Nova Arquitetura Multicamada: Malha de Energia

É engraçado como aceitamos o status quo como a única realidade simplesmente porque é a única existência à qual fomos submetidos. No design de circuitos impressos, a arquitetura multicamada é um desses status quo. Mas não é a única arquitetura que funcionará para designs de alta velocidade. Na Hewlett-Packard, experimentamos e implementamos uma arquitetura de maior desempenho baseada em características de Design RF. Não foi por acaso, já que nossa organização de design de PCB também compartilhava recursos com nossa organização de design de IC. Um dia, eu estava revisando um artigo escrito pelo Dr. Leonard Shaper da HiDEC (parte da Univ. de Arkansas) sobre Sistema de Energia de Malha Interconectada (IMPS) [1,2,3]. Esta era uma arquitetura de alta densidade criada para o design de substratos MCM de filme fino de 2 camadas, onde cada camada continha terra de energia e terra de sinal e não havia planos. Naquela época, a única maneira de chegar a geometrias de 10 mícrons era empregar metais pulverizados finos e litografia de fotorresistência de semicondutores. Eu pensei na época, “Por que não tentamos isso com geometrias de 5 mil (0,125mm) em FR4 para ver se funcionará?” A Figura 1 mostra as três arquiteturas e regras de design.

Testamos a arquitetura em uma placa de disco de 12 camadas atual e conseguimos completar o design com apenas 4 camadas (não movemos nenhuma peça).

Uau!—foi mais fácil do que pensávamos! Nossos amigos designers de IC, olhando por cima dos nossos ombros, comentaram, “Bom trabalho—é assim que projetamos circuitos integrados”. Nossos clientes de RF também comentaram, “Nada de novo—esta é uma estrutura de linha de transmissão coplanar com deslocamento—usando isso há 30 anos!” Então, não inventamos algo novo (como aprendemos quando tentamos patentear) mas com certeza funcionou melhor e tinha densidades maiores do que a arquitetura multilayer convencional, além de também ter uma PDN de indutância mais baixa. Nós chamamos isso de “POWER MESH”, e mantivemos como ‘NOSSO’ segredo!

FIGURA 1 a. A arquitetura multilayer convencional; b. a arquitetura IMPS de apenas 2 camadas metálicas; c. A arquitetura HP Power Mesh de 4 camadas.

Controle de Impedância

A Figura 2a mostra o plano de alimentação único. O próximo passo é um plano de alimentação dividido (fig2b). O Power Mesh utiliza estruturas coplanares de RF para aplicar até 12 trilhas de alimentação separadas nas camadas 3 e 4, mas ortogonais (Fig2c). As mesmas PDNs são conectadas às camadas 2-3 com vias enterradas (Fig2d). Linhas de transmissão para roteamento, seja de extremidade única ou diferencial, foram uma grande preocupação com esta arquitetura. Como visto na Figura 2 (fig2e), todos os traços são coplanares e referenciados ao plano de terra próximo, mas também acoplados à alimentação. A Fig2f mostra as regras de design para diferenciais de 50 ohm e 100 ohm.

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Figura 2. A estrutura de linha de transmissão coplanar deslocada tem muitas vantagens para sinais de alta velocidade - baixo acoplamento cruzado - baixas impedâncias de PDN; .a.  

Layout e Design

O layout de PCB é incomum, mas direto. A diferença é que primeiro você cria uma grade de energia, na qual coloca os pinos de energia para dispositivos nesta grade, após calcular a largura das trilhas de energia. Para garantir que não haja queda de tensão, você usa uma malha para conectar todos os dispositivos na camada 1 e 4 por meio de vias cegas. A malha de PDN deve ser completada em X e Y; roteada de volta às suas fontes de energia usando vias enterradas. Esta malha age como um plano, no sentido de que a energia tem várias rotas para os dispositivos.

Proteja todas as conexões de energia e a malha e comece o roteamento de sinais nas camadas X e Y. É ‘OK’ ‘empurrar’ a malha de energia se a conexão do pino de energia for mantida. Uma vez que o roteamento esteja completo, todas as trilhas de energia são expandidas para preencher todos os espaços disponíveis (como polígonos) para maximizar a capacitância distribuída para cada PDN. A Figura 3 é um resumo dos passos do design.

Figura 3. O processo de design para Malha de Energia tem atividades familiares, mas rearranjadas de forma que a estrutura de PM é feita primeiro.

Exemplo

Um dos muitos exemplos que usamos para treinar designers e engenheiros é visto na Figura 4. Esta multicamada de alta velocidade foi originalmente projetada com 12 camadas. A versão com malha de alimentação precisou de apenas 4 camadas e foi completada em apenas 2 dias, pois não movemos nenhuma peça. Em revisões posteriores, percebemos que, se movêssemos 48% das peças para o lado oposto, a placa poderia ter metade do tamanho - ou poderíamos fundir uma segunda placa no verso.

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Os testes funcionais indicaram menor diafonia e menor impedância da rede de distribuição de energia (PDN), juntamente com a redução de custos de 8 camadas para 4 camadas. Reduções de custo adicionais poderiam ser esperadas se colocássemos muitos dos componentes no lado oposto.

Não há artigos publicados sobre este tópico, pois mantivemos isso em segredo por 30 anos!! Mas se você pesquisar "power mesh" no Google, verá artigos sobre design de IC. VÁ EM FRENTE!

Figura 4: Um exemplo de um convencional multilayer TH HS de 12 camadas redesenhado para um Power Mesh de 4 camadas. (análises posteriores indicaram que a placa poderia ter metade do tamanho ou um segundo TH integrado nesta versão PM). A. Roteamento Y da camada-2 de sinal & PWR; b. Roteamento da camada-3 de roteamento X de sinal e PWR; c. Duas das camadas internas convencionais de 12 camadas; d. Camada-1 de superfície com ground-pour e terras SMT incluindo vista lateral.

Referências

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1. L.W. Schaper, S. Ang, D.A. Arnn, J.P.Parkerson, “Um Módulo Multichip de Baixo Custo Usando Substrato Flex e Ball Grid Array”, Anais do ICE sobre Módulos Multichip, Denver, CO, abril de 1996, pp. 28-32.

2. Schaper, L & Grover, M, “Comparação do Sistema de Energia de Malha Interconectada (IMPS) e Topologias de Interconexão de Stripline Enterrado em Embalagens de Microprocessadores”, 5º Workshop IEEE sobre Propagação de Sinal em Interconexões, Junho de 2000, São Francisco, CA

3. Schaper, L; Parkerson, J; Brown, W; & Ang, S; “Modelagem e Análise Elétrica de Interconexões de Alta Conectividade Fora do Chip Sem Emendas (SHOCC)”, Transações IEEE em Embalagens Avançadas, Vol.22, Nº.3, Agosto de 1999