Rotor Stack-up'ın Etkisi Diferansiyel Impedance ve Tasarımı Sinyal Sinyal Sinyali Bütünlük

Giriş: Neden Signal Integrity için Tasarım Maddeleri

Daha yüksek veri oranları için sürekli zorlama, daha küçük form faktörleri ve daha düşük güç tüketimi baskılı devre kurulu (PCB) her zamankinden daha fazla talep etti. Güvenilir yüksek hızlı dijital ve analog performans, PCB yığınının belirlenmesi - bir şekilde modellemek için gerekli olan bakır tabakaları ve devre dışı bırakmak için, hem de elektriksel materyallerin toplanması için, hem de betonun yeniden düzenlenmesi.

Bu makale, PCB yığını tasarımı, diferansiyel dürtü kontrolü ve genel sinyal bütünlüğü ile ilgili temel fizikleri inceler ve modern yüksek hızlı tasarımlarda kullanılan gelişmiş teknikler için uygulanabilir stratejiler sağlar.Sonunda, okuyucular elektrik performansı, manufacturability ve maliyetle dengelenen kararlara sahip olacaktır.

PCB Stack-up Mimarlık Vakfı

Ne tür bir aksesuar bir yuva?

Tipik bir PCB yığını bakır folyo ve dielektrik substratı materyalinin alternatif katmanlarından oluşur. bakır tabakaları sinyal izlerini, güç uçaklarını ve zemin uçaklarını oluşturmak için kullanılır, dielektrik tabakaları elektrik yalıtım ve mekanik destek sağlarken, bu tabakaların özellikleri, tahtanın elektrik davranışını tanımlar. Ortak yığınlama konfigürasyonları iki katmanlı tahtalardan (signal ve zemin) çok katmanlı yığınları karmaşık bir şekilde sabitlenebilir.

Tasarımcıların kontrolü içeren anahtar parametreler şunlardır:

• [FONT:0]Number of katmanları:[Dönetici:[Dönetici: 0) Daha Fazla katmanlar, güç dağıtım için özel uçaklara izin verir ve mevcut yollara geri döner, gürültü bağışıklığı geliştirir.
• [FONT:0)Dielektrik kalınlığı:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir sinyal katmanı ve onun bitişik referans uçağı doğrudan izlerin karakteristik yönünü etkiler.
• [Dk:0)Dielektrik sabit (Dk): ), İç malzemesin izin verme özelliği, elektrik alanının ne kadar azaltıldığını, dürtüsüzlüğü ve yayılım gecikme gecikmesini belirler.
• [FONT=0) Copper ağırlık:[Dönetici:[Dönetici:0) Heavier bakır (e.g., 2 oz/ft2) dirençli kayıplara karşı direnebilir, ancak kalın izlerinin nedeniyle kontrol etmeyi zorlayabilir.
• [FONT=0)Öyle vs. temel:[Döntgen:[Döntilmiş temel) kalınlığı toleransları ve tutarlılığı etkiler.

Bu değişkenlerin her biri diğerleriyle etkileşime girer, yığınlama tasarımı basit bir kontrol listesi yerine çok değişken bir optimizasyon problemi oluşturur.

Nasıl Stack-up Drives Diferansiyel Impedance

Diferansiyel Impedance Anlamak

Diferansiyel dürtü, iki iz arasında eşit ama tam tersi olmayan sinyalleri ölçülmüş, genellikle USB, HDMI, PCIe ve Gigabit Ethernet gibi yüksek hızlı seri arayüzler için kullanılır. ideal bir diferansiyel iletim için, iki iz birbirine eşit şekilde ve referans uçağa eşit olmalıdır, bu yanlış modları yanlış bir şekilde korur.

