Các ràng buộc thiết kế phát sinh từ PCB stackup

Cấu trúc lớp PCB của bạn xác định nhiều hơn là chỉ số lượng lớp đồng trên bo mạch. Nó thiết lập các giới hạn vật lý chi phối hình học via, chiều rộng trace, khoảng cách, mật độ đi dây, trở kháng, độ dày đồng và trình tự chế tạo. Quan trọng nhất, việc chỉ đơn giản thêm lớp hoặc thêm via mù/via chôn không mang lại cho bạn tự do đi dây không giới hạn; thay vào đó, nó làm thay đổi các ràng buộc trong thiết kế và có thể hạn chế khả năng đi dây, lắp ráp và/hoặc chế tạo thiết kế.

May mắn là, hiểu rõ các yếu tố này có thể giúp nhà thiết kế đưa ra quyết định về stackup thông minh hơn thay vì dựa vào số lớp cao hơn và các cấu trúc via nâng cao như một giải pháp tình thế. Trường hợp tệ nhất là hoàn thành thiết kế rồi mới phát hiện rằng nó không thể được sản xuất với các ràng buộc đã dùng để hoàn tất layout. Các nhà thiết kế có thể tránh những vấn đề này bằng cách hiểu cách stackup PCB chi phối các quy tắc thiết kế cụ thể trong bố cục PCB.

Stackup PCB của bạn chi phối các quy tắc thiết kế như thế nào

Khi số lượng linh kiện và mật độ liên kết tăng lên, số lớp PCB thường cũng tăng theo. Điều này thường được thực hiện để đáp ứng các BGA hiện đại và các package bottom-terminated bước chân nhỏ, khiến số lớp và tổng độ dày stackup tăng lên tương ứng. Các giao tiếp tốc độ cao cũng có thể yêu cầu độ dày điện môi cụ thể để đạt được trở kháng kiểm soát với chiều rộng trace có thể chế tạo được.

Những yêu cầu này tương tác với tổng độ dày bo mạch. Một bo mạch nhiều lớp được tạo từ các lớp điện môi tương đối dày có thể nhanh chóng trở nên quá dày đối với khoan xuyên lỗ tiêu chuẩn. Các lớp điện môi rất mỏng có thể cải thiện mật độ đi dây, nhưng chúng cũng có thể đẩy thiết kế sang các quy trình chế tạo HDI fabrication processes. Do đó, stackup phải cân bằng giữa mật độ đi dây, yêu cầu trở kháng, tổng độ dày và năng lực chế tạo.

Các ràng buộc phổ biến nhất do stackup quyết định có thể được tóm tắt như sau:

Tỷ lệ khía cạnh của via xuyên lỗ

Via xuyên lỗ là một trong những vị trí dễ tạo ra thiết kế không thể sản xuất nhất. Giá trị chi phối ở đây là tỷ lệ khía cạnh giữa độ dày bo mạch và đường kính lỗ thành phẩm. Khi bo mạch dày hơn hoặc mũi khoan nhỏ hơn, việc mạ toàn bộ chiều sâu của via trở nên khó khăn hơn. Tuy nhiên, vì nhiều lý do, phần mềm thiết kế PCB không cho phép người dùng xác định aspect ratio như một quy tắc thiết kế, mà thay vào đó yêu cầu người dùng xác định kích thước lỗ tối thiểu cho phép đối với các loại via khác nhau.

