Проектирование четырехслойной структуры печатной платы без плоскостной емкости

В ряде предыдущих статей я рассматривал проблемы, с которыми сталкиваются при проектировании плат на 16 и более слоев. Это типы сложных печатных плат, которые используются в высокопроизводительных серверах, коммутаторах и продуктах облачных титанов, поддерживающих постоянно растущие потребности Интернета.

Однако многие продукты не требуют таких сложных плат с большим количеством слоев. Примером могут служить десятки миллионов четырехслойных материнских плат PCB, производимых каждый год для ПК и других сравнительно недорогих продуктов, таких как продукты Xbox™ от Microsoft. На первый взгляд может показаться, что проектирование четырехслойной печатной платы должно быть легкой задачей, но, как и любая другая плата, оно требует правильного расположения элементов и структуры слоев. Кроме того, существуют особые проблемы при проектировании структуры четырехслойной печатной платы с плоскостной емкостью или без нее. Поскольку высокая плоскостная емкость недоступна на четырехслойной печатной плате без соседних слоев питания и земли, необходимо использовать другие подходы. В этой статье описывается, как лучше всего спроектировать структуру четырехслойной печатной платы, а также как обрабатывается отсутствие плоскостной емкости.

Азбука четырехслойной структуры печатной платы

Двухслойные платы

Перед появлением четырехслойных печатных плат были двухслойные логические платы, как показано на Рисунке 1. Эти платы вполне удовлетворяли электронные потребности и широко использовались до тех пор, пока не возникла необходимость в быстрых соединениях с низкой индуктивностью, которые можно было достичь с помощью плоскостей.

Четырехслойные печатные платы

Четырехслойные печатные платы на протяжении 40 лет являются основой компьютеров и игр. С первого дня материнские платы ПК были четырехслойными. И потребность в четырехслойных платах будет только расти по мере разработки все большего количества продуктов, ориентированных на потребителя.

Технические аспекты, определяющие дизайн четырехслойной печатной платы:

• Две хорошие плоскости, распределяющие питание, которые непрерывны (обычно находятся под поверхностными слоями).
• Слой дорожек, расположенный близко к этим плоскостям, чтобы можно было контролировать перекрестные помехи и импеданс.

Ключевые экономические и бизнес-факторы при создании четырехслойной печатной платы заключаются в ее производстве огромными тиражами (порядка миллионов) с минимально возможными затратами. Такие объемы необходимы, поскольку на создание инструментов, необходимых для изготовления плат, приходится тратить огромные суммы денег. Ключевые преимущества четырехслойных плат включают в себя:

• Четырехслойные платы легко поддаются технологии массового ламинирования с использованием панелей размером 36” x 48”.
• Формирование изображения для внутренних слоев, которые являются просто плоскостями, выполняется с помощью стеклянных экспонирующих пластин вместо пленки. Это делает инструмент более долговечным и механически стабильным.
• После того как внутренние слои напечатаны и вытравлены, препрег и фольга размещаются снаружи ламината.
• Вокруг каждой платы на панели 36” x 48” расположены маленькие метки для выравнивания. Медь на верхней части плат стачивается так, чтобы метки были видны, и сверло могло быть выровнено по паттерну, который находится внутри плат. В результате, нет необходимости беспокоиться о погрешностях выхода за пределы на очень больших панелях.

Перспектива дизайна

С точки зрения дизайна, четырехслойная конструкция печатной платы, показанная на рисунке 2, довольно проста. Элементы, которые следует иметь в виду, включают:

• Два внешних слоя являются слоями сигналов.
• Два средних слоя являются Vdd и землей.
• Расстояние между каждым сигнальным слоем и расположенной ниже плоскостью устанавливается равным 4 или 5 милам для контроля импеданса и перекрестных помех.
  • Это расстояние заставляет два слоя плоскостей быть очень далеко друг от друга — 40 милов или более.
  • Емкость плоскостей при расстоянии в 40 милов ничтожно мала по сравнению с тем, что было бы, если бы плоскости находились рядом (на порядок ниже).
    • Необходимая высококачественная емкость находится на кристалле и в пакете (об этом позже).

Другие факторы, которые следует учитывать при работе с четырехслойными платами, включают:

• Толщина более 40 милов более чем достаточна, чтобы сделать плату жесткой.
• С четырехслойной платой правила трассировки для высокоскоростных сигналов строже, потому что вы не можете менять слои без риска создания разрыва импеданса.
  • Это должно быть командной работой между людьми, которые распределяют контакты на ИС, людьми, которые распределяют контакты на пакете, и людьми, которые разрабатывают плату. Это должно быть согласовано между этими тремя группами.
  • Все высокоскоростные сигналы должны начинаться и заканчиваться на одном и том же слое. Рисунок 3 показывает фотографию секции четырехслойной платы со всеми сигналами, идущими по верхнему слою.

