Целостность сигнала на тонких сверхвысокоплотных слоях печатных плат

Мне кажется, что каждая статья о "передовых разработках" сосредотачивается на увеличении скорости переключения, но часто упускает из виду миниатюризацию. HDI-разработки выводят печатные платы в область решений, где правила целостности сигнала начинают изменяться из-за масштабов длины, задействованных в типичном проекте. Один важный класс материалов позволил HDI и UHDI-разработкам с большим количеством высокоскоростных интерфейсов: ламинаты для печатных плат с низкой диэлектрической проницаемостью (low-Dk). История HDI тесно связана с историей материалов для печатных плат с низкой диэлектрической проницаемостью, особенно когда на плате HDI реализуется множество высокоскоростных цифровых интерфейсов.

Когда вы смотрите на подложки интегральных схем и типичные материалы, используемые в этих разработках, вы найдете те же виды материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, которые позволяют многим высокоскоростным цифровым разработкам, и, возможно, именно здесь мир печатных плат получил идею о материалах для печатных плат с низкой диэлектрической проницаемостью.

Более новые HDI-разработки выходят за рамки традиционного подхода HDI, известного как ультра-HDI или UHDI. В этих разработках маленькие медные элементы становятся основным фактором, ограничивающим пропускную способность канала для высокоскоростных соединений, но материалы с низкой диэлектрической проницаемостью в сочетании с более гладкой медью и инновационными покрытиями помогают преодолеть эти проблемы.

В этой короткой серии блогов я дам обзор того, как целостность сигнала связана с размерами слоев и элементов в HDI/UHDI печатных платах, что, как мы увидим, тесно связано с каналами высокой пропускной способности в упаковке. Для начала мы рассмотрим преимущества производства из некоторых материалов с низкой диэлектрической проницаемостью (low-Dk).

Производство с использованием материалов с низкой диэлектрической проницаемостью

Первое важное замечание, касающееся использования материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, это производственные возможности размеров элементов HDI/UHDI в зависимости от значения диэлектрической проницаемости ламината. Посмотрите на график ниже, чтобы понять, о чем я говорю.

Для заданной цели по импедансу дорожки (скажем, 50 Ом) ширина дорожки будет зафиксирована на некотором значении, которое является функцией толщины ламината. Когда ламинат становится слишком тонким, требование к ширине дорожки станет слишком тонким, и процесс травления меди станет более дорогим, в конечном итоге перейдя к добавочной обработке. На графике ниже показана эта тенденция для низких и высоких значений диэлектрической проницаемости.

Противоположной точкой зрения является тот факт, что не все материалы с низким Dk (такие как Dk = 3 или чуть меньше) доступны в очень малых толщинах пленки, необходимых для UHDI печатных плат или подложек ИС. Материалы с низким Dk до нескольких милов с распределенным стеклянным усилением доступны с значениями Dk, приближающимися к 3, и примерно Df = 0.001. Примерами являются Megtron 8 и Tachyon 100G.

Заметьте, что это тоньше, чем продвинутый PTFE ламинат, например, Rogers 3003, но работает в том же диапазоне продвинутого PTFE с Dk = 3 или ниже с Df

Что происходит с целостностью сигнала на тонких слоях

Исходя из краткого обсуждения материалов, которое я привел выше, мы можем использовать эту информацию для лучшего понимания взаимосвязи между свойствами материалов, толщиной ламинатов и целостностью сигнала. Мы начинаем с нескольких фактов о материалах и геометрии следов в слоях HDI/UHDI, особенно когда количество слоев становится высоким:

• Тонкие слои заставляют следы с контролируемым импедансом быть меньше
• Тонкие слои, как правило, приближают земляные плоскости к следам
• Распиновка устройств (например, мелкоразрядные BGA) может заставить следы располагаться ближе друг к другу
• Материалы (медь и значение Dk) могут быть использованы для настройки показателя целостности сигнала

Когда мы переходим к устройствам UHDI, мы также можем решить исключить плоскости на некоторых слоях, фактически создавая маршрутизацию с пропуском слоев, как это используется в высокоскоростных цифровых каналах в подложках ИС. Об этом я расскажу подробнее ниже. Давайте сначала рассмотрим некоторые важные базовые показатели, начиная с потерь и импедансов.

Потери в меди против потерь в диэлектрике

При работе с платами HDI и UHDI распиновка устройств и требования к импедансу требуют, чтобы ширина следов была меньше, как для маршрутизации выводов от BGA, так и для маршрутизации с контролируемым импедансом. Это может привести к тому, что доминирующим механизмом потерь станет медь, когда используется нижнее значение Dk.

Например, посмотрите на данные ниже о потерях на микрополоске на довольно продвинутом ламинате FR4. Потери на графике ниже показаны как коэффициент ослабления напряжения (смотрите здесь для получения дополнительной информации). Толщина FR4 составляет 38 микрон (1,5 мил), данные материала следующие: (Dk = 4, Df = 0.01, толщина), а слой использует медь толщиной 1 унция с шероховатостью 1 микрон. Микрополоска на 50 Ом будет иметь ширину 57 микрон.

