Вызов проектирования многослойной печатной платы для высокоскоростных сигналов

Закарайа Петерсон
|  Создано: 30 Октября, 2022  |  Обновлено: 2 Сентября, 2024
Проектирование многослойных печатных плат высокой скорости

Хотя мы и хотели бы создавать каждую высокоскоростную печатную плату идеально, с идеальными характеристиками SI/PI/EMI, это не всегда возможно из-за множества практических ограничений. Иногда структура может быть «достаточно хорошей», даже для высокоскоростной печатной платы. Это всегда связано с необходимостью сбалансировать инженерные ограничения, функциональные требования и необходимость обеспечить целостность сигнала и питания в высокоскоростном дизайне, и, наконец, соблюдение требований EMC.

Даже при наличии всех хороших руководств по высокоскоростному проектированию, есть определенные аспекты построения структуры и их связь с производством плат, которые часто упускают из виду. Моя цель здесь - выйти за рамки просто типичных руководств по SI/PI и рассмотреть эти проблемы с более инженерной точки зрения. Когда я говорю «с инженерной точки зрения», я имею в виду все остальные ограничения в продукте, которые определяют дизайн платы.

Преобразование Продуктовых Ограничений в Необходимость Структуры

Если мы начнем с инженерной точки зрения, то должны начать с разработки списка ограничений и функциональных требований к системе, которую мы хотим построить. В случае высокоскоростной печатной платы мы обычно начинаем с конкретного компонента, который хотим использовать. При работе над проектами для клиентов это почти всегда будет конкретный процессор и его периферийные устройства (ЦПУ или FPGA, память, другие специализированные чипы и т.д.). Примерный список ограничений, которые могут применяться в типичном дизайне высокоскоростной печатной платы, включает:

  • Количество выводов и размер выводов основного компонента (например, BGA)
  • Количество входов/выходов в крупных компонентах, которое определяет количество слоев
  • Количество интерфейсов, а также количество сигналов в каждом интерфейсе
  • Целевая толщина платы, которая может быть или не быть стандартной толщиной (62 мил)
  • Цель по потерям в сравнении с размером платы

Почему начать с этого списка? Потому что используемые компоненты отражают функциональные требования, и функциональные требования будут определять такие вещи, как количество входов/выходов, а следовательно, и количество сигналов. Так что прежде чем начать просматривать материалы с полок или прежде чем начать использовать стандартную структуру, убедитесь, что у вас есть ответы на вышеуказанные вопросы.

PCB layers example

Пример параметров стека платы для 22-слойной платы с материалами FR4. Используя ядро FR4 и препрег, толщина ваших слоев может быть больше, что приводит к увеличению толщины платы (в данном случае около 3 мм). Использование альтернативных материалов может дать более тонкую плату и, возможно, сократить количество слоев.

Теперь давайте попробуем совместить этот список с идеальным стеком платы для высокоскоростных ПП и посмотрим, сможем ли мы найти точки соприкосновения.

  • Сигнальные слои должны иметь смежные земляные слои для обеспечения изоляции
  • Слой питания требует смежного земляного слоя
  • Если каналы очень длинные, предпочтительнее может быть материал с низкими потерями
  • Толщина слоев может потребовать использования меньших сквозных или скрытых/закрытых переходных отверстий для соединения вводов/выводов
  • Вам нужны определенные ширины линий и расстояния между дифференциальными парами для достижения целевых значений импеданса

Когда мы переходим к продвинутым платам с большим количеством слоев, мы видим схождение между материалами HDI и функциональностью высокой скорости. Стеки HDI, требующие контролируемого импеданса и поддерживающие интерфейсы высокой скорости, создадут проблемы с шириной линий и расстояниями, до такой степени, что может потребоваться нестандартная обработка. Процесс ниже рассмотрит проблемы проектирования и должен иллюстрировать соображения DFM, необходимые в этих продуктах.

1. Начните с толщины платы и слоев

Важно отметить, что в высокоскоростных печатных платах с большим количеством входов/выходов толщина слоев может быть очень маленькой. Иногда существует заблуждение, что переход к очень большому количеству входов/выходов заставляет использовать плату, которая больше стандартной толщины, поскольку количество слоев становится высоким. Это не всегда так; существуют материалы, которые могут помочь дизайнерам оставаться в рамках целевого размера стандартной платы, но с низкой толщиной слоев.

Причина, по которой нам важна толщина слоя в высокоскоростном дизайне, заключается в том, что она определяет необходимую ширину линии для достижения целевого импеданса. По мере уменьшения толщины слоя сигнала требуемая ширина линии для сигналов с контролируемым импедансом также уменьшается.

В случае, если вы достигли предела по толщине платы и вам все еще нужно добиться меньшей толщины слоя, это может привести к тому, что ширина линий будет ниже возможностей стандартного процесса изготовления или процесса производства HDI. Существуют ли материалы, которые можно использовать для достижения меньшей толщины без сокращения ширины линии? Ответ может заключаться в использовании материала с низким Dk.

2. Когда следует использовать PTFE или материалы с низким Dk?