• Переходные отверстия на четырехслойной печатной плате являются сквозными. Эти отверстия заполнены, чтобы загрязнители не могли проникнуть с одной стороны платы на другую. Такое загрязнение может вызвать утечку между контактами под BGA, которую невозможно очистить, и это приводит к выбрасыванию всей сборки.
  • Слепые переходные отверстия на четырехслойной плате не нужны, поскольку они только создают соединение от переходных отверстий к первому плоскому проводнику.
  • Слепые переходные отверстия увеличивают стоимость платы.

Что насчет отсутствия емкости плоскостей?

Как видно на Рисунке 4 и как отмечено выше, емкость между плоскостями на материнской плате ПК с расстоянием в 40 мил составляет незначительное значение (около 5 пФ на квадратный дюйм емкости плоскости). Но источник высококачественной (с низкой индуктивностью) емкости требуется для обеспечения тока для зарядки линий данных и адреса.

Эта емкость обеспечивается за счет интеграции большого количества емкости непосредственно на кристалле ИС или в корпусе компонента. Такая же емкость с низкой индуктивностью является путем, по которому возвратные токи находят свой путь с одного слоя на другой, когда сигнал меняет слои. Когда этого нет, сигналы необходимо маршрутизировать от точки к точке, оставаясь на том же слое сигнала.

Примеры емкости на кристалле компонентов и модулей памяти включают:

• Кристалл DDR2 имеет более 100 пФ на каждый ввод-вывод, встроенных для обеспечения заряда линиям, которые управляются.
• Микросхема Power PC имеет более 200 пФ на каждый ввод-вывод, встроенных для обеспечения заряда при управлении однопроводными линиями.
• Микросхема Power PC имеет порядка 50 нФ, встроенных для обеспечения заряда ядру при переходе из режима сна в полностью активный.
• Специально разработанный процессор ИС для суперкомпьютера следующего поколения Blue Gene, имеющий шину памяти шириной 512 бит, имеет 190 нФ емкости на кристалле для поддержки переходных процессов.

Что насчет четырехслойных печатных плат с широкими шинами?

Изначально необходимость в емкости плоскостей была обусловлена необходимостью поддерживать большие однополярные переходные процессы, такие как те, что встречаются в подсистемах памяти. Однако, с сегодняшними широкими шинами, необходимо учитывать следующие факторы.

• Как отмечалось выше, на четырехслойной плате со стеком сигнал/земля/питание/сигнал емкость плоскостей очень низкая.
• Единственным «путем возврата» для сигналов, меняющих слои, являются дискретные конденсаторы, которые плохо функционируют на частотах, задействованных в быстрых шинах данных.
  • В результате сигналы должны оставаться на том же слое сигнала на всем протяжении пути.
• ИС, не имеющие встроенной емкости для поддержки быстрых переходных процессов, будут работать плохо на четырехслойных печатных платах, что приведет к системам с «нестабильной» работой и высоким уровнем ЭМИ.
• В результате вышеизложенного требуется комбинация встроенной и упаковочной емкости, и применимы следующие положения:
• С геометрией ИС 130 нанометров и меньше, ток внутри ИС или ядра часто может достигать десятков Ампер всего за 15 пс.
  • Токовые переходные процессы такой величины и скорости не могут быть поддержаны емкостью на печатной плате из-за индуктивности шариков упаковки и переходных отверстий.
• Сочетание ультранизкоиндуктивных конденсаторов, установленных на хорошо спроектированной упаковке BGA, с емкостью на кристалле решает эту проблему.

Резюме:

Четырехслойные печатные платы являются основой индустрии компьютеров и игровых консолей. Успешный дизайн стека, разметки и трассировки четырехслойной печатной платы основан на действительных правилах проектирования, и существуют способы обеспечения емкости, когда внутренние слои плоскостей не обеспечивают достаточной межплоскостной емкости. Эта емкость обеспечивается на кристалле интегральных схем или посредством комбинации конфигураций на кристалле и на упаковке.

Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше или узнать больше о планировании вашего многослойного стека печатной платы в Altium Designer®.

Ссылки:

1. Ричи, Ли В., и Засио, Джон Дж., "С первого раза, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем", Том 2.
2. Ричи, Ли В., Слайды курса, "2-дневный курс по целостности сигналов и проектированию высокоскоростных систем", учебный класс.