Ví dụ, đặt các via thành phẩm 0,15 mm vào một PCB dày 2 mm sẽ tạo ra tỷ lệ khía cạnh rất khắt khe mà hầu hết các nhà chế tạo sẽ từ chối. Ngay cả với độ dày bo mạch danh định 62 mil (1.57 mm) board thickness, kích thước lỗ khoan đó cũng có thể nằm ngoài năng lực quy trình tiêu chuẩn của nhiều nhà chế tạo. Điều này trở nên đặc biệt quan trọng khi các BGA lớn hoặc layout QFN mật độ cao khiến nhà thiết kế phải giảm đường kính via để tạo thêm nhiều kênh đi dây:

• Trong một BGA lớn có thể sử dụng via xuyên lỗ trong fanout routing, nhiều chân hơn đồng nghĩa với nhiều lớp hơn trong stackup, và do đó độ dày lớn hơn
• Khi bạn tăng độ dày bo mạch, các via xuyên lỗ sẽ tiến gần hơn tới giới hạn tỷ lệ khía cạnh, và việc tăng kích thước của chúng cuối cùng sẽ chạm đến giới hạn khoảng hở

Ràng buộc đúng nên đến từ nhà chế tạo thay vì từ một quy tắc thiết kế PCB chung chung. Hầu hết các nhà chế tạo sẽ chấp nhận đường kính lỗ khoan 8 mil trong PCB có độ dày tiêu chuẩn được sản xuất theo tiêu chuẩn tay nghề IPC Class 2; với Class 3, họ có thể giảm tỷ lệ khía cạnh cho phép. Khi đã biết tỷ lệ khía cạnh tối đa được hỗ trợ, có thể xác định đường kính lỗ khoan tối thiểu cho phép từ độ dày bo mạch dự kiến.

Trọng lượng đồng làm thay đổi quy tắc đi dây

Trọng lượng đồng là một tham số stackup khác giới hạn mật độ đi dây. Khi đồng thành phẩm dày hơn, chiều rộng trace tối thiểu có thể chế tạo và khoảng cách đồng-đồng tối thiểu thường tăng lên. Xét theo quy tắc thiết kế PCB, điều này có nghĩa là các lớp trong và lớp ngoài có thể cần các ràng buộc đi dây khác nhau. Một stackup phổ biến có thể dùng đồng 0,5 oz ở các lớp bên trong và đồng thành phẩm 1 oz ở các lớp ngoài. Khi đó, các lớp ngoài sẽ yêu cầu chiều rộng tối thiểu và khoảng hở lớn hơn nhiều so với các lớp đi dây bên trong.

Sự khác biệt giữa đồng nền và đồng thành phẩm cũng rất quan trọng. Các lớp ngoài nhận thêm đồng trong quá trình mạ xuyên lỗ, vì vậy một lớp bắt đầu với copper foil 1 oz có thể kết thúc với độ dày lớn hơn nhiều. Do đó, nhà thiết kế nên chỉ định yêu cầu đồng thành phẩm trong tài liệu chế tạo và sử dụng các quy tắc thiết kế phản ánh trọng lượng đồng thành phẩm.

Ví dụ về giá trị tối thiểu của khoảng hở/kích thước đặc tính theo trọng lượng đồng (lưu ý: sẽ dùng một bảng khác cho các lớp bên trong)

Nguồn tham khảo: Bittele Electronics và PCBWay.

Khi độ dày đồng đạt 2 oz trở lên, khoảng cách trace, dung sai etch, khả năng điền đầy nhựa, độ phủ solder mask và khả năng hàn đều trở nên bị hạn chế hơn. Đây là lý do trong nhiều thiết kế điện tử công suất, hoặc các thiết kế số cũng yêu cầu dòng điện cao, việc thêm các lớp đi dây hoặc plane 1 oz bổ sung có thể mang lại nhiều tự do thiết kế hơn đáng kể so với việc ép dùng các lớp đồng dày trên số lượng lớp ít. Về chi phí, hai cách tiếp cận này về cơ bản là tương đương.

