Проект Pi. MX8 - Разметка платы Часть 1

Добро пожаловать в третью часть проекта открытого компьютерного модуля Pi.MX8! В этой серии статей мы погружаемся в дизайн и тестирование системы на модуле на базе процессора i.MX8M plus от NXP.

В последнем обновлении мы рассмотрели структуру схемы модуля и начали подготовку предварительного размещения компонентов. Теперь, когда компоненты размещены, у нас есть хорошее представление о плотности дизайна и требованиях, которые это предъявляет к стеку слоёв. Сегодня мы выберем подходящий стек слоёв и начнем прокладывать первые дорожки.

Определение стека слоёв

Основываясь на размещении компонентов и нескольких стратегических факторах, мы можем решить, какую технологию печатных плат и какой стек слоёв мы хотели бы использовать для дизайна в дальнейшем. Давайте сначала посмотрим на плотность компонентов:

Размещение компонентов верхняя сторона

Предварительное размещение компонентов показывает умеренную общую плотность дизайна. Все активные компоненты расположены на верхней стороне платы, в то время как на нижней стороне в основном находятся развязывающие конденсаторы и другая пассивная схемотехника. Таким образом, нижняя сторона платы относительно пуста и оставляет нам много места для трассировки. Однако целью было бы выделить это пространство для дополнительных функций, которые будут реализованы по мере того, как модуль Pi.MX8 будет предназначен для обновления и расширения в соответствии с конкретными запросами.

Размещение компонентов нижняя сторона

Рассматривая размещение компонентов рядом с разъемами платы к плате, мы замечаем, что многие компоненты установлены прямо над разъемами на противоположной стороне платы. Если мы решим использовать только стандартные сквозные переходы (VIAs), соединяющие все слои от верхнего до нижнего, мы не сможем разместить VIAs в этих областях. Для того чтобы вывести все контакты разъемов платы к плате и эффективно проложить активные цепи, расположенные на противоположной стороне разъемов, нам нужно разработать метод, который выходит за рамки использования только сквозных VIAs. Для этого нам понадобится использовать HDI-многослойность.

Использование HDI-многослойности упрощает расширение функциональности модуля на более позднем этапе, поскольку нам не обязательно нужно использовать сквозные VIAs для подключения дополнительных компонентов, и, следовательно, не нужно так сильно вмешиваться в уже установленные трассировки и размещение компонентов.

Для модуля Pi.MX8 мы будем использовать многослойность 2+N+2. Это многослойность типа III, как определено в стандартах IPC-2226, и является одной из наиболее часто используемых HDI-многослойностей.

Такой тип многослойности использует два последовательных этапа ламинирования в процессе производства, чтобы позволить микро-VIAs соединять три самых внешних слоя. Закрытый VIA используется для соединения основного стека, который не является частью последовательного производственного процесса. Препреги и толщина препрегов, используемые в этом типе многослойности, зависят от производственных возможностей поставщика печатных плат. Выбранная толщина последовательно ламинированных препрегов ограничена соотношением сторон микро-VIA. В отличие от механически сверленных VIAs, микро-VIAs создаются путем пробивки отверстий в препрегах с использованием коротких лазерных импульсов. Обычно используются диаметры VIA между 0.08 мм и 0.15 мм. Соотношение сторон, подходящее для массового производства, обычно находится в диапазоне 0.6:1 – 0.8:1.

Тонкий препрег обеспечит соблюдение требования к соотношению сторон, одновременно сокращая ширину дорожки для заданного импеданс-контролируемого следа. Для простого микрополоскового проводника на верхнем или нижнем слое с одним опорным слоем это не проблема. Однако нам нужно быть осторожными с встроенными полосковыми линиями под первым земляным слоем, так как короткие расстояния до опорного слоя сверху и снизу полосковых линий могут привести к очень узким дорожкам для определенных импеданс-контролируемых интерфейсов.

