Ограничения проекта, вытекающие из структуры слоев печатной платы

Стек PCB определяет гораздо больше, чем просто количество медных слоёв в плате. Он задаёт физические ограничения, которые определяют геометрию переходных отверстий, ширину дорожек, зазоры, плотность трассировки, импеданс, толщину меди и последовательность изготовления. Самое важное: простое добавление слоёв или глухих/скрытых переходных отверстий не даёт неограниченной свободы трассировки — вместо этого оно меняет ограничения в проекте и может сузить ваши возможности по трассировке, сборке и/или изготовлению конструкции.

К счастью, понимание этих факторов помогает разработчикам принимать более взвешенные решения по стеку, а не полагаться на большое число слоёв и сложные наборы переходных отверстий как на костыли. Худший сценарий — завершить проект и только потом обнаружить, что его невозможно изготовить при тех ограничениях, которые использовались при выполнении топологии. Избежать таких проблем можно, если понимать, как стек PCB определяет конкретные правила проектирования в топологии платы.

Как стек PCB определяет правила проектирования

По мере роста количества компонентов и плотности межсоединений обычно увеличивается и число слоёв PCB. Обычно это делается для поддержки современных BGA и корпусов с нижними выводами малого шага, из-за чего в ответ растут и количество слоёв, и общая толщина стека. Высокоскоростные интерфейсы также могут требовать определённой толщины диэлектрика, чтобы обеспечить контролируемый импеданс при технологически реализуемой ширине дорожек.

Эти требования связаны с общей толщиной платы. Плата с большим числом слоёв, построенная из относительно толстых диэлектрических слоёв, может очень быстро стать слишком толстой для стандартного сверления сквозных отверстий. Очень тонкие диэлектрические слои могут повысить плотность трассировки, но также могут сместить проект в сторону процессов изготовления HDI fabrication processes. Поэтому стек должен обеспечивать баланс между плотностью трассировки, требованиями к импедансу, общей толщиной и возможностями производства.

Наиболее распространённые ограничения, задаваемые стеком, можно свести к следующему:

Соотношение сторон сквозных переходных отверстий

Сквозные переходные отверстия — одно из самых простых мест, где можно получить непроизводимую конструкцию. Определяющим параметром здесь является соотношение между толщиной платы и диаметром готового отверстия. Чем толще плата или чем меньше диаметр сверления, тем сложнее металлизировать переход по всей глубине отверстия. Однако по ряду причин программы для проектирования PCB не позволяют задавать aspect ratio как правило проектирования и вместо этого требуют от пользователя задавать минимально допустимые размеры отверстий для разных типов переходных отверстий.

Например, использование переходных отверстий с готовым диаметром 0,15 мм в PCB толщиной 2 мм создаёт очень жёсткое соотношение сторон, которое большинство производств отклонит. Даже при номинальной 62 mil (1.57 mm) board thickness такой диаметр сверления может выходить за рамки стандартных технологических возможностей многих производителей. Это становится особенно важно, когда большие BGA или плотные топологии QFN подталкивают разработчиков уменьшать диаметр переходных отверстий, чтобы создать больше каналов трассировки:

• В крупном BGA, где в fanout-трассировке можно использовать сквозные отверстия, большее число выводов означает больше слоёв в стеке и, следовательно, большую толщину
• При увеличении толщины платы сквозные отверстия всё сильнее приближаются к пределу по соотношению сторон, а увеличение их диаметра в итоге упирается в предел по зазорам

Правильное ограничение должно задаваться производителем, а не универсальным правилом проектирования PCB. Большинство производств допускают диаметр сверления 8 mil в PCB стандартной толщины, изготовленной по нормам IPC Class 2; для Class 3 допустимое соотношение сторон может быть уменьшено. Как только известно максимальное поддерживаемое соотношение сторон, минимально допустимый диаметр сверления можно определить исходя из предполагаемой толщины платы.