Via mù và via chôn trong các sub-lamination

Các via mù và via chôn được khoan cơ khí tạo ra những ràng buộc gắn trực tiếp với trình tự chế tạo và năng lực chế tạo tiêu chuẩn, đặc biệt là liên quan đến khoan. Có những quy tắc quan trọng đối với via mù/via chôn trong các sub-lamination:

1. Quy tắc điểm bắt đầu và kết thúc - Một khoảng nối via mù/via chôn được khoan cơ khí không được kết thúc trên cùng một lớp với điểm bắt đầu của một khoảng nối via khoan cơ khí khác. Ngoại lệ là khi dùng ép lớp tuần tự, hoặc bạn sẽ cần via mù khoan laser, khi đó có thể cho phép xếp chồng.
2. Không giao cắt via - Các khoảng nối via mù/via chôn khoan cơ khí không được cắt qua nhau, nhưng các khoảng nối via có thể lồng nhau.
3. Liên kết prepreg - Khi liên kết các sub-lamination, các sub-stack chỉ có thể được liên kết với nhau bằng prepreg, không phải bằng core.

Về cách tiếp cận thiết kế cơ bản, nếu bạn đang nhắm đến một đường kính via chôn cụ thể (chẳng hạn cho BGA fanout), thì tỷ lệ khía cạnh của lỗ khoan phải được lên kế hoạch ngay trong khi tạo stackup. Mỗi khoảng nối via mù/via chôn không liên quan có thể yêu cầu thêm các sub-lamination, công đoạn khoan và bước mạ, mỗi yếu tố này lại làm tăng trọng lượng đồng, tăng yêu cầu về khoảng hở/kích thước và giảm tỷ lệ khía cạnh cho phép.

Quy trình mạ cũng làm thay đổi độ dày đồng ở điểm đầu và điểm cuối của các khoảng nối via chôn khoan cơ khí. Những lớp đồng lộ ra đó nhận thêm lớp mạ khi thành via chôn được hình thành. Độ dày đồng thành phẩm thu được có thể ảnh hưởng đến khoảng hở đi dây, tính toán trở kháng và bù trừ etch trên các lớp đó.

Ép lớp tuần tự và các ràng buộc HDI

Ép lớp tuần tự tạo ra một tập hợp giới hạn khác khi sử dụng microvia khoan laser. Đường kính khoan laser cho phép phụ thuộc vào độ dày điện môi giữa các lớp đồng kề nhau và thường yêu cầu tỷ lệ khía cạnh <1, đó là lý do các lớp buildup HDI thường mỏng. Nếu lớp điện môi quá dày so với đường kính khoan laser, via sẽ vượt quá microvia aspect ratio mà nhà chế tạo hỗ trợ.

Mỗi chu kỳ buildup tuần tự cũng làm tăng số bước chế tạo. Microvia xếp chồng có thể yêu cầu via được lấp đầy và làm phẳng trước khi có thể đặt một microvia khác trực tiếp lên trên, và nhà chế tạo có thể giới hạn số tầng xếp chồng mà họ hỗ trợ. Microvia so le có thể tránh được một số yêu cầu xếp chồng này, nhưng chúng chiếm nhiều diện tích đi dây hơn.

Nhiều stackup HDI thực tế kết hợp ép lớp tuần tự với một lõi via chôn khoan cơ khí. Điều này mang lại cho nhà thiết kế cả microvia gần các lớp ngoài lẫn các kết nối via chôn dài hơn xuyên qua trung tâm bo mạch. Một tùy chọn phổ biến hỗ trợ xếp chồng microvia vào các lớp trong và chồng lấn BGA ở cả hai mặt PCB được minh họa bên dưới.

Xác định các ràng buộc chế tạo trước khi đi dây

Stackup PCB hiệu quả nhất là stackup hỗ trợ việc đi dây cần thiết mà không đẩy quá trình chế tạo vào những công đoạn không cần thiết. Trước khi bắt đầu placement và routing, hãy dùng các giá trị trọng lượng đồng thành phẩm, tỷ lệ khía cạnh khoan cơ khí cho phép và mọi yêu cầu xếp chồng microvia từ nhà chế tạo đã chọn để xác định một vài quy tắc thiết kế cơ bản:

• Kích thước đặc tính đồng và khoảng cách
• Giới hạn kích thước via cho các loại via khác nhau
• Giá trị chiều rộng/khoảng cách trace cho các đường truyền có trở kháng kiểm soát
• Xác định đặc tính đồng cho cả lớp trong và lớp ngoài dựa trên trọng lượng đồng

Những quy tắc thiết kế PCB đơn giản đó sẽ ngăn layout trôi dạt thành một thứ đòi hỏi phải thiết kế lại nhiều mới có thể sản xuất được. Để hiểu rõ hơn các quy tắc thiết kế và các giới hạn do cấu trúc via chôn áp đặt trong các stackup nâng cao hơn, hãy xem video bên dưới.

