הקדמה: למה חשוב עיצוב אותות עבור אותות

דחיפה חסרת רחמים לשיעורי נתונים גבוהים יותר, גורמי צורה קטנים יותר, וצריכת חשמל נמוכה יותר יצרה לוח מעגלים מודפס (PCB) עיצוב תובעני יותר מתמיד.בלב ביצועים דיגיטליים מהירים ואלוגיים אמינים הוא הערימה של PCB-ההההסידור של שכבות נחושת מוליכים ושילוב חומרים דיאלקטריים שמרכיבים את ביצועיו הפיזיים והחשמליים של הלוח.

מאמר זה בוחן את היחסים האינטימיים בין עיצוב ערימה של PCB, שליטה באימפולסים שונים, ואת השלמות האות הכוללת.We will לחקור את הפיזיקה הבסיסית מאחורי אפשרויות ערימה, לספק אסטרטגיות פעולה עבור אופטימיזציה של חוסר יכולת, ודן טכניקות מתקדמות המשמשות בעיצובים מהירים מודרני.עד הסוף, הקוראים יהיה מסגרת ברורה לקבלת החלטות ערימה מושכלת כי מאזן ביצועים חשמליים, יכולת אדם, עלויות, ועלות.

אדריכלות: PCB Stack-up Architecture

מה הופך את ה-A Stack-up?

ערימה טיפוסית של PCB מורכב משינוי שכבות של נחושת חומר תת-קרקעי דיאלקטרי.שכבות נחושת מעוצבים כדי ליצור עקבות אותות, מטוסים כוח, מטוסים קרקעיים, בעוד השכבות dielectric לספק בידוד חשמל ותמיכה מכנית.המסדר הספציפי, עובי, ונכסים חומריים של שכבות אלה להגדיר את התנהגות החשמל של הלוח.com-ups טווח מ 2 שכבות פשוטות (מסוכות) ו- 12 קומות) עם מחסנים מורכבים יותר.

הפרמטרים המרכזיים שמעצבים שולטים כוללים:

  • (ב) מספר השכבות: למעלה (ב) מספר השכבות: 1) יותר שכבות מאפשרות למטוסים ייעודיים להפצת חשמל ולשוב נתיבים הנוכחיים, שיפור חסינות הרעש.
  • (ב) ויקרא י"א: "ה'" (ב) "ה')" (ב"ב)" (ב"ב) "ה'ה')" (ב"ב)"ה' (ב"ב)"ה', "ה'ה'"ה'" (ב')"ה')"ה'"ה'"ה'"ה'"ה'"ה'.
  • (ב) ⁇ :0) קבוע (Dk): ;FLT:1, ההיתר של החומר המבודד קובע כמה השדה החשמלי מופחת, המשפיע על עיכוב אימפולסיבית והפצתו.
  • (ב) משקל:0 (FLT:1) נחושת כבד (למשל, 2 oz /ft2) מפחית הפסדים מנוגדים, אך יכול לסבך את השליטה על אימפולס עקב עקבות עבות יותר.
  • (ב) [העיקרון]: [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]], [ה], [ה], [ה],]] [ה], [ה], [ה], [ה], [ה],], [ה], [ה], [ה'[ה'],], [ה'[ה'[ה']']']'[ה']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']'[ה']']'[ה'[ה']']']']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[

כל אחד מהמשתנים הללו אינטראקציה עם אחרים, מה שהופך את עיצוב ערימה של בעיה אופטימיזציה רב-משתנה ולא בדיקה פשוטה.

כיצד Stack-up Drives Differential Impedance

הבנה של אימפולסים שונים

אי-ציות שונות הוא האי-ציות נמדד בין שני עקבות שנשאו אותות שווים אך מנוגדים, בדרך כלל בשימוש עבור ממשקים סידוריים מהירים כגון USB, HDMI, PCIe ו- Gigabit Ethernet עבור שידור שונה אידיאלי, שתי העקבות חייבות להיות אימפולס שווה אחד לשני ולמטוס ההתייחסות שלהם, מצב המכונה מוזר-מוחשות.

הערימה משפיעה על אי-ציות שונות באמצעות שלושה גורמים עיקריים:

  1. (ב) [ה]:0] גאומטריה: [ה] רוחב, ספאם ועובי של זוג השונה, קובעים ישירות את האימפולסים של אפילו-ומוזר-המתעבה.
  2. (FLT:0) תכונות חשמליות:0.D. (Dk) קבוע דיאלקטרי יעיל (Dk) של החומר בין העקבות לבין מטוס ההתייחסות משנה את מהירות ההתפשטות ואת ההפיכה הקפיטליסטית. A גבוה יותר Dk מוריד את הדחף לגיאומטריה נתונה.
  3. (FLT:0)Layer ערימה סדר: 1 המרחק מן הצמד השוני אל המטוס הקרקע הקרוב ביותר (ה-height בהתייחסות) הוא משתנה דומיננטי.גובה קטן יותר מפחית תנופה שונה, בעוד גובה גדול יותר עולה אותו.

מעצבים חייבים לאזן בזהירות פרמטרים אלה כדי להכות את המכשולים השונים של מטרה, כגון 100 ⁇ עבור USB 3.0 או 85 ⁇ עבור PCIe Gen 4. מיקרו-strip טיפוסי (שכבת מעבר) זוגות דורשים עקבות שונים מאשר פסליין (שכבת ערב) זוגות בשל הבדלים בחשיפה דיאלקטרית ומגבלות שדה.

אסטרטגיות ל- Optimal Signal Integrity

עיצוב Trace

הדרך הישירה ביותר להשיג מוטציות מטרה היא להתאים רוחב עקבות וספאם המבוסס על הפרמטרים של ערימה.ב.בי.איי.איי.איי. בדפיס מספקים מחשבוןי עכבות או כללי עיצוב עבור מחסנים משותפים, אבל מהנדסים צריכים לאמת עם פותרי שדה או משוואות מתקנים כמו IPC-2141A הנחיות עיקריות כוללות:

  • (ב) ,0) יש לקחת מטוס התייחסות עקבי: FLT:1 שכבות אות צריך להיות סמוך לשדה מוצק או כוח. להימנע מפיצול או רִיק במטוס ההתייחסות מתחת לצלילים מהירים, כפי שהם גורמים הפסקות בלתי פוסקות ולהגדיל את EMI.
  • (FLT:0) מרש"פ אורך בתוך זוגות שונים: ⁇ FLT:1 skew בין הרגליים החיוביות והשליליות של זוג מדרגות שונות. השתמש ב routing נחשine או אורך כוונון להשוואה בין ±5 ±5 מילימטרים (0.127 מ"מ) עבור אותות ⁇ גבוה.
  • עובי אחיד (FLT:0) כולל עובי dielectric אחיד:FreaLT:1 וריאציות עובי prepreg על פני הלוח בשל זרימת resin או זכוכית אפקטים weave יכול לגרום ⁇ s. ציין סובלנות הדוקה (למשל, ± 10%) ולהשתמש עובי דק, אחיד, אחיד, במידת האפשר.
  • (FLT:0) שמור על עקבות מן הקצוות: FIRLT:1 החומר הדיאלקטרי ליד קצה הלוח לעתים קרובות יש תכונות ריפוי שונות, המוביל לריאציות מרתיעות.כביש זוגות שונים לפחות 50 מילימטר (1.27 מ"מ) מן הפאנל.

שכבת הוראת ומטוס

בחירת הרצף הנכון של אותות ושכבות מטוס חשוב כמו הגיאומטריה של עקבות בודדים.עבור עיצובים מהירים, בצע את העקרונות האלה:

  • (FLT:0) אותות ושכבות מטוסים:FreaLT:1 ערימה קלאסית 6 שכבות (למעלה-GND- אות1- כוח-GND- ⁇ ) מספקת תנופה מבוקרת הן לשכבות החיצוניות והן הפנימיות תוך שמירה על אי-הלאה נמוכה להפצת כוח.
  • (FLT:0)Use מספר מטוסים קרקעיים:FLT:1 במועצות מרובות שכבות (8+), מטוסים קרקעיים מרובים להפחית את EMI ולספק נתיבי החזרה להפחתה נמוכה.
  • (ב) כאשר שינוי שכבות עם זוג שונה, הקרקע מקום דרך הישר ליד האות דרך לספק נתיב החזרה רציף.
  • (FLT:0) שכבות מהירות גבוהות יחסית למרכז הערימה:FLT:1 שכבות פס פנימי פסים פנימיים הם באופן טבעי יותר חסין לרעש חיצוני ומייצרים פחות EMI מאשר שכבות מיקרו-סטריפ חיצוניות.עבור נתיבי אותות רגישים מאוד, להשתמש פס סימטרי עם מטוסים מעל ומתחת.

בחירה חומרית ליציבות

הבחירה של השפעות חומר דיאלקטרי לא רק מעכב אלא גם אובדן אות, ביצועים תרמיים, ועלות. Standard FR-4 יש Dk המשתנה באופן משמעותי עם תדירות ולחות, מה שהופך אותו שולי עבור עיצובים מהירים מעל 1 Gbps.

  • (FLT:0)Low-loss laminates: FIRLT:1 חומרים כגון רוג'רס 4350B, Isola FR408HR, או Nelco N4000-13 יש Dk יציב בתדירות (בדרך כלל 3.5–4.0) וגורם דיספלציה נמוך (Df).
  • (FLT:0) גרסאות של FR-4 בטמפרטורה גבוהה: ההרחבה 1 (בעד 5 Gbps), שיפור ציונים FR-4 (למשל, Shengyi S1170G, ITEQ IT-180A) מציע שליטה טובה יותר של אימפולס מאשר סחורה FR-4 ללא פרמיה עלות גדולה.
  • (FLT:0)Hybrid מחסניות: איור 1 (בעיצובים מסוימים, מהנדסים משתמשים בתערובת של מלונים: חומר בעל עוצמה נמוכה עבור שכבות אות מהירות ו- FR-4 סטנדרטי עבור כוח או שכבות מהירות נמוכה. גישה זו מאזן ביצועים ותקציב אבל דורש ניהול זהיר של התרחבות תרמית (CTE) תקלות.
  • (FLT:0)Fillers וזכוכית Weave:ve:031) סטנדרטי זכוכית-reinforced epoxy יש weave לא חד-ממדי שגורם לוריאציות Dk המקומי.P. להפיץ זכוכית או זכוכית אולטרה-נמוכת-נמוכת מורידה מורידה את הווריאציות האלה.

סימבול ואימות של קידוד

המונחים: LAYET REIEET REITION

זרימת עיצוב PCB מודרנית צריכה לכלול סימולציה מונעת מראש באמצעות 2D או 3D אלקטרומגנטי פותרים (למשל, ANSYS SIwave, HyperLynx, או Keysight ADS) כלים אלה מאפשרים למעצבים לעצב את הפרמטרים המדויקים של ערימה וחיזוי עכבות לפני ביצוע ייצור.

  1. Define the Layerערימה with material Dk, עובי, משקל נחושת.
  2. צייר את הגיאומטריה של זוג שונים (width, ספאק, עובי נחושת).
  3. סימלוט מוזר-מוולד ואפילו-מודה מעכבים את הגיאומטריה עד שהמטרות נפגשות עם שוליות.
  4. בצע גורים parametric כדי להבין את הרגישות לייצור סובלנות (למשל, ± 10% עובי דיאלקטרי, ±1 mil וכו 'סובלנות).