Я не могу сосчитать, сколько раз самопровозглашенные гуру заявляли, что для высокоскоростных печатных плат всегда следует использовать ламинаты с низким Dk или подложки из ПТФЭ в качестве общего правила. Важно помнить, что высокоскоростные печатные платы охватывают довольно широкий диапазон возможных скоростей передачи данных, скоростей фронтов сигнала, полос пропускания и ширин трасс. Есть много конструкций, которые можно с уверенностью назвать «высокоскоростными», но они не сделаны с использованием ламината с низким Dk. Аналогично, много высокоскоростных конструкций в области HDI также используют ламинат с низким Dk, но это не всегда потому, что им необходимо иметь низкое значение потерь при вставке.

Вероятно, наиболее часто упоминаемым материалом с низким Dk является керамически наполненный ПТФЭ, который охватывает огромный диапазон возможных материалов. Значение Dk материалов на основе ПТФЭ модулируется за счет добавления керамических наполнителей, так что отвержденная подложка из ПТФЭ может иметь широкий диапазон значений. Например, материалы ПТФЭ могут иметь значения Dk в диапазоне от примерно 3 до примерно 10, все с меньшими потерями, чем стандартные ламинаты FR4. Здесь вы можете посмотреть выбор материалов ПТФЭ.

Варианты материалов

Толщина

Поставщики

ПТФЭ:

- Низкий Dk (~3), низкий Df

Тонкий (~2 мил)

Arlon

Ненасыщенный PTFE:

- Низкий Dk (~3), низкий Df

Толстый (не менее ~4 мил)

Rogers, Taconic

Низкопотерный FR4

- Умеренный Dk (~3.5-4), низкий Df

Толстый (не менее ~4 мил)

Isola, ITEQ

Сверхнизкопотерный FR4

- Низкий Dk (~3-3.5), низкий Df

Толстый (не менее ~3 мил)

Panasonic, Isola

 

Три основные причины использования материала с низким Dk в передовых высокоскоростных платах с тонкими слоями сигналов:

  1. Ширина линий может быть больше, чем на материале с высоким Dk, для достижения того же целевого импеданса (См. график выше)
  2. Если материал не армирован, не будет искажения из-за эффекта тканевой сетки
  3. Они могут быть доступны в виде тонких ламинатов, поэтому их можно использовать, когда количество слоев высоко

Эти три причины иллюстрируют, почему, когда вы имеете дело с большим количеством слоев, более быстрая задержка распространения в ламинате с низким Dk не имеет значения, вопреки общепринятому мнению. Для профессионалов, работающих с передовыми платами, проблема ширины линий будет доминировать, особенно при проектировании плат с большим количеством слоев с контролируемым импедансом стриплайнов.

Stripline and microstrip trace width comparison
Сравнение ширины микрополосковой и полосковой линий передачи относительно толщины подложки (верхние и нижние диэлектрики для полосковых линий) с импедансом 50 Ом на диэлектриках с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью. Эти данные были рассчитаны с использованием менеджера стека слоёв в Altium Designer. Изображение подготовлено автором.

3. Баланс потерь и значения Dk

Когда толщина слоя мала, требуемая ширина линии, необходимая для достижения определенного импеданса, также будет мала. Если ширина линии слишком мала, то обработка может быть более сложной, и это приведет к увеличению затрат. Таким образом демонстрируется, почему пункт №1 выше важен; более низкий Dk позволяет использовать более широкие линии для данной толщины подложки.

Для достижения баланса между низкими потерями и высоким Dk существуют материалы с Dk в диапазоне от 3.5 до 4 с меньшими углами потерь, чем у стандартного FR4; Rogers и Isola - две компании, производящие эти ламинаты, и, насколько я помню, еще один материал доступен от ITEQ с углом потерь ~0.01.

Если для высокоскоростной печатной платы на уровне HDI требуется низкий Dk, скорее всего, потребуется стекловолоконное усиление. Это может быть усилено распределенным стеклом примерно в ~5 мил, но меньшая толщина может потребовать свободного переплетения для усиления. Усиление распределенным стеклом направлено на минимизацию накопления сдвига, когда материал используется для сигнальных слоев. Основная причина этого - производственная возможность:

  1. Неусиленные ламинаты из PTFE очень гибкие, особенно в тонких слоях, до такой степени, что их может быть сложно обрабатывать и размещать в стопке.
  2. Из-за пункта #1 могут возникнуть некоторые неточности при сборке стопки слоев в стандартном процессе.

4. Если низкий Dk не всегда необходим, почему RF-дизайнеры используют его?

Ламинаты на основе ПТФЭ пользуются популярностью среди специалистов в области РЧ, и есть веские причины, по которым мы их используем, но я не думаю, что цифровые дизайнеры точно знают, почему это так. Наиболее часто упоминаемая причина - низкие потери некоторых ламинатов и связующих на основе ПТФЭ, таких как материалы серии RO3000.

