequena, a largura de linha necessária para atingir uma impedância particular também será pequena. Se a largura de linha for muito pequena, então o processamento pode ser mais desafiador e os custos serão aumentados. Isso ilustra por que o ponto #1 acima é importante; Dk mais baixo permite larguras de linha mais largas para uma determinada espessura de substrato.

Para equilibrar baixa perda e alta Dk, existem materiais com Dk variando de 3,5 a 4 com tangentes de perda menores do que o FR4 padrão; Rogers e Isola são duas empresas que produzem esses laminados, e me lembro de outro material disponível da ITEQ com tangente de perda ~0,01.

Se um Dk baixo é necessário em uma PCB de alta velocidade no nível HDI, provavelmente precisará ser reforçado com vidro. Isso pode ser reforçado com vidro espalhado de ~5 mils, mas espessuras menores podem precisar de uma trama solta para reforço. O reforço com vidro espalhado visa minimizar o acúmulo de desvio quando o material é usado para camadas de sinal. A principal razão para isso é a fabricabilidade:

1. Laminados de PTFE não reforçados são muito flexíveis, especialmente em camadas finas, a ponto de poderem ser difíceis de manusear e colocar em um empilhamento.
2. Por causa do #1, pode haver algum desalinhamento ao construir o empilhamento de camadas em processamento padrão.

4. Se Dk Baixo Nem Sempre é Necessário, Por Que os Designers de RF o Utilizam?

Os laminados de PTFE são favoritos entre a comunidade de RF, e existem boas razões para usá-los, mas eu não acho que os designers digitais saibam exatamente por que isso acontece. A razão mais comumente citada é o baixo valor de perda de alguns laminados e bondplies de PTFE, como os materiais da série RO3000.

Uma razão pela qual os valores de Dk são cuidadosamente escolhidos em placas de RF é para equilibrar o tamanho do circuito com a perda. De fato, se você olhar para a lista de laminados de PTFE acima, verá que alguns laminados de PTFE de alto Dk com perdas menores que FR4 (basta calcular a parte imaginária da constante dielétrica). Um valor de Dk mais alto proporciona circuitos menores em baixas frequências (por exemplo, RF sub-GHz), mas um Dk mais baixo pode ajudar a garantir que algo seja fabricável em altas frequências (por exemplo, radar).

Outro motivo pelo qual um laminado de PTFE seria usado é porque as placas de RF tendem a ter canais muito mais longos em placas digitais, então os mecanismos de perda dominantes estarão relacionados à propagação. Estes são a perda dielétrica e a perda devido à aspereza do cobre. Os materiais de PTFE de baixo Dk de hoje têm tangentes de perda muito baixas, o que equivale a baixas perdas dielétricas. Esses laminados também podem aceitar cobre VLP com aspereza muito baixa, então eles também podem oferecer perdas de cobre menores do que o cobre eletrodepositado padrão.

Materiais de Capacitância Embutida (ECM)

Para auxiliar a integridade de potência, o dielétrico que preenche entre pares de planos de potência e terra deve ser escolhido corretamente. A sabedoria convencional sobre materiais de baixa perda e baixo Dk está errada novamente aqui. O material usado entre um par de planos de potência/terra não deve ser um material de baixo Dk. Em vez disso, deve ter um valor de Dk alto e altas perdas. Essas camadas também devem ser o mais finas possível.

A indústria respondeu com materiais de alta Dk muito finos que podem ser incorporados em sistemas de resina-fibra de vidro. Esses materiais de capacitância embutida não são necessários para a integridade de potência, mas certamente ajudam em PCBs de alta velocidade com muitas camadas. Existem três razões para isso:

1. Alta Dk proporciona mais capacitância de plano
2. Camadas de ECM mais finas têm mais capacitância de plano
3. Alta perda na camada de ECM amortiza flutuações de potência muito rapidamente

Os valores de Dk desses materiais podem variar de ~4 a ~10 de 100 MHz a 1 GHz. Esta é exatamente a região onde gostaríamos de ter capacitância de plano que pode amortecer ressonâncias de plano de potência e qualquer falta de capacitância no chip/em pacote. A espessura desses materiais será da ordem de micrômetros. Algumas empresas que produzem esses materiais incluem 3M e DuPont; outro material bem conhecido é FaradFlex. Como esses materiais também têm espessuras de camada pequenas, eles podem ser usados em empilhamentos com muitas camadas.

• Saiba mais sobre os efeitos dos materiais ECM de alta Dk na integridade de potência

Pensamentos Finais

No processo de design de empilhamento de PCB de alta velocidade, a ação de construir um empilhamento de PCB é quase o último passo do processo. Em vez disso, nos importamos muito mais com a contagem de camadas e espessuras em comparação ao tamanho dos terminais dos componentes e ao fanout. A partir daí, você pode abordar a seleção de materiais para as camadas de sinal e pode avaliar materiais de capacitância embutida para pares de planos de alimentação/terra.

Se você está apenas projetando uma placa mais simples, como uma placa de 4 camadas para alta velocidade, você realmente só tem duas coisas a determinar: espessura da camada externa e valor de Dk. Juntos, estes determinarão a largura do traço que você precisa para atingir a impedância de modo único, seguido pelo espaçamento para uma impedância diferencial alvo.

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