Итоговая многослойность для платы Pi.MX8 была создана в сотрудничестве с производителем печатных плат и выглядит следующим образом:

Многослойность Pi.MX8

В целом, модуль будет построен на основе 10-слойной структуры. Верхний слой, L2, L7 и нижний слой будут использоваться как сигнальные слои. Слои L1, L3, L6 и L8 будут использоваться как земляные плоскости. Оставшиеся два слоя L4 и L5 будут действовать как питающие плоскости. Питающие плоскости изготавливаются из тонкой фольги толщиной всего 18 мкм. Мы должны следить за падением напряжения IR на этих слоях. Питающие плоскости тесно связаны с соседними земляными плоскостями, между которыми находится только 75 мкм препрега. Это приводит к дополнительной емкости плоскостей, которая может быть полезна для обеспечения низкого импеданса PDN на высоких частотах. Мы проверим поведение PDN с помощью симуляции, как только закончим размещение.

Еще один важный аспект, который следует отметить в отношении этой структуры, заключается в том, что мы будем использовать только разнесенные микропереходы вместо стопочных. Это означает, что микропереходы не могут быть размещены непосредственно друг над другом, а должны быть смещены с шагом как минимум 0,35 мм от центра до центра. Использование разнесенных переходов упрощает регистрацию последовательных слоев, что снижает стоимость производства у некоторых производителей печатных плат. Этот подход также рекомендуется для HDI-структур с использованием более чем двух программ микропереходов для повышения надежности микропереходов. Недостатком использования разнесенных микропереходов является дополнительное пространство, необходимое для соблюдения минимального требования к смещению. Также необходимо учитывать образовавшиеся пустоты в земляной плоскости при управлении возвратным путем для соседних трасс.

Маршрутизация выводов компонентов

Теперь, когда структура слоев определена, следующим шагом будет разведение сигналов отдельных компонентов. На этом этапе мы собираемся разместить все необходимые переходы для маршрутизации сигналов и питания на каждом компоненте. Этот шаг мы выполняем сейчас, поскольку идеально было бы иметь все переходы на месте, прежде чем мы начнем соединять компоненты. Даже в структуре HDI переходы все еще занимают много места. Это особенно верно для переходов, которые являются частью сети распределения питания, поскольку они обычно соединяют весь стек. Размещение переходов на этапе трассировки может потребовать удаления ранее проложенных трасс для освобождения места для переходов.

Маршрутизация выводов на верхнем слое модуля

На изображении выше видно, что почти все выводы компонентов разведены с использованием переходов или оставлены неподключенными. Неподключенные контактные площадки будут проложены на верхнем слое или предоставлены с дополнительным пространством для добавления маршрутизации выводов позже. В последнем случае важно помнить, что в этих областях не следует размещать никаких трасс.

Для некоторых компонентов потребуется локально изменить предопределенные правила проектирования ширины и расстояния между дорожками, чтобы сделать возможным маршрутизацию выводов. Одним из таких примеров является i.MX8 SoC. Маленький шаг выводов всего 0,5 мм требует ширины дорожки 0,08 мм и расстояния от дорожки до контактной площадки 0,085 мм. Вне этих зон выводов мы хотели бы продолжить работу с правилами ширины и расстояния между дорожками 100 мкм. Существует несколько способов реализации этого поведения в правилах проектирования. Один из способов - использование дополнительных зон проектирования, которым назначен специальный набор правил. Это обеспечивает плавный процесс маршрутизации, поскольку ширина дорожки автоматически корректируется, когда курсор пересекает границу зоны проектирования.

Требования к ширине и расстоянию между дорожками для маршрутизации выводов i.MX8

Используя зоны проектирования, ширина дорожки автоматически корректируется во время интерактивной маршрутизации:

В нашем следующем обновлении мы рассмотрим, как устанавливаются общие правила проектирования в соответствии с профилем импеданса стека слоев, а также как подходить к маршрутизации на внутренних слоях. Оставайтесь с нами, чтобы узнать, как мы решаем задачи размещения памяти и преодолеваем трудности, вносимые выбранным стеком HDI!