Потери в меди по сравнению с диэлектрическими потерями для 57 микрон шириной микрополоски на 50 Ом на Megtron 7(G) (Dk = 4, Df = 0.01) и шероховатостью меди 1 микрон.

Теперь предположим, что ламинатный материал заменен на лист Megtron 7(G) (Dk = 3.37, Df = 0.001) с той же толщиной 38 микрон (1,5 мил). Теперь для микрополоски на 50 Ом требуется ширина 68 микрон. Значительно уменьшенные диэлектрические потери теперь приводят к тому, что потери в меди становятся доминирующим фактором до очень высоких частот.

Потери в меди по сравнению с диэлектрическими потерями для 65 микрон шириной микрополоски на 50 Ом на Megtron 7(G) (Dk = 3.37, Df = 0.001) и шероховатостью меди 1 микрон.

Когда мы сравниваем микрополоски и стриплайны, мы можем видеть штраф за потери и значения ширины линии с учетом требований к толщине слоя для однопроводной линии 50 Ом. Я включил гипотетический материал Dk = 2 в толщинах HDI/UHDI для сравнения и для предоставления теоретического предела. Подобные результаты могут быть получены и для дифференциальных линий.

Мы можем ясно видеть нелинейное расхождение в потерях для этих однопроводных трасс, как только мы опускаемся ниже примерно 2 мил толщины слоя для всех материалов (Dk = 2 до примерно Dk = 3.5). Это связано с обратной зависимостью между сопротивлением эффекта скин-слоя и шириной трассы.

Вывод: Использование материалов с низким Dk помогает сократить общие потери на платах HDI/UHDI за счет увеличения ширины трассы и уменьшения диэлектрических потерь, но в какой-то момент потери на меди начинают доминировать, и вы получаете уменьшающуюся отдачу от ваших инвестиций в стоимость ламинатных материалов. Снижение шероховатости меди будет единственным способом продолжить снижение общих потерь.

Проблемы с покрытием

Дальнейшее снижение потерь в проводниках может быть достигнуто за счет использования альтернативных покрытий поверхности и более гладких медных фольг. Например, хорошо известно, что никелевые покрытия могут ухудшать качество меди на границах покрытия и создавать магнитные потери (как в покрытиях ENIG и ENEPIG). Исследования более совершенных покрытий продолжаются, и проблемы с покрытиями активно обсуждаются в контексте печатных плат UHDI, как с точки зрения целостности сигнала, так и с точки зрения производства (DFM/DFA).

Чтобы узнать больше об этой проблеме с покрытиями, посмотрите наш недавний подкаст с Куналом Шахом.

Штраф за Перекрестные Помехи

Когда вы берете дизайн с существующей трассировкой и масштабируете его до уровня HDI/UHDI, трассы будут располагаться ближе друг к другу, и можно ожидать больше перекрестных помех. В какой-то момент плотность трасс может потребовать от вас отступления от консервативного правила для перекрестных помех, наиболее часто используемого правила "3W". Однако, когда количество слоев увеличивается, земля будет вынуждена располагаться ближе к трассам, и можно ожидать, что это снизит перекрестные помехи. Какой эффект возобладает в дизайне UHDI?

Ответ зависит от нескольких факторов:

• Используем ли мы дифференциальные пары и, следовательно, подвержены ли мы многомодовым перекрестным помехам?
• Мы прокладываем смещенные стриплайны или смещенные микрострипы?
• Используем ли мы ламинаты с высоким или низким Dk?

При переходе к UHDI может возникнуть штраф за перекрестные помехи, что означает увеличение перекрестных помех при сближении дорожек. Ваша задача как конструктора - уменьшить штраф за перекрестные помехи, подстроив толщину слоев и значение Dk. Для лучшего понимания влияния перекрестных помех нам необходимо использовать многопортовые симуляции S-параметров, чтобы лучше понять, как перекрестные помехи связаны с значением Dk ламината и толщиной ламината.

Спектры дифференциальных S-параметров, показанные ниже, иллюстрируют различия в уровнях перекрестных помех при переходе от ламината Megtron 7 (толщина 3 мил, Dk = 3.37) к ламинату Megtron 8 (толщина 1.5 мил, Dk = 3.06). Эти результаты были симулированы в Simbeor на 100 Ом симметричных дифференциальных стриплайнах (расстояние между дорожками равно ширине) при изменении расстояния между парами от 2W до 3W.

Спектры перекрестных помех симметричного дифференциального стриплайна: синяя кривая показывает NEXT, красная кривая показывает FEXT.