Taht üç birincil faktör aracılığıyla farklı olarak engelleyici etkiler:

1. [FONT=0]Trace geometrisi:[Dönder:[Dönder, ağlayan ve diferansiyel çift izlerinin kalınlığı doğrudan bile ve garip-modeedances. Narrower, daha yakın uzaylı izler daha geniş, daha geniş, daha geniş, daha geniş-uzaylı izler.
2. [FONT:0)Dielektrik özellikleri:[DK 1: 1) Elde edilen malzemelerin etkili dielektrik sabiti (Dk) ve referans düzlemi, propagasyon ve kapasitive darbesinin hızını değiştirir. Belirli bir geometri için daha yüksek bir Dk daha düşük.
3. [FONT=0)Layer çöp siparişi:[Dönetici 1] Parasitik darbe ile mesafeyi etkileyebilir (geçmiş referans için sekiz) daha küçük bir yükseklik, diferansiyel bir kesintiyi azaltır, daha büyük bir yükseklik artarken, ek uçaklar da parasitik darbe ile engellenebilir.

Tasarımcılar bu parametrelerin, USB 3.0 veya 85 ULL için 100 ULLS için bir hedef ayrımına vurmasını dikkatle dengelemeli (iç tabaka) çiftleri, dielektrik maruziyeti ve alan sınırlaması nedeniyle farklı iz geometrileri gerektirir.

Optimal Signal Integrity için tasarım stratejileri

Kontrollü Impedance Trace Design

Hedefi elde etmenin en doğrudan yolu, IPC-2141A gibi standartlarda iz genişliği ve spacing ayarlaması. PCB imalat evleri, ortak yığınlar için hesaplayıcıları veya tasarım kuralları sağlar, ancak mühendisler saha çözücüleri veya denklemleri IPC-2141A gibi standartlarda doğrulamalıdır:

• [FONT:0) tutarlı bir referans uçağı kullanın:[Dönetici:[Döneticileri) Signal katmanları sağlam bir zemin veya güç uçağına bitişik olmalıdır. Yüksek hızlı izlerinin altında referans uçaktaki bölmelerden veya boşluklardan kaçının, çünkü EMI'yi durdurmaları ve arttırmaları gerekir.
• [FONT:0)Match, diferansiyel çiftlerin pozitif ve negatif bacakları arasında bir çift degradyan ayrı sinyalleme veya uzun süre boyunca uzunlukları yüksek frekanslı sinyallerin eşitleştirilmesi için kullanır.
• [FONT:0)Maintain üniforma dielektrik kalınlığı: Filtreler, reçine akışı veya cam weave etkileri nedeniyle panelde ön segmentte veya cam weave etkiler, yüksek çözünürlük toleranslarını (örneğin, ±10%) ve mümkün olan ince, üniformalı dielektrikleri kullanabilir.
• [FONT:0) Kurul kenarlarından uzak dur: Gemi kenarına yakın dielektrik materyali genellikle farklı şekillerdeki özellikleri, rotayı düzeltmeye yol açan çiftleri en az 50 milyon dolar (1.27 mm) tahtadan uzaklaştırır.

Katman Stack sipariş ve Plane Placement

Doğru sinyal ve uçak tabakalarının doğru sırasını seçmek, bireysel izlerinin geometrisi olarak önemlidir. Yüksek hızlı tasarımlar için, bu ilkeleri takip edin:

• [FONT:0)Alternate sinyal ve uçak katmanları: Klasik 6 katmanlı bir yığın (top-GND- sinyal1-power-GND-Yusufk) hem dış hem de iç tabakalar için kontrol edilen bir yükyü, düşük döngüyü güç dağıtımını korurken.
• [FONT:0) Çok katmanlı uçaklarda (Döncükler) birden fazla zemin uçağın EMI'yi azaltıp düşük aksanlı geri dönüş yollarını sağlamasını sağlar. Ancak, sinyal tabakalarının her zaman ana zemine DC-çiftli bir uçağa referans olmasını sağlar.
• [FONT:0] Uçakları kıran bir yol:[Döneticileri değiştirdiğinizde, hemen hemen sinyale sürekli bir geri dönüş yolu sunmak için işaretle zemine yer verin.Bu, geçişler yoluyla silinen bir hata.
• [FONT=0)Position yüksek hızlı tabakalar, hem de aşağıda yer alan uçaklarla yakın bir şekilde yapılır:[Döneticileri dış gürültüye doğal olarak daha bağışıklık sağlar ve dış mikrostrