Стратегии трассировки печатных плат для многослойных стеков

Стратегии трассировки печатных плат с большим количеством слоев разнообразны и зависят от функциональности платы. Платы с высоким количеством слоев могут включать в себя множество различных типов сигналов, начиная от групп медленных цифровых интерфейсов до множества высокоскоростных цифровых интерфейсов с различными требованиями к целостности сигнала. Это представляет собой вызов с точки зрения планирования трассировки и назначения слоев сигналов различным интерфейсам.

Мы не можем говорить о стратегиях трассировки на печатных платах с большим количеством слоев, не упомянув также о дизайне распиновки во многих BGA. BGA с большим количеством контактов может содержать множество различных цифровых интерфейсов, особенно если компонент является типичным микропроцессором или FPGA. Это одна из наиболее распространенных причин высокого количества слоев на печатной плате.

Поскольку в дизайне с большим количеством слоев одновременно возникает несколько вызовов, я расскажу об этих вызовах и некоторых стратегиях, которые вы можете использовать для успешной трассировки печатной платы с большим количеством слоев.

Что определяет высокое количество слоев на печатной плате?

Как я упоминал во введении, наиболее распространенным фактором, который приводит к высокому количеству слоев в печатной плате, является наличие большого BGA. Эти компоненты имеют большое количество контактов на нижней стороне устройства, и для подключения сигналов к контактам потребуется больше слоев. Поскольку эти компоненты часто являются специализированными ASIC, микропроцессорами или FPGA, они также содержат множество цифровых интерфейсов с различными требованиями к целостности сигнала и трассировке, а также множество контактов питания и заземления.

Многие разработчики вспомнят простую формулу для оценки количества слоев, необходимых для подключения всех контактов на BGA. Когда шаг BGA достаточно большой, чтобы между контактами можно было проложить сигнал, мы можем разместить два ряда контактов BGA на одном слое сигнала:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Для BGA-пакета с крупным шагом, где мы можем проложить дорожки между шарами, мы можем трассировать 2 ряда/столбца на слой.

Некоторые посадочные места BGA могут быть довольно сложными с отсутствующими шарами во внутренних рядах. Ниже показан пример; вероятно, что этот BGA не будет следовать той же расчетной схеме количества слоев, что и стандартный BGA, показанный выше.

Узнайте больше в этой статье с Чарли Япом.

Когда компонент имеет очень мелкий шаг, и мы не можем разместить дорожки между контактными площадками в посадочном месте BGA, нам нужно удвоить необходимое количество слоёв. Когда многие из контактов являются питанием и землёй, количество слоёв определённо уменьшится. Также возможно, что большое количество четырёхконтактных пакетов потребует высокого количества слоёв. На верхнем пределе они могут иметь пару сотен контактов, что, конечно, не так много, как вы могли бы видеть на BGA среднего размера.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Стратегия трассировки 1: Отсутствие стратегии!

Стратегия "без стратегии" является самой простой и сосредотачивается только на минимизации количества слоёв, обеспечивая при этом возможность решения. Она может начаться с выбора необходимого количества слоёв и трассировки от BGA с использованием стандартного подхода разветвления, применения фиксированного количества слоёв и попытки упаковать все дорожки или свободной трассировки и добавления новых слоёв сигналов по мере необходимости. Это применимо, когда:

• Вас не беспокоит разделение различных спецификаций импеданса по разным слоям
• Не все интерфейсы имеют спецификацию импеданса, например, SPI
• Все интерфейсы имеют одинаковые требования к импедансу
• Количество интерфейсов с указанным импедансом мало (может быть, 1 или 2)

Не нужно говорить, что трассировка с использованием этой стратегии может выглядеть не очень организованно, но снижение акцента на целостности сигнала в пользу решаемости может помочь удержать количество слоев ниже, чем при других стратегиях.

Этот параллельный интерфейс начинается от BGA (нижний правый угол) и идет к дополнительному модулю LCD (верхний левый угол).

Стратегия 2: Приоритет слоев по интерфейсу

В этой стратегии конкретные интерфейсы с контролируемым импедансом получают свои назначения слоев и в основном трассируются на этих слоях. Затем производитель принимает подход с контролируемым импедансом и определяет электрические свойства, которые будут использоваться при построении вашего стека. Такой тип стратегии может быть использован, когда есть несколько высокоскоростных интерфейсов, требующих контроля импеданса, и которые могут иметь разные целевые значения импеданса. В некоторых случаях с дифференциальными интерфейсами у них может быть одинаковая номинальная цель по импедансу, но возможно разные требования к полосе пропускания, что потребует использования разных ширин линий и расстояний между линиями для разных интерфейсов.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

На примерах изображений ниже я показываю несколько цифровых интерфейсов, назначенных разным слоям в стеке из 16 слоев. Вовлеченные интерфейсы:

• DDR4
• CSI-2
• 1 Gbps LVDS
• 10 Gbps Ethernet

И посмотрите, как они разделены на разные слои на схемах ниже.

Высокоскоростная трассировка множества цифровых интерфейсов на печатной плате с большим количеством слоев.

Вы заметите, что на этих слоях есть некоторое пустое пространство. Важно помнить, что в этой стратегии слоев основная цель - упростить задачу производителя по указанию импеданса. Когда на каждом слое указан только один импеданс, производителю гораздо легче создать стек слоев, который соответствует этим целям для каждого интерфейса.

Недостаток заключается в том, что это обычно приводит к увеличению количества слоев, а также к наличию пустого пространства на некоторых слоях. При необходимости вы можете заполнить часть пустого пространства дополнительным заземлением или медью для шин питания. Я предпочитаю использовать это пространство для шин питания в некоторых проектах, так как это может позволить мне полностью исключить слой питания. Также вы все еще можете использовать эти слои с контролируемым импедансом для низкоскоростных или конфигурационных сигналов, при условии, что они не сгруппированы слишком близко к вашим высокоскоростным дорожкам.

Стратегия 3: Слои для высокоскоростных и низкоскоростных сигналов

В этой стратегии количество интерфейсов, требующих контролируемого импеданса, обычно невелико, либо все интерфейсы с контролируемым импедансом требуют одинакового импеданса. Это позволяет вам разделить сигналы на выделенные слои для высокоскоростных и низкоскоростных сигналов. Это похоже на то, что вы могли бы сделать на шестислойной плате с четырьмя слоями сигналов, где ваши слои с низкоскоростными сигналами могли бы располагаться рядом друг с другом.

Такой тип стратегии подходит для ортогонального трассирования, особенно если низкоскоростные сигналы присутствуют на соседних слоях. Например, смотрите трассировку ниже, которая использует ортогональные направления трассировки между двумя компонентами на двух разных слоях.

Эти вводы/выводы являются частью интерфейса SDRAM и могут быть легко проложены к микросхеме памяти с помощью ортогонального подхода к трассировке.

Трассировка в этой стратегии будет иметь меньше проблем с целостностью сигнала, поскольку многие сигналы, как правило, низкоскоростные. Таким образом, этот подход помогает поддерживать разумное количество слоев.

Стратегия 4: Совмещение питания и некоторых сигналов

Еще одна стратегия трассировки, которую я часто использую на платах с большим количеством слоев, заключается в совмещении некоторых сигналов и шин питания в одном слое.

Одна из распространенных причин увеличения количества слоев не только в большом количестве сигналов или интерфейсов, требующих трассировки. Количество слоев может также увеличиваться из-за множества линий питания и источников питания. Начинающий дизайнер может считать, что для каждой линии питания требуется отдельный слой питания, но это приведет к созданию большого количества слоев с избыточным количеством меди. Вместо этого лучшей стратегией будет использование линий питания, нарисованных в виде полигонов.

В слоях, где проложены линии питания, допустимо использовать эти слои для трассировки сигналов. В частности, имеет смысл трассировать сигналы низкой скорости или конфигурационные сигналы на этих слоях. Я вижу много примеров этого в серии 1-Minute Design Review, которая выглядит примерно как показано ниже.

Трассировка в слоях питания приемлема, если поддерживается достаточно большое расстояние.

Этот подход можно использовать в рамках Стратегии 2, поскольку он позволяет использовать оставшиеся слои, не назначенные для земли, для сигналов низкой скорости. Сигналы высокой скорости все еще могут получить свои собственные слои в рамках Стратегии 2, если это необходимо. Это помогает не увеличивать количество слоев за счет исключения необходимости в отдельных слоях питания и слоях для сигналов низкой скорости.

Кроме того, все еще возможно прокладывать трассы с контролируемым импедансом на слоях, содержащих шины питания. Обычно при прокладке трассы на слое с сопланарной землей требуется соблюдение правила очистки для предотвращения избыточной емкости, влияющей на импеданс трассы. Тот же принцип применим при прокладке рядом с шинами питания. Вместо использования глобального правила электрической очистки лучше создать правило, специфичное для сети и слоя, чтобы обеспечить эту очистку. В Altium Designer вы можете настроить это правило очистки, используя пользовательский запрос, используя условия InNet (или InNetClass) и InLayer.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную электронику питания или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer^®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.