Межплоскостная ёмкость и структура слоёв печатной платы

Эта статья направлена на то, чтобы предоставить информацию о межплоскостной ёмкости и руководство по процессу проектирования стека печатных плат. Полезно взглянуть на эволюцию технологий с течением времени, чтобы увидеть, как изменились требования к стеку печатных плат.

В начале развития производства печатных плат, логические схемы были настолько медленными, что единственной заботой было, как сделать соединения между логическими или дискретными элементами и обеспечить путь для постоянного тока к каждому элементу. Всё, что нужно было сделать, - это предоставить достаточно слоёв для всех проводов и достаточно меди в путях питания, чтобы доставлять постоянный ток с минимальным падением напряжения. Не имело значения, какая стеклоткань использовалась в ламинате и препреге, какая была система смолы или какой толщины каждый кусок ламината. Целью была самая дешёвая печатная плата, которая выдерживала бы процесс пайки и была бы надёжной.

В конечном итоге ИС стали настолько быстрыми, что такие проблемы, как отражения и перекрестные помехи, стали иметь значение. Семейство логики, сделавшее это возможным, было ECL. В то время основными пользователями ECL были крупные компьютерные компании, такие как IBM, Control Data и Cray Research. Эти компании имели в штате инженеров, которые выполняли расчеты импеданса, необходимые для проектирования стеклопакетов, и имели собственные производственные мощности по изготовлению печатных плат, поскольку производители для широкого рынка еще не обладали возможностями контроля за производством, необходимыми для соответствия их требованиям.

В середине 1980-х годов TTL, наиболее распространенный тогда тип логики, стал настолько быстрым, что отражения стали проблемой, требующей наличия печатных плат с контролируемым импедансом. Мало кто, если вообще кто-то, из инженеров, работающих с TTL и CMOS, имел представление о том, как добиться печатной платы с контролируемым импедансом, поэтому они требовали, чтобы производитель поставлял печатные платы с известным импедансом, обычно 50 Ом. У производителей не было такой возможности, поскольку их навыки включали в себя гальванику, травление, ламинирование и сверление. Тем не менее, инженеры требовали, чтобы производители выполняли расчеты импеданса. Автор был свидетелем того времени и провел много часов, помогая производителям развить способность к расчету импеданса. Их умение в этой задаче было очень нестабильным и, во многих случаях, до сих пор остается таковым.

Вскоре после этого, перекрестные помехи между трассами, идущими рядом, стали проблемой, требующей от дизайнеров внимания к тому, насколько близко друг к другу и как перекрываются трассы.

К середине 1990-х годов скорости увеличились настолько, что большинство продуктов не проходили тесты на электромагнитную совместимость (EMI) из-за необходимости в емкости, работающей выше 100 МГц. Ни один из дискретных конденсаторов, установленных на шинах питания, не мог решить эту проблему из-за их индуктивности монтажа. Это привело к появлению так называемой межплоскостной емкости или скрытой емкости. Межплоскостная емкость создается путем размещения плоскостей питания и земли очень близко друг к другу, обычно менее 3 мил.

Таким образом, теперь у нас есть три требования, предъявляемых к дизайну стека: контролируемое сопротивление, контроль перекрестных помех и необходимость межплоскостной емкости. Некоторые производители могли добиться правильного сопротивления в стеке, но у них нет способа учесть два других аспекта. Эта ответственность лежит на инженере-конструкторе, который единственный знает, что необходимо и как реализовать требуемый контроль.

К середине 2000-х скорости многих дифференциальных пар стали настолько высокими, что стеклоткань, используемая в ламинате и препреге, могла вызвать явление, известное как сдвиг, который разрушал сигнал. Сдвиг - это несоответствие двух сторон дифференциальной пары по мере их прибытия к приемнику. Кроме того, потери в ламинате начали влиять на эти высокоскоростные сигналы, заставляя инженерную команду искать ламинаты с низкими потерями, которые удовлетворяли бы цели по потерям, а также все вышеупомянутые требования. Подробное обсуждение материалов, доступных для удовлетворения всех этих потребностей, содержится в главе 3 данного документа.

По всем обсуждаемым выше причинам инженер-конструктор должен взять на себя руководство проектированием. Для успешного выполнения этой задачи необходимо тщательное понимание процесса изготовления и материалов. В этом разделе будут рассмотрены все темы, связанные с проектированием стеков печатных плат, которые соответствуют четырем ограничениям: контролируемое сопротивление, управление перекрестными помехами, создание адекватной межплоскостной емкости и указание правильного переплетения для управления сдвигом.