Как мы видим в приведенном выше результате, переход к более тонкому ламинату Megtron 8 толщиной 1,5 mil с ламинатом с расстоянием 3W увеличивает пиковую перекрестную помеху до 4,38%. Если бы мы просто перешли от ламината Megtron 7 толщиной 3 mil к ламинату Megtron 7 толщиной 1,5 mil при прочих равных условиях, пиковая перекрестная помеха составила бы 6,82%.

Интересно, что когда мы переходим от расстояния 2W на ламинате Megtron 7 толщиной 3 mil к расстоянию 3W на ламинате Megtron 8 толщиной 1,5 mil, мы видим меньшее увеличение перекрестной помехи, как и ожидалось. Можно предположить, что переход от 2W к 3W приводит к уменьшению плотности трассировки, но это не так. Мы все еще видим увеличение плотности трасс на 108%, переходя к более тонкому ламинату Megtron 8, несмотря на меньший Dk. Спектры потерь на возврате для этих соединений показывают снижение полосы пропускания только на 20% как для ламината Megtron 7 толщиной 1,5 mil, так и для ламината Megtron 8 толщиной 1,5 mil.

Вывод: Чтобы преодолеть проблемы перекрестных помех при заданном значении расстояния между дорожками (или парами) (например, S = 2W), может потребоваться увеличить расстояние на более тонком ламинате, и может потребоваться изменение диэлектрической проницаемости. Однако это не всегда означает, что плотность трассировки ваших дорожек уменьшится. Исходя из приведенного выше примера, мы все равно получаем удвоение плотности трассировки, несмотря на использование меньшего значения Dk. Очень похожие результаты можно получить и для одиночных дорожек.

Маршрутизация через пропуск слоев и смещенная маршрутизация стриплайнов для высоких пропускных способностей

Большинство печатных плат UHDI и подложек ИС будут содержать каналы, которые не являются чрезвычайно высокопропускными. Большинство контактов будут использоваться для питания, земли, конфигурации, GPIO и более медленных последовательных интерфейсов. Однако в процессорах с PCIe, DDR, несколькими интерфейсами USB и быстрыми ссылками SerDes трассировка в подложке и на печатной плате будет дифференциальной с 

Для дифференциальной парной трассировки в печатных платах UHDI и подложках ИС доступны два очень похожих стиля маршрутизации. Это:

• Пропуск слоев при трассировке в подложках ИС (не путать с переходами через пропущенные слои)
• Трассировка смещенных стриплайнов в HDI печатных платах

Эти два метода по сути представляют собой один и тот же тип трассировки, но при пропуске слоев используется забор из переходов для разделения межсоединений в подложке. Существует две причины использовать забор из переходов при трассировке с пропуском слоев: для обеспечения эффективности экранирования от взаимных помех между парами и для установления частоты среза в режиме TEM выше найквистовой частоты приемного интерфейса.

Когда мы переходим к более тонким диэлектрическим слоям со стриплайнами (см. выше), мы получаем штраф за взаимные помехи между этими дорожками. Однако, используя трассировку с пропуском слоев, можно уменьшить штраф за взаимные помехи, добавив диэлектрический слой между парами, как показано в приведенной выше схеме.

Если взаимные помехи между этими сигналами все еще представляют проблему, для уменьшения взаимных помех может потребоваться любое из следующих действий:

• Увеличение плотности ограждения переходных отверстий
• Уменьшение расстояния между переходными отверстиями через канал (может увеличить пропускную способность канала)
• Изменение диэлектрика для различных Dk
• Изменение расстояния между следами в паре

В подложках ИС и УВЧД печатных платах любые из этих изменений должны быть симулированы, и это может привести к уменьшению штрафа за перекрестные помехи, как я показал выше в разделе о перекрестных помехах. Однако эти изменения могут столкнуться с производственными ограничениями, даже в случае, когда устройство изготавливается аддитивным методом. Когда достигаются производственные ограничения, может потребоваться изменение значения Dk для ламинатов.

Пропускная способность канала на высоких скоростях

Не все интерфейсы на печатных платах HDI/UHDI и подложках требуют крайне высоких пределов пропускной способности TEM. Но когда они требуются, при переходе на более тонкий слой может возникнуть штраф за пропускную способность канала. Это может быть вызвано увеличением потерь в меди, что создает отклонение импеданса от целевого значения межсоединения на более высоких частотах из-за скин-эффекта.

Однако, в зависимости от значения Dk ламината, нагрузки и типа канала, ограничение полосы пропускания канала может произойти на такой высокой частоте, что оно будет незначительным, или может произойти увеличение полосы пропускания канала. Это не так важно для интерфейсов, как MIPI или USB, но имеет большое значение для DDR4/5/6, PCIe 5.0 или выше и Ethernet со скоростью 25G или выше. Изучение полосы пропускания канала требует рассмотрения ограничений полосы пропускания TEM в копланарных волноводах, например, на радиочастотных платах, что я планирую представить более подробно в будущем.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику 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 Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

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