Толщина меди меняет правила трассировки

Толщина меди — ещё один параметр стека, ограничивающий плотность трассировки. По мере увеличения итоговой толщины меди обычно растут минимально технологичные ширина дорожек и зазор медь-медь. С точки зрения правил проектирования PCB это означает, что внутренние и внешние слои могут требовать разных ограничений на трассировку. В типичном стеке могут использоваться 0,5 oz меди на внутренних слоях и 1 oz итоговой меди на внешних слоях. Тогда внешние слои будут требовать значительно больших минимальных ширин и зазоров, чем внутренние трассировочные слои.

Различие между базовой и итоговой толщиной меди также имеет значение. Внешние слои получают дополнительную медь в процессе металлизации сквозных отверстий, поэтому слой, начинающийся как 1 oz copper foil, в итоге может стать заметно толще. Поэтому в производственной документации следует указывать требования именно к итоговой толщине меди и использовать правила проектирования, соответствующие этой итоговой толщине.

Пример минимальных зазоров/размеров элементов в зависимости от толщины меди (примечание: для внутренних слоёв использовалась бы другая таблица)

Источники: Bittele Electronics и PCBWay.

Когда толщина меди достигает 2 oz и более, требования к зазорам между дорожками, допускам на травление, заполнению смолой, покрытию паяльной маской и паяемости становятся более жёсткими. Именно поэтому во многих силовых электронных устройствах или цифровых конструкциях, где также требуются высокие токи, добавление дополнительных трассировочных или полигональных слоёв с медью 1 oz даёт гораздо больше свободы проектирования, чем попытка использовать толстые медные слои на небольшом числе слоёв. С точки зрения стоимости оба подхода в целом примерно одинаковы.

Глухие и скрытые переходные отверстия в подламинатах

Механически сверлёные глухие и скрытые переходные отверстия вводят ограничения, напрямую связанные с последовательностью изготовления и стандартными производственными возможностями, особенно в части сверления. Для глухих/скрытых переходных отверстий в подламинатах существуют важные правила:

1. Правило начала и конца — механически сверлёный глухой/скрытый переход не может заканчиваться на том же слое, на котором начинается другой механически сверлёный переходной диапазон. Исключение возможно при использовании последовательного ламинирования, либо потребуются лазерно сверлёные глухие переходы, которые допускают стекирование.
2. Отсутствие пересечения переходов — диапазоны механически сверлёных глухих/скрытых переходов не должны пересекаться, однако они могут быть вложенными.
3. Склейка препрегом — при соединении подламинатов подстеки могут склеиваться только с помощью препрегов, а не сердечников.

С практической точки зрения, если вы ориентируетесь на определённый диаметр скрытого переходного отверстия, например для fanout BGA, то соотношение сторон для сверления должно быть предусмотрено ещё на этапе создания стека. Каждый независимый диапазон глухих/скрытых переходов может потребовать дополнительных подламинатов, операций сверления и этапов металлизации, а каждый из них увеличивает толщину меди, повышает требования к зазорам/размерам и уменьшает допустимое соотношение сторон.

Процесс металлизации также изменяет толщину меди в начале и конце диапазонов механически сверлёных скрытых переходов. Эти открытые медные слои получают дополнительную металлизацию при формировании стенок скрытых переходов. Получающаяся итоговая толщина меди может влиять на зазоры при трассировке, расчёты импеданса и компенсацию травления на этих слоях.

Последовательное ламинирование и ограничения HDI

Последовательное ламинирование вводит ещё один набор ограничений при использовании лазерно сверлёных микропереходов. Допустимый диаметр лазерного сверления зависит от толщины диэлектрика между соседними медными слоями, и обычно требуется соотношение сторон менее 1, поэтому buildup-слои HDI, как правило, делают тонкими. Если диэлектрик становится слишком толстым относительно диаметра лазерно сверлёного отверстия, переход выходит за пределы поддерживаемого производителем microvia aspect ratio.

Каждый цикл последовательного buildup также добавляет производственные этапы. Для стековых микропереходов могут потребоваться заполненные и выровненные по плоскости переходы, прежде чем над ними можно будет разместить ещё один микропереход напрямую, и производители могут ограничивать число поддерживаемых уровней стекирования. Смещённые микропереходы позволяют избежать части этих требований к стекированию, но занимают больше площади трассировки.