Cho dù bạn cần xây dựng hệ thống điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB hoàn chỉnh và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới của Altium. Altium cung cấp nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, tích hợp những công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành cùng các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!

Câu hỏi thường gặp

Độ dày PCB ảnh hưởng như thế nào đến tỷ lệ khía cạnh của via lỗ xuyên?

Độ dày PCB ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ khía cạnh của via lỗ xuyên. Khi bo mạch dày hơn, cùng một đường kính khoan sẽ tạo ra tỷ lệ khía cạnh cao hơn, khiến việc mạ đồng đều thành lỗ trở nên khó khăn hơn. Nhà thiết kế nên xác định tỷ lệ khía cạnh tối đa mà nhà chế tạo hỗ trợ và sử dụng độ dày bo mạch dự kiến để thiết lập đường kính lỗ hoàn thiện tối thiểu cho phép.

Khi nào một stackup PCB cần ép lớp tuần tự?

Ép lớp tuần tự thường được yêu cầu khi stackup sử dụng microvia khoan laser kết nối nhiều lớp buildup hoặc khi các cấu trúc via không thể được tạo ra trong một chu kỳ ép lớp thông thường duy nhất. Mỗi chu kỳ buildup sẽ làm tăng thêm các bước chế tạo, và microvia xếp chồng có thể cần được lấp đầy và làm phẳng trước khi một microvia khác có thể được đặt chồng lên trên.

Các blind via và buried via có thể giao cắt hoặc chồng lấn trong stackup PCB không?

Các khoảng kết nối của blind via và buried via được khoan cơ khí nhìn chung không thể giao cắt nhau, mặc dù chúng có thể được lồng vào nhau. Một khoảng kết nối via khoan cơ khí cũng không thể kết thúc trên cùng một lớp mà tại đó một khoảng kết nối khoan cơ khí khác bắt đầu, trừ khi sử dụng ép lớp tuần tự. Microvia khoan laser mang lại thêm sự linh hoạt và có thể hỗ trợ các cấu trúc xếp chồng khi quy trình chế tạo cho phép.

Tại sao các lớp ngoài của PCB cần quy tắc về độ rộng đường mạch và khoảng cách khác với các lớp trong?

Các lớp ngoài của PCB có thể cần độ rộng đường mạch và khoảng hở lớn hơn vì chúng nhận thêm đồng trong quá trình mạ lỗ xuyên. Do đó, độ dày đồng hoàn thiện của chúng có thể lớn hơn độ dày lá đồng ban đầu và lớn hơn lượng đồng dùng trên các lớp trong. Vì vậy, các quy tắc thiết kế PCB nên phản ánh trọng lượng đồng hoàn thiện của từng lớp thay vì áp dụng các quy tắc giống hệt nhau cho toàn bộ stackup.

Trọng lượng đồng ảnh hưởng như thế nào đến độ rộng đường mạch và khoảng cách trên PCB?

Khi trọng lượng đồng hoàn thiện tăng lên, độ rộng đường mạch tối thiểu có thể sản xuất được và khoảng cách đồng-đến-đồng tối thiểu nói chung cũng tăng theo. Đồng nặng hơn đòi hỏi nhiều dung sai hơn cho quá trình ăn mòn và các sai số chế tạo, làm giảm mật độ đi dây khả dụng trên lớp đó. Ví dụ, bài viết cho thấy kích thước đặc trưng tối thiểu tiêu chuẩn tăng từ 4 mil ở mức đồng 0,5 oz lên 8 mil ở mức đồng 2 oz.