Проектирование для размещения и маршрутизации компонентов Pcb высокой плотности

Понимание дизайна PCB высокой плотности

Конструкция печатной платы высокой плотности стала определяющей проблемой в современной электронике. По мере того, как потребительские устройства сокращаются, приобретая возможности, инженеры должны упаковывать больше функциональности в меньшую площадь платы. Это давление распространяется на отрасли от аэрокосмических и медицинских устройств до телекоммуникаций и автомобильной электроники. ПХД высокой плотности обычно характеризуется меньшими размерами функций, более плотным расстоянием компонентов, более тонкой шириной следов и большим количеством слоев по сравнению с обычными конструкциями. Цель состоит не только в том, чтобы поместить компоненты на доску, но и сделать это, сохраняя целостность сигнала, тепловые характеристики и технологичность.

Сложность конструкции ПХД высокой плотности требует дисциплинированного, структурированного подхода с самых ранних стадий. Решения, принятые во время размещения компонентов и маршрутизации, оказывают каскадное влияние на электрические характеристики, тепловое поведение и выход продукции. Без тщательного планирования инженеры рискуют ухудшением сигнала, перегревом и дорогостоящим повторным вращением производства. В этой статье рассматриваются критические соображения дизайна для размещения и маршрутизации компонентов ПХБ высокой плотности, предоставляя практические стратегии, которые опытные дизайнеры могут применить к своему следующему проекту.

Ключевые принципы проектирования ПХБ высокой плотности

Эффективная конструкция ПХД высокой плотности требует балансировки нескольких, иногда конкурирующих, принципов. Инженеры должны оценивать компромиссы между электрическими характеристиками, терморегулированием, механическими ограничениями и стоимостью производства. Следующие принципы составляют основу любой успешной компоновки высокой плотности.

Компонентное размещение

Размещение компонентов является единственным наиболее эффективным решением в конструкции ПХД высокой плотности. Стратегическое позиционирование компонентов минимизирует длину следов, снижает паразитную индуктивность и емкость и упрощает маршрутизацию. В плотных платах важен каждый миллиметр. Размещение компонентов без учета потока сигнала или теплового распределения может создать перегрузку маршрутизации, которая вызывает неоптимальные переходы слоев или чрезмерное использование.

маршрутизация

Маршрутизация в платах высокой плотности - это нечто большее, чем просто соединение сетей. Инженеры должны управлять импедансом трассировки, контролировать перекрестные перекрёстные связи и обеспечивать бесперебойность путей возврата сигнала. С ограниченными каналами маршрутизации и более тонкой геометрией дизайнеры должны использовать передовые технологии, укладку слоев и тщательное назначение критических сетей. Эффективная маршрутизация уменьшает количество необходимых слоев, что напрямую влияет на стоимость платы.

Управление уровнем

Конструкции высокой плотности почти всегда требуют нескольких слоев. Складывание слоев должно планироваться для разделения типов сигналов, обеспечения непрерывной мощности и наземных плоскостей и поддержки контролируемой маршрутизации импеданса. Хорошо спроектированное сложение слоев уменьшает электромагнитные помехи (EMI) и улучшает целостность сигнала. Общие конфигурации включают выделенные силовые и наземные плоскости, прилегающие к высокоскоростным сигнальным слоям, для создания микрополосы или полосовых структур.

Термический менеджмент

По мере увеличения плотности компонентов увеличивается и выработка тепла на единицу площади. Без адекватного управления температурой локализованные горячие точки могут ухудшить производительность или вызвать преждевременный отказ. Тепловое управление в ПХБ высокой плотности включает как активные, так и пассивные методы, включая тепловые сквозняки, медные ливни, радиаторы и тщательное размещение мощных компонентов вдали от чувствительных к температуре схем.

Стратегии размещения компонентов для советов высокой плотности

Размещение компонентов в ПХД высокой плотности — это систематический процесс, который начинается с понимания функциональных блоков схемы. Следующие стратегии помогают инженерам достичь оптимального размещения, что упрощает маршрутизацию и повышает производительность.

Группировка компонентов по функциям

Одна из наиболее эффективных стратегий размещения заключается в группировке компонентов, которые относятся к одному функциональному блоку. Например, все компоненты, связанные с секцией питания, должны быть размещены вместе. Такой подход минимизирует межблоковые длины следов и снижает риск шумовой связи между различными секциями. Он также упрощает маршрутизацию локальных разъединяющих конденсаторов, которые должны быть размещены как можно ближе к штифтам питания ИС для обеспечения эффективного подавления шума.

При группировке компонентов конструкторы должны также учитывать направление потока сигнала. Упорядочение компонентов таким образом, чтобы сигналы двигались в логическом направлении по доске, уменьшает заторы трассировки и облегчает отладку компоновки. В конструкциях высокой плотности эта дисциплина становится ещё более критичной, поскольку каналы маршрутизации ограничены.