סימבול צריך גם להסביר את ההשפעות של מסיכה מכרה על שכבות חיצוניות (אשר מורידים את החסימה) ואת נוכחות של עקבות סמוכים או מילוי קרקע.כולל פרטים אלה במודל משתפרים עם תוצאות נמדדות.

הודעה אחרונה ל-Layout Verification

לאחר מחיקה, השתמש ב מדידות רפלקומטיות של זמן (TDR) על אבטיפוס כדי לאמת את האימפולסים השונים.TDR מספק מפת מרחבית של עכבות לאורך העקבות, הדגשת הפסקות מבאמצעות, מחברים או bends. קריטריונים קבלה בדרך כלל דורשים חוסר יכולת להישאר בתוך ±5% של ערך היעד מעל 70% של אורך העקב, ללא כל חתמת יחיד.

עבור לוחות ייצור, בדיקת קופונים על קופון מבחן (סעיף PCB נפרד עם עקבות ייצוגיים) היא נפוצה. תקן IPC-6012 מגדיר שיטות מבחן עכבות מקובלות ושיעורי סובלנות.

טכניקות מתקדמות ל-High-Speed Designs

סימפטי לעומת Aסימטרית

בהגדרות פסליין, שכבת האות הוא כריך בין שני מטוסי התייחסות. קו פס סיממטרי (מרחק שווה לשני המטוסים) מספק את השליטה הטובה ביותר ואת הצטלטלטלטל הנמוך ביותר מכיוון שהשדות מוגבלים באופן הדוק. Aסימטרי (מרחקים שווים) משמש לעתים כדי לחסוך שכבות, אך הוא סובל מפליטות קרינה ורגישות גבוהות יותר למטוס.

המונחים: Ground Shielding

בעיצובים צפופים מאוד, מהנדסים עשויים להשתמש בקופס כפול - שתי שכבות אות חולקות מטוס קרקע משותף ביניהם.סידור זה מקטין ספירת שכבה הכוללת, אך מציג צלב בין שתי שכבות האותות.כדי לצמצם זאת, להשתמש בספא מוגבר בין שכבות (תיקדר דיאלקטרי) ולהימנע מפגיעה בתוקפים במהירות גבוהה בצד השני של מטוס משותף.

לבידוד קיצוני, להוסיף מגן קרקע ייעודי בין שכבות שונות.זה נפוץ ב- RF ולוחות חתומות מעורבות שבו מעגלים אנלוגיים ודיגיטליים משותפים.

עיצוב וקידום אנטי-pad

ויטס הם בלתי נמנעים בלוחות רב-שכבות, אך הם מציגים הפסקות אי-נוחות. עבור זוגות שונים, שימוש:

  • (ב) ,0) ,בחזרה-דורה: (ב) ,(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,הבהור של ה-FLT:1: החור במטוס ההתייחסות סביב הדרך צריך להיות מותאם כדי לשמור על 50-ohm או אימפולסים שונים דרך דרך דרך.
  • (ב) ,0) ו-Via-in-pad עם נחושת מלאה:03FLT:1 עבור לוחות HDI צפופים, לוחות מצופה-over באמצעות כריות BGA מצמצם את אורך התוואי אך דורשות אימפולס זהיר של מלא באמצעות מבנה.

