Связность плоскости земли в HDI-печатных платах поддерживает целостность сигнала

Для высокоскоростных PCB-проектов требуется связность земли по всему стеку слоёв платы. Наиболее распространённый способ реализовать это в стандартном стек-апе с более низкоскоростными сигналами — использовать stitching vias. Эти переходные отверстия соединяют несколько плоскостей и полигонов земли в стеке слоёв PCB, чтобы поддерживать чёткую опорную ссылку 0 В по всей длине низкоскоростной или высокоскоростной трассы.

Но что происходит в HDI-проекте, где вертикальное пространство для трассировки крайне ограничено? В HDI-проектах мы часто предпочитаем использовать (или вынуждены использовать) глухие и скрытые микровия для соединения сигналов, и та же тенденция обычно возникает для соединений земли. Это может создавать серьёзные проблемы со связностью земли, когда высокоскоростные сигналы перемещаются по стеку слоёв.

К сожалению, с помощью правил и ограничений проектирования нет хорошего способа проверить тот тип связности земли, который нам нужен в HDI-проектах. Одна из причин этого, как мы увидим, связана с распиновкой BGA-корпусов. В этой статье я объясню, почему это создаёт проблемы с целостностью сигнала и что можно сделать для их решения.

Что создаёт плохую связность земли

Проблема плохой связности земли возникает из-за использования глухих и скрытых переходных отверстий в fanout-трассировке, особенно на выводах земли в BGA fanout routing. Распиновка корпуса и переходные отверстия, используемые в fanout, могут заканчиваться на слое, который расположен недостаточно глубоко в стек-апе.

На изображении ниже показан пример хорошей связности земли для stripline-трассы, выходящей из BGA. В этом примере внешний GND via заканчивается на слое GND над сигнальным слоем. Затем контакт GND внутреннего ряда переходит на слой под stripline-сигналом. Поскольку внутренний GND via касается как верхней, так и нижней плоскости GND, он помогает гарантировать, что слои плоскостей сохраняют одну и ту же опорную ссылку 0 В вокруг stripline-сигнала.

Идеальная связность земли в HDI-проекте: stitching vias могут проходить рядом с сигнальными переходными отверстиями, чтобы гарантировать сохранение опорной ссылки 0 В вдоль трассы.

Возникающий в этой ситуации обратный ток показан стрелками. Обратный ток формирует электромагнитное граничное условие для электромагнитного поля и определяет индуктивность вдоль этого пути тока. Распиновка процессоров иногда организована так, что земляные выводы не расположены удобно вокруг сигналов, и поэтому автоматический fanout не может создать ситуацию, подобную показанной выше.

В некоторых случаях разработчик может считать, что ему нужен только один переход с L1 на L2, чтобы коснуться первой плоскости GND на внутреннем слое. В результате обратный ток формируется вокруг переходного отверстия, которое находится гораздо дальше от трассируемого сигнала, особенно при stripline-трассировке глубже во внутренних слоях.

В чём именно здесь проблема? Это способствует возникновению двух проблем целостности сигнала:

• Локальный кросстолк от сигнала
• Шум одновременного переключения на других IO
• Потенциально более высокий уровень измеряемого излучения

Решение не идеально, но оно простое: размещайте stitching via непосредственно рядом с переходами сигнала. В HDI-проекте предпочтительно использовать металлизированное сквозное отверстие, чтобы гарантировать, что все плоскости имеют один и тот же потенциал 0 В. Однако шаг шариков BGA может не позволять это в fanout-трассировке. Поэтому часто оказывается, что мы можем использовать только глухое/скрытое stitching via для соединения земель. В BGA fanout routing это даже предпочтительнее, потому что ближайшее сквозное переходное отверстие может быть недоступно, пока вы не отойдёте далеко от области fanout.

Иногда распиновка корпуса бывает ужасной

Есть один факт, который нам, возможно, не хочется признавать, но он совершенно верен: некоторые распиновки корпусов абсолютно ужасны с точки зрения обеспечения связности земли, и это касается не только HDI-проектов. Разработчик корпуса, вероятно, рассматривает земляные выводы только как путь, по которому ток покидает кристалл. Но они значат гораздо больше: земляные выводы со стабильной опорной ссылкой 0 В формируют граничное условие для электромагнитного поля. Поэтому с ростом частоты выводы Ground сильно влияют на кросстолк, согласование импеданса переходных отверстий и вносимые потери в области BGA fanout routing.

На изображении ниже показана теоретически идеальная распиновка для любого BGA. Это не надуманный пример — это реальная распиновка для Optical phy chip, работающего на скоростях 56G (полоса канала 28 ГГц) при шаге 0,8 мм. Проекты, работающие на более высоких скоростях передачи данных (112G-PAM4 и 224G-PAM4), доходят до шага 0,5 мм, поскольку это необходимо для сохранения перехода с низкой дисперсией для высокоскоростных последовательных сигналов.

56G-phy-ballout.png

При шаге 0,8 мм и большом числе слоёв PCB почти всегда будет слишком толстой для использования сквозных переходных отверстий в fanout-трассировке из-за ограничений на переходные отверстия с высоким aspect ratio. Поэтому мы обычно используем стек из микровия и смещаемся к скрытым переходным отверстиям, чтобы добраться до внутренних сигнальных слоёв. В приведённом выше примере земляные переходные отверстия, размещённые рядом с сигнальными переходными отверстиями, всегда обеспечивают возможность поддерживать связность земли для stripline-трасс; у каждого сигнального ряда будет выделенный ряд земли позади него, который соединяется с обеими плоскостями.

Пример 1: NRF54LM20A-PAAA

Теперь давайте рассмотрим реальные распиновки для HDI-проектов. На изображении ниже показан пример трассировки для компонента NRF54LM20A-PAAA от Nordic Semiconductor. Выводы земли обозначены жёлтым контуром. Хотя это 98-контактный fine-pitch BGA (шаг 0,35 мм), у него всего 11 выводов земли, редко распределённых по распиновке.

Расположение шариков GND в корпусе NRF54LM20A-PAAA. Малый шаг (0,35 мм) не позволяет использовать стандартные сквозные переходные отверстия.

Хотя в проекте есть несколько выводов GND, расположенных близко ко многим сигналам, они напрямую соединены с плоскостью земли на L2 только через глухие микровия. Поблизости есть 3 сквозных GND via, но это единственные переходные отверстия, которые соединяются с внутренними плоскостями рядом с сигнальными переходами микровия в области BGA fanout.

Это создаёт для данного устройства риск ground bounce noise и кросстолка в области fanout-трассировки; однако, с учётом допустимого высокого напряжения питания и, следовательно, больших шумовых запасов этого компонента, это может быть не столь серьёзной проблемой. Но если мы посмотрим на другой тип компонентов, например высокоскоростную память, станет понятно, почему это может быть серьёзной проблемой. В идеале нам нужно было бы выполнить две задачи:

• Добавить больше сквозных GND-отверстий по краю BGA
• Добавить внутренние stitching vias в тех местах, где сигнальные переходы находятся далеко от сквозных отверстий

Разумеется, насколько это действительно серьёзная проблема, зависит от рассматриваемых сигналов, особенно когда речь идёт об EMI от переходов через переходные отверстия. Самыми быстрыми интерфейсами в этом компоненте являются USB и линии SPI; из них именно SPI будет интерфейсом с наибольшим риском EMC (по причинам, которые я обсуждаю здесь). В таком случае линиям SPI нужны stitching vias, расположенные максимально близко, тогда как нагруженные GPIO или линии I2C часто могут обойтись и без близко расположенных stitching vias.

Пример 2: пользовательский модуль DRAM

Теперь давайте рассмотрим ещё одну распиновку — для пользовательского модуля DRAM (память DDR4-3200) от крупного поставщика полупроводников. Этот модуль популярен во встраиваемых вычислительных системах и объединяет большое количество bytelane в одном модуле. Посадочное место показано ниже, а выводы GND выделены.

Посадочное место пользовательского модуля DRAM. Выделенные площадки показывают вывод земли.

Если использовать глухие переходные отверстия L1-L2 для соединения выводов земли, вы гарантированно столкнётесь с шумом одновременного переключения и высоким кросстолком в области fanout. Любой сигнал, который трассируется на внутренний сигнальный слой (L3, L5 и т. д.), не будет иметь поблизости stitching via, если для земляных выводов используются только глухие переходы L1-L2.

Поскольку этот компонент выполнен в нестандартном, не-JEDEC корпусе и не содержит стандартного routing channel, для его разводки (point-to-point) требуется как минимум 4 или 5 сигнальных слоёв. Кроме того, расположение сигнальных выводов потребует стековых микровия и скрытого переходного отверстия для доступа ко всем сигнальным слоям. Однако должно быть очевидно, что расположение выводов земли в распиновке приводит к тому, что некоторые сигналы оказываются далеко от земляного вывода.

Решение этой проблемы требует следующего:

• Планирования перехода через глухие/скрытые переходные отверстия для всех выводов GND, чтобы соединить все плоскости GND под модулем
• Размещения дополнительных сквозных отверстий по границе корпуса
• Размещения внутренних скрытых микровия/скрытых механических переходных отверстий для stitching-соединения между слоями

Теперь сравните это с типовым стандартизованным JEDEC корпусом для памяти DDR, например с чипом памяти DDR4 от Micron, показанным ниже.

Почему этот корпус с большей вероятностью обеспечит лучшую производительность с точки зрения ground bounce, кросстолка и EMI?

• Количество выводов и число рядов/столбцов меньше, поэтому число слоёв, вероятно, будет достаточно малым, чтобы можно было использовать сквозные отверстия.
• Шаг составляет 0,8 мм, что достаточно много для использования сквозных отверстий в dog-bone fanout или via-in-pad.
• Почти все высокоскоростные сигнальные выводы находятся не дальше 1,6 мм (расстояние в 2 вывода) от вывода VSS.
• Routing channel позволяет при необходимости добавить несколько дополнительных stitching vias, например в области A7/A9/A13/A17.

Если бы распиновка пользовательского модуля использовалась только для компонента с низкоскоростными сигналами, то проект, вероятно, не был бы проблемным с точки зрения кросстолка, ground bounce и EMI. Однако этот компонент содержит несколько интерфейсов DDR4, работающих на частоте 1600 МГц (скорость передачи данных 3200 MT/s), что требует высокой скорости фронта по временным соображениям. Гораздо более высокая скорость фронта делает проблемы SI, EMI и кросстолка, связанные с недостаточным количеством соединений GND на внутренних сигнальных слоях, значительно более заметными.

Решение: сначала размещайте GND via!

Самая большая ошибка, которую может допустить разработчик в таких проектах, — размещать переходные отверстия для контактов GND после трассировки сигнальных выводов. Если сначала разместить переходные отверстия GND, они будут выступать ограничениями при трассировке сигналов, и вам придется прокладывать дорожки в обход них, однако это позволит избежать важного набора проблем с целостностью сигнала в HDI-проекте. Это намного предпочтительнее, чем полностью выполнить трассировку в HDI-проекте, а затем понять, что в fanout не было предусмотрено достаточного количества заземляющих переходных отверстий!

Если вам нужно создавать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций для проектирования PCB и CAD-инструменты мирового класса от Altium. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты для проектирования PCB и возможности междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!