Приоритет критических сигналов

Не все сигналы равны. Высокоскоростные сигналы, тактовые линии, дифференциальные пары и чувствительные аналоговые сигналы должны быть приоритетными во время размещения. Эти компоненты должны быть расположены так, чтобы обеспечить прямые короткие маршруты маршрутизации с минимальными изменениями уровня. Размещение высокоскоростной ИС вдали от связанных с ней компонентов памяти или интерфейса приводит к длинным следам, которые увеличивают задержку сигнала и восприимчивость к шуму.

Инженеры должны выявлять критические сети на ранних этапах процесса проектирования и соответствующим образом распределять доску недвижимости. Для дифференциальных пар поддерживать симметрию в маршрутизации для сохранения отклонения в общем режиме. Для тактовых сигналов избегать размещения вблизи шумных преобразователей мощности или регуляторов переключения. Моделирование целостности сигнала может помочь проверить выбор размещения до начала маршрутизации.

Обеспечение доступности для тестирования и сборки

Конструкции высокой плотности часто жертвуют проверяемостью в погоне за миниатюризацией. Однако пренебрежение доступом к тестовым точкам и заголовкам программирования может привести к значительным проблемам во время прототипирования и производства. Дизайнеры должны зарезервировать место для тестовых точек на критических сетях, особенно на рельсах питания, сигналах часов и линиях управления. Заголовки пограничного сканирования (JTAG) необходимы для тестирования густонаселенных плат с мелкими компонентами.

Кроме того, при размещении компонентов необходимо учитывать возможности машин для выбора и размещения. Обеспечить, чтобы компоненты были последовательно ориентированы на минимизацию времени сборки и чтобы никакие компоненты не были слишком близки к краям платы или отверстиям для инструментов. Поддержание клиренса для проверки пасты припоя и профилирования потока улучшит выход продукции.

Решение механических ограничений

ПХБ высокой плотности часто вписываются в плотные корпуса с конкретными механическими требованиями. Высота компонентов должна учитываться для обеспечения зазора с корпусом или с другими платами в стеке. Тяжелые компоненты, такие как трансформаторы или большие индукторы, должны размещаться вблизи точек крепления для снижения механического напряжения на припоях. Размещение соединителя должно выровняться с отверстиями в корпусе и обеспечивать маршрутизацию кабеля без блокировки вентиляции или доступа к другим соединителям.

Передовые методы маршрутизации для плотных досок

Маршрутизация в ПХД высокой плотности требует точности и креативности. При ограниченном пространстве и увеличении скорости сигнала инженеры должны использовать передовые методы для поддержания целостности сигнала при достижении полной связности. Следующие методы необходимы для успешной маршрутизации в плотных конструкциях.

Микроволновки и технологии HDI

Микровии являются краеугольным камнем конструкции межсоединений высокой плотности (HDI). Эти небольшие сквозные каналы, обычно лазерные с диаметром менее 150 микрон, позволяют маршрутизировать между соседними слоями с минимальным размером площадки. Микровии могут быть сложены или пошаговыми для создания вертикальных соединений, которые экономят пространство и уменьшают количество требуемых слоев маршрутизации. Популярные структуры HDI включают конфигурации 1 + N + 1 и 2 + N + 2, где для маршрутизации сигналов от тонкого слоя BGA используются несколько слоев микровии.

Использование микровиас позволяет проектировщикам маршрутизировать сигналы непосредственно под пакетами BGA без необходимости больших сквозных проходов, которые потребляют каналы маршрутизации на нескольких слоях. Этот метод особенно ценен для устройств с шаровыми шагами 0,8 мм или меньше. Однако микровиас увеличивает стоимость изготовления, поэтому инженеры должны сбалансировать преимущества с общими бюджетами проектов. Стандарты IPC, такие как IPC-6012 и IPC-2226, обеспечивают руководящие принципы для проектирования и квалификации HDI.

Контролируемое импедансное и сигнальное единство

Высокоскоростные сигналы требуют управляемой маршрутизации импеданса для предотвращения отражений, звона и потери сигнала. В платах высокой плотности поддержание согласованного импеданса является сложной задачей, поскольку ширина следов мала, а переходы слоев часты. Конструкторы должны вычислять геометрию следов на основе диэлектрического материала и стекапа для достижения значений импеданса цели, как правило, 50 Ом для одноконечных сигналов и 100 Ом для дифференциальных пар.

Стриплайн-маршрутизация, где сигнальный след зажат между двумя плоскостями отсчета, обеспечивает лучшее экранирование и управление импедансом, чем маршрутизация микрополосы. Однако полоса потребляет больше слоев и может усложнять маршрутизацию в плотных областях. Для конструкций высокой плотности распространена комбинация микрополосы на внешних слоях и полосы на внутренних слоях. Использование полевых растворителей во время предварительного моделирования помогает проверять цели импеданса, прежде чем совершать изготовление. Внешние ресурсы, такие как стандарты IPC, предлагают подробное руководство по управлению импедансом и выбору материала.

Дифференциальная парная маршрутизация

Дифференциальная сигнализация широко используется для высокоскоростных интерфейсов, таких как USB, HDMI, PCI Express и Ethernet. Дифференциальные пары должны быть маршрутизированы с одинаковой длиной и последовательным интервалом для поддержания отклонения в обычном режиме и минимизации перекоса. В платах высокой плотности это требование часто заставляет дизайнеров извиваться от следов до длины соответствия, что потребляет пространство маршрутизации и может создавать перекрестные перепалки, если не делать это тщательно.

При маршрутизации дифференциальных пар держите пару на одном и том же слое как можно больше, чтобы избежать разрывов импеданса от суи. Если изменения слоя неизбежны, поместите возврат через каждый сигнал через поддержание непрерывных обратных путей тока. Поддерживайте связь, удерживая следы близко друг к другу, но помните о минимальных правилах интервала, чтобы избежать случайного короткого замыкания. Дифференциальные пары должны быть отведены от тактовых линий и других высокочастотных сигналов для предотвращения помех.

Складывание слоев и управление самолетом

Складка слоев является критическим фактором, определяющим возможность маршрутизации на платах высокой плотности. Хорошо спроектированная стек-ап разделяет аналоговые и цифровые схемы, обеспечивает непрерывные опорные плоскости для управления импедансом и обеспечивает эффективное распределение мощности. Типичные стек-ап высокой плотности используют от 6 до 12 слоев, с выделенными плоскостями для наземных, энергетических и множественных сигнальных слоев.

Присвоение смежных наземных плоскостей высокоскоростным сигнальным слоям создает микрополосу или полосовую структуру с предсказуемым импедансом. Плоскости мощности следует расщеплять только при необходимости, а плоскости разделения следует избегать при высокоскоростных трассах для предотвращения разрывов пути возврата. Использование нескольких плоскостей мощности для различных доменов напряжения, таких как 3.3 В и 1.8 В, является обычным явлением, но проектировщики должны обеспечить, чтобы разрезы плоскостей не мешали критической маршрутизации сигнала. См. Руководство по проектированию алюминия для практических рекомендаций по стеканию слоев.

Via-in-Pad и заполненные виа

Via-in-pad - это метод, при котором связки размещаются непосредственно внутри площадки компонента поверхностного крепления, обычно BGA. Этот подход экономит пространство маршрутизации, устраняя необходимость в фанатах собачьих костей и позволяет маршрутизировать из внутренних слоев непосредственно под компонентом. Для конструкций с высокой плотностью с тонкой спичкой BGA, сквозная сквозняк часто является обязательным. Однако сквозняки должны быть заполнены и планаризированы, чтобы предотвратить фиксацию припоя и обеспечить надежные припои. Медные или проводящие эпоксидные сквозняки распространены в приложениях с высокой надежностью.

Заполненные сквозные материалы также обеспечивают тепловое преимущество, проводя тепло от компонента к внутренним медным плоскостям. Конструкторы должны координировать свои действия с изготовителем ПХД, чтобы обеспечить совместимость процесса заполнения с материалами платы и требованиями к сборке. IPC-4761 обеспечивает классификацию с помощью методов защиты и наполнения.

Тепловое управление в высокоплотных конструкциях

Термическое управление вызывает все большую озабоченность в ПХД высокой плотности, поскольку рассеивание мощности на единицу площади продолжает расти. Такие компоненты, как процессоры, ИС управления мощностью, РЧ-усилители и светодиоды, генерируют значительное тепло, которое должно быть проведено для предотвращения сбоев. В плотных платах с ограниченным потоком воздуха пассивные методы управления тепловой энергией становятся необходимыми.

Техника рассеивания тепла

Термические сквозняки обеспечивают путь с низкой устойчивостью для перемещения тепла от горячих компонентов к внутренним медным плоскостям или к теплоотводу на противоположной стороне платы. Массивы небольших тепловых сквозняков под силовыми компонентами гораздо более эффективны, чем один большой сквозной, поскольку они максимизируют объем меди и снижают тепловое сопротивление. Количество и размер тепловых сквозняков следует рассчитывать на основе рассеивания мощности и теплопроводности материала платы.

Медные ливни на наружных слоях действуют как теплораспределители, распределяя тепло от горячих точек. Для компонентов с открытыми тепловыми прокладками конструкторы должны сшивать прокладку на наземные плоскости с использованием нескольких прокладок. В крайних случаях может потребоваться использование металлических ПХД или добавление теплоотводов непосредственно к мощным компонентам. Инструменты моделирования, такие как программное обеспечение для вычислительной динамики текучей среды (CFD), могут моделировать воздушный поток и прогнозировать температуры перехода перед прототипированием. Стандарты JEDEC, обеспечивают методы измерения теплового сопротивления полупроводниковых пакетов.

Инструменты моделирования, такие как Ansys SIwave, Cadence Sigrity или анализатор PDN Altium, позволяют инженерам проверять предположения и повторять решения о размещении и маршрутизации. Запуск этих симуляций во время разработки снижает вероятность дорогостоящих редизайнов. Пост-проверка, включая проверку правил проектирования (DRC) и проверки электрических правил (ERC), должна выполняться с учетом возможностей изготовителя. Для всеобъемлющего обзора рабочих процессов проверки проектирования печатных плат обратитесь к ресурсам проектирования печатных плат .