Во многих практических стеках HDI последовательное ламинирование сочетается с сердечником со скрытыми переходными отверстиями, выполненными механическим сверлением. Это даёт разработчику и микропереходы возле внешних слоёв, и более длинные скрытые соединения через центральную часть платы. Ниже показан распространённый вариант, поддерживающий стекирование микропереходов до внутренних слоёв и перекрывающиеся BGA с обеих сторон PCB.

Определяйте производственные ограничения до начала трассировки

Наиболее эффективный стек PCB — это тот, который обеспечивает требуемую трассировку, не вынуждая производство использовать лишние технологические этапы. До начала размещения компонентов и трассировки используйте данные об итоговой толщине меди, допустимом соотношении сторон для механического сверления и любых вариантах стекирования микропереходов от выбранного производителя, чтобы задать несколько базовых правил проектирования:

• Размеры медных элементов и зазоры
• Ограничения на размеры переходных отверстий для различных их типов
• Значения ширины дорожек/зазоров для линий с контролируемым импедансом
• Определите параметры медных элементов как для внутренних, так и для внешних слоёв, с учётом толщины меди

Эти простые правила проектирования PCB не позволяют топологии уйти в сторону решения, которое потребует серьёзной переработки, чтобы стать пригодным для производства. Чтобы лучше понять правила проектирования и ограничения, накладываемые структурами скрытых переходных отверстий в более сложных стеках, посмотрите видео ниже.

Независимо от того, нужно ли вам разрабатывать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования PCB и CAD-инструменты мирового класса от Altium. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования PCB и средства междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь с экспертом Altium уже сегодня!

Часто задаваемые вопросы

Как толщина PCB влияет на соотношение сторон сквозного переходного отверстия?

Толщина PCB напрямую влияет на соотношение сторон сквозного переходного отверстия. Чем толще плата, тем больше соотношение сторон при заданном диаметре сверления, что затрудняет равномерную металлизацию стенок отверстия. Разработчикам следует уточнить у производителя максимально допустимое соотношение сторон и, исходя из предполагаемой толщины платы, определить минимально допустимый диаметр готового отверстия.

Когда для стека слоев PCB требуется последовательное ламинирование?

Последовательное ламинирование обычно требуется, когда стек слоев использует микроотверстия, выполненные лазерным сверлением, которые соединяют несколько buildup-слоев, либо когда структуры переходных отверстий невозможно изготовить за один стандартный цикл ламинирования. Каждый цикл buildup добавляет этапы производства, а stacked microvias может потребоваться заполнить и выровнять перед размещением над ними следующего микроотверстия.

Могут ли глухие и скрытые переходные отверстия пересекаться или перекрываться в стеке слоев PCB?

Диапазоны механически просверленных глухих и скрытых переходных отверстий, как правило, не могут пересекаться друг с другом, хотя могут быть вложенными. Также одно механически просверленное переходное отверстие не может заканчиваться на том же слое, на котором начинается другое механически просверленное отверстие, если не используется последовательное ламинирование. Микроотверстия, выполненные лазерным сверлением, обеспечивают дополнительную гибкость и могут поддерживать stacked-структуры, если это допускается технологическим процессом производства.

Почему для внешних слоев PCB требуются другие правила по ширине проводников и зазорам, чем для внутренних слоев?

Для внешних слоев PCB могут требоваться большие ширины проводников и зазоры, поскольку при металлизации сквозных отверстий на них дополнительно осаждается медь. В результате итоговая толщина меди может быть больше, чем толщина исходной фольги, и больше, чем толщина меди на внутренних слоях. Поэтому правила проектирования PCB должны учитывать итоговый вес меди на каждом слое, а не применять одинаковые правила ко всему стеку слоев.

Как вес меди влияет на ширину проводников и зазоры на PCB?

С увеличением итогового веса меди обычно увеличиваются минимально технологичные ширина проводников и медь-к-меди зазор. Более тяжелая медь требует большего допуска на травление и производственные отклонения, что снижает плотность трассировки, доступную на данном слое. Например, в статье показано, что стандартные минимальные размеры элементов увеличиваются с 4 mil для меди 0,5 oz до 8 mil для меди 2 oz.