מלכודות נפוצות בעיצוב Stack-up

  • (FLT:0) אבחון סובלנות ייצור: FLT:1 ערימה כי פגיעה מושלמת אימפולס בסימולציה עלול להיכשל בייצור אם עובי דיאלקטרי משתנה ±15% או וכו 'H שינויים עיצוב תמיד עם ± 10% סובלנות בראש ופרט בקרה הדוקה יותר עם המדגם.
  • (FLT:0) שימוש במטוסי התייחסות עם הפסקות:FreaLT:1) , רוסינג על מטוסים מפוצלים (למשל, בין תחומים שונים של מתח) כוחות חוזרים לסיבוב, ויוצרים התנגשויות ענק וקרינת קרינת זעזוע משותף.
  • (ב) [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]], [ה], שתי החתימות [הלא-החלות] [הלא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-ל-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-לֹא-ל-ל-הִדַבְתִּיִדָּעָעָעָעָעָעָעֹא-ל-לֹאֱל-לֹאֱלֹא-לֹאֱמַרְתִּיִדָּעֹא-לֹאֱמַרְתָּעֹהָעֹאֱמַרְתָּעָעָעֹהָעֹהָעֹהָעֹהָעֹאֱמַרְתָּעֹהָעָעָעָעֹהָעָעֹ
  • (FLT:0) ראה את הערימה כנהג עלות:FLT ( 1:1 יותר שכבות, מבולות אקזוטיות, ועיוורים / קבורים באמצעות עלייה בתפוקה האקספוננציאלית של ספירת השכבה המינימלית העומדת בדרישות של יושרה תוך שמירה על שליטה בלתי אפשרית.

מגמות עתידיות ב- Stack-up ו- Impedance Control

הצעדה לעבר 100+ Gbps אות (למשל, 112 Gbps PAM4) דורש שליטה אי פעם של שיבוש והפסד נמוך יותר.

  • (FLT:0Glass וקרמיקה substrates: irph:1) עבור תדירות גבוהה אולטרה גבוהה (mmWave), משחות מסורתיות מוחלפות על ידי קוד זכוכית או קרמיקה עם דיק מבוקר בדיוק וחוספס נמוך.
  • (FLT:0) טכנולוגיות של עקבות: FLT:1 Traces מוטבע לתוך dielectric ולא מודפס על פני השטח, ומאפשר אובדן נמוך יותר ושליטה בגיאומטריה משובחת יותר.
  • (FLT:0) Machine-learning מבוסס מחסנית: FLT ( 1:1) כלים AI יכולים לטאטא אלפי וריאציות של ערימה כדי למצוא את העודף הטוב ביותר בין אימפולס, אובדן, ועלות, צמצום הכדאיות ידנית.
  • (FLT:0) מודל מתקדם של אפקטים סטוצ'יסטיים: סימולציה של זמן אמת של זכוכית Weave, resin inhomogeneity, ו-Samense במודל הערימה יהיה סטנדרטי, המאפשר 100-ohm אימפולס עם פחות מ -2% וריאציות.

ההתקדמות הזו תדחוף את הגבולות של מה שניתן, אבל העקרונות הבסיסיים המתוארים במאמר זה - גאומטריה מבוקרת, תכונות דיאלקטריות יציבות, וסידור שכבתי מתחשב - יישארו הבסיס של עיצוב ערימה טובה.

מסקנה

עיצוב ערימה PCB-up הוא הרבה יותר מאשר פרט ייצור; זוהי החלטה הנדסית אסטרטגי כי תחת פיקוח של אימפולסים שונים ושלמות אות כוללת. על ידי הבנת כיצד סידור שכבה, תכונות חומריות, ועקב אחר גיאומטריה אינטראקציה, מהנדסים יכולים ליצור לוחות המספקים אותות נקיים ומהירים עם סימולציה מינימלית וקרינה.ממ- 2 שכבות פשוטות לערימות מורכבות 12 שכבות, עקרונות הליבה ליישם: שמירה על דיוק חשמלי, עם ממדים יציבים, עם דיוק יציבים, עם סימולציה מדויקת וסימולציות.

לקריאה נוספת, מומלץ להתייעץ עם ספקי ההלמכה:0 (IPC-2141A Controlled Impedance Design GuideFLT:1, כתוביות של ספקים כמו FLT:2Rogers CorporationFLT 3), וספרי מהימנות מאת הווארד ג'ונסון או אריק בוגטין.