ОРГАНИЗАЦИЯ СЛОЕВ С УЧЕТОМ МЕЖПЛОСКОСТНОЙ ЕМКОСТИ

После того, как количество силовых слоев, земляных слоев и слоев сигналов было определено для данного проекта, их расположение таким образом, чтобы были соблюдены все правила целостности сигнала и удовлетворены потребности в электропитании, является серией компромиссов. Если есть необходимость в межслоевой емкости, будет необходимо расположить слои так, чтобы земляные и напряженческие плоскости были расположены близко друг к другу. Рисунок 2.1 является примером компромиссов между слоями маршрутизации и емкостью силовых плоскостей для десятислойной печатной платы. Стек на левой стороне Рисунка 2.1 имеет шесть слоев сигналов, но только одну пару плоскостей, расположенных близко друг к другу. Это хорошо для пространства маршрутизации, но не так хорошо для электропитания, если есть необходимость в межслоевой емкости. Стек на правой стороне имеет только четыре слоя маршрутизации (два внешних слоя слишком далеко от ближайшей плоскости, чтобы достичь должного импеданса), но теперь имеет два набора пар плоскостей. Это хорошо для межслоевой емкости, но не так хорошо для пространства маршрутизации.

Рисунок 2.1 Два возможных способа расположения слоев в десятислойной печатной плате.

В обоих вышеупомянутых случаях все слои сигналов соединяются с плоскостями через куски ламината, за исключением двух внешних слоев. Как было сказано ранее, эти слои будут слишком далеко от ближайшей плоскости, чтобы достичь должного импеданса. Их можно использовать для трасс питания и площадок монтажа компонентов.

После определения расположения слоев следующим шагом является выбор толщины каждого диэлектрического слоя для достижения наилучшей производительности при минимальных затратах. Для минимизации перекрестных помех рекомендуется выбирать самый тонкий ламинат, который соответствует целям SI для пространства между слоями сигналов и их плоскостными партнерами. После этого рассчитывается необходимая ширина трассы для достижения целевого импеданса. Затем выбирается толщина препрега между плоскостями питания для удовлетворения требований к пробивному напряжению и обеспечения достаточного количества смолы для заполнения пустот в соседних плоскостях. Обычно это будет один слой стеклоткани, который изначально имеет толщину три мила и сжимается до примерно 2,5 милов.

В примере справа на рисунке 2.1 есть три слоя препрега, которые еще предстоит выбрать. Это слой в центре стека и два слоя непосредственно под внешними слоями. (Внешние слои в этом стеке не могут использоваться как слои с контролируемым импедансом, поэтому их высота над подлежащими плоскостями не критична.) Толщина всех трех этих промежутков может быть использована для добавления материала с целью достижения желаемой итоговой толщины, поскольку изменения толщины в этих трех областях мало влияют на общую производительность печатной платы.

ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО СТЕКУ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

По мере увеличения скорости сигналов требования, предъявляемые к печатной плате, становятся более сложными. Некоторые из этих требований, как упомянуто выше, включают контролируемый импеданс, контролируемое перекрестное воздействие, межплоскостную емкость, управление потерями на пути и контроль стиля ткани стеклоткани.

По этим причинам требования к документации также стали более сложными. Чертеж стека должен содержать больше информации, чем в прошлом, и заметки к изготовлению необходимо расширить. Рисунок 2.2 является примером объема информации, которая должна быть включена в чертеж стека, чтобы обеспечить корректное изготовление печатной платы. Обратите внимание, что на чертеже стека нет информации об импедансе. Причина этого в том, что также должны быть выполнены все другие требования. Таким образом, чертеж стека указывает общее поперечное сечение печатной платы, которое соответствует всем целям по сигнальной целостности (SI). Инженер-конструктор должен определить все эти параметры, включая импеданс, и указать общее поперечное сечение.

Рисунок 2.2 Чертеж стека с достаточной информацией

ЕМКОСТЬ МЕЖДУ ПЛОСКОСТЯМИ И ДРУГИЕ РАСЧЕТЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СТЕКА

Как было упомянуто ранее, для получения окончательного чертежа стека и правил трассировки дизайна необходимо выполнить ряд расчетов. Среди них:

• Импеданс

• Расстояние для предотвращения перекрестных помех

• Требуемая емкость между плоскостями

• Допустимые потери на трассе

• Допустимый сдвиг фаз

РАСЧЕТ ИМПЕДАНСА

Самым точным методом расчета импеданса является использование инструмента, который применяет уравнения Максвелла. Наименее надежным методом является использование любых уравнений, которые когда-то были единственным выбором. На рынке существует ряд продуктов, использующих уравнения Максвелла в 2D полевом решателе. Любой из этих методов дает точные ответы при условии использования правильных диэлектрических констант. Правильная диэлектрическая константа для каждого типа ламината получается из информации о ламинате, предоставляемой производителем ламината. Таблица 2.1 является типичным листом информации о ламинате с диэлектрической константой (er или Dk) в зависимости от частоты. Обратите внимание, что Dk варьируется как в зависимости от содержания смолы, так и от частоты. Крайне важно использовать правильное значение при расчете импеданса. К сожалению, автор обнаружил, что многие производители не используют правильные значения Dk при расчете импеданса, что приводит к изготовлению печатных плат с неправильным импедансом.

Информация предоставлена Isola

Таблица 2.1 Типичная таблица информации о ламинате

Инструменты для расчета импеданса, обычно доступные в индустрии печатных плат, включают:

• Polar Instruments SI8000 и SI9000

• Mentor Graphics Hyperlynx

• Z-ZERO

• Cadence

• HFSS

• ADS

Все эти инструменты обеспечивают точные импедансы и сопоставимы по точности. Polar SI8000 является наиболее часто используемым инструментом на производствах.

Новая альтернатива доступна с момента выпуска Altium Designer^® 19, менеджер стека использует решатель Simbeor SFS для точных расчетов импеданса с проверенной и подтвержденной точностью. Смотрите это в действии: 

Узнайте больше о точности импеданса и потерь в примечании к приложению 2018_05 здесь.

РАСЧЕТ РАССТОЯНИЯ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПОМЕХ

Переходные помехи - это нежелательное взаимодействие между двумя дорожками, расположенными слишком близко друг к другу. В стеках на Рисунке 2.1 есть пары слоев сигналов, один поверх другого. Если сигнал в одном из этих слоев находится над сигналом в другом слое, переходные помехи будут нарастать настолько быстро, что никакое количество наложений при текущих скоростях технологий не может быть допущено без возникновения проблемы с переходными помехами. Единственно безопасная стратегия трассировки в этом случае - трассировать один слой в направлении X, а другой - в направлении Y.

Когда дорожки расположены рядом на одном слое, необходимо тщательно следить за тем, чтобы расстояние между дорожками и высота ближайшей плоскости соответствовали целям по уменьшению перекрестных помех. Единственный способ определить надежные правила расстояния - использовать один из инструментов моделирования, предназначенных для этой цели. Правила вроде 2H или 3H являются произвольными и небезопасными для использования.

РАСЧЕТ ЕМКОСТИ МЕЖДУ ПЛОСКОСТЯМИ

Емкость между плоскостями, образованная двумя близко расположенными друг к другу плоскостями, оказалась необходимой для обеспечения очень быстрых коммутационных токов, необходимых современной логике для управления линиями передачи и питания ядер ИС. Недостаточное включение емкости между плоскостями в дизайн является наиболее распространенной причиной неудач в области электромагнитной совместимости (EMI).

Определение необходимого объема емкости между плоскостями достигается с помощью одного из аналитических инструментов, разработанных для этой цели. Дизайн стека печатной платы не может быть завершен без выполнения этого анализа.

ДОПУСТИМЫЕ ПОТЕРИ В ДОРОЖКАХ

По мере увеличения скоростей передачи данных возрастает потенциал деградации сигнала из-за потерь вдоль пути сигнала, вызванных потерями в диэлектриках и меди. Определение приемлемости потерь на предложенном пути на основе ширины дорожки и свойств потерь диэлектрика является сложным анализом, который требует использования таких инструментов, как ADS, HFSS, Hyperlynx Gigahertz или аналогичного.

На рынке существует множество ламинатов, разработанных для очень низких потерь. Решение о необходимости использования одного из них зависит от четырех факторов. Это:

• Длина пути сигнала

• Частотный состав этого сигнала

• Способность пары передатчик/приемник компенсировать потери

• Шероховатость меди в слоях и на дорожках

Ширина дорожки не включена в этот список, поскольку было показано, что для допустимых ширин дорожек в большинстве конструкций изменение ширины дорожки для уменьшения потерь (увеличение ширины дорожек) не является эффективным методом снижения потерь.

ДОПУСТИМОЕ СМЕЩЕНИЕ

Скью (задержка фаз) - это несовпадение во времени двух сигналов в дифференциальной паре, когда они приходят к приемнику. Основным источником нежелательного скью являются различия во времени прохождения по каждому следу из-за неравномерного расположения волокон в стеклоткани. По мере увеличения скоростей связи дифференциальных пар, эффект неправильного переплетения может привести к тому, что конструкция не будет работать из-за избыточного скью. 

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium или получите доступ к одной из наших удобных страниц решений для помощи с вашим слоевым стеком в дизайне печатных плат.