Одна из причин, по которой значения Dk тщательно подбираются для РЧ плат, заключается в балансе между размером схемы и потерями. Фактически, если вы посмотрите на список ламинатов ПТФЭ выше, вы увидите, что некоторые ламинаты ПТФЭ с высоким Dk имеют меньшие потери, чем FR4 (просто рассчитайте мнимую часть диэлектрической проницаемости). Большее значение Dk обеспечивает меньшие размеры схем на низких частотах (например, РЧ ниже ГГц), но меньшее значение Dk может помочь обеспечить производимость на высоких частотах (например, радар).

Тип соединения

Механизм потерь

Длинный канал, низкий Df

Потери на вставке, доминируют из-за шероховатости меди и покрытия

Длинный канал, высокий Df

Потери на вставке, доминирует диэлектрик

Короткий канал, низкий Df

Потери на возврате

Короткий канал, высокий Df

Потери на возврате с затухающими отражениями

 

Другая причина использования ламината на основе ПТФЭ заключается в том, что у РЧ плат обычно гораздо более длинные каналы, чем у цифровых плат, поэтому доминирующими механизмами потерь будут являться потери на распространение. Это диэлектрические потери и потери из-за шероховатости меди. Современные материалы ПТФЭ с низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) имеют очень низкие углы потерь, что соответствует низким диэлектрическим потерям. Эти ламинаты также могут использовать медь VLP с очень низкой шероховатостью, поэтому они также могут предложить меньшие потери меди, чем стандартная электролитически осажденная медь.

5. Материалы с встроенной емкостью (ECM)

Для поддержания энергетической целостности диэлектрик, заполняющий пространство между парами плоскостей питания и земли, должен быть выбран правильно. Традиционные представления о материалах с низкими потерями и низкой Dk здесь снова неверны. Материал, используемый между плоскостями питания и земли, не должен быть материалом с низкой Dk. Вместо этого он должен иметь высокое значение Dk и высокие потери. Эти слои также должны быть как можно тоньше.

Толщина слоя ECM

5 до 20 микрон

Значение Dk слоя ECM

3 до 22

Угол потерь слоя ECM

0.001 до 0.01

Эквивалентная плотность емкости

0.87 до 25 нФ/кв. дюйм

Значение Tg

120 до 180 °C

Доступное медное покрытие

Электролитически осажденное или прокатанное отжигом

 

Отрасль отреагировала на это созданием очень тонких материалов с высоким значением Dk, которые могут быть интегрированы в системы смолы и стекловолокна. Эти материалы с встроенной емкостью не являются обязательными для энергетической целостности, но они определенно полезны в высокоскоростных печатных платах с большим количеством слоев. Существует три причины для этого:

  1. Высокий Dk обеспечивает большую плоскостную емкость
  2. Более тонкие слои ECM имеют большую плоскостную емкость
  3. Высокие потери в слое ECM быстро гасят колебания мощности

Значения Dk этих материалов могут варьироваться от ~4 до ~10 от 100 МГц до 1 ГГц. Это именно та область, где мы хотели бы иметь плоскостную емкость, которая может гасить резонансы плоскости питания и любую нехватку емкости на чипе/в пакете. Толщина этих материалов будет порядка микронов. Некоторые компании, производящие эти материалы, включают 3M и DuPont; другой известный материал - FaradFlex. Поскольку эти материалы также имеют малую толщину слоев, их можно использовать в стеках с большим количеством слоев.

Заключительные мысли

В процессе проектирования стека высокоскоростной печатной платы (PCB) построение стека PCB является примерно последним шагом в процессе. Вместо этого нас гораздо больше интересуют количество слоев и их толщина по сравнению с размером выводов компонентов и разветвлением. Отсюда вы можете подойти к выбору материалов для сигнальных слоев, а также оценить материалы с встроенной емкостью для пар плоскостей питания/земли.

Если вы проектируете более простую плату, например, 4-слойную плату для высокоскоростных целей, вам действительно нужно определить только две вещи: толщину внешних слоев и значение Dk. Вместе они определят необходимую ширину дорожки для достижения однопроводного импеданса, за которым следует расстояние для целевого дифференциального импеданса.

Когда вам нужно спроектировать стек вашей высокоскоростной PCB, используйте полный набор инструментов для проектирования PCB в Altium Designer®. Менеджер стека слоев дает вам полный контроль над вашим стеком PCB, включая выбор материалов и расчет импеданса. Когда вы закончите свой проект и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен вашими проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.

Об авторе

Об авторе

Закарайа Петерсон (Zachariah Peterson) имеет обширный технический опыт в научных кругах и промышленности. До работы в индустрии печатных плат преподавал в Портлендском государственном университете. Проводил магистерское исследование на хемосорбционных газовых датчиках, кандидатское исследование – по теории случайной лазерной генерации. Имеет опыт научных исследований в области лазеров наночастиц, электронных и оптоэлектронных полупроводниковых приборов, систем защиты окружающей среды и финансовой аналитики. Его работа была опубликована в нескольких рецензируемых журналах и материалах конференций, и он написал сотни технических статей блогов по проектированию печатных плат для множества компаний.

Связанные ресурсы

Связанная техническая документация

Вернуться на главную
Thank you, you are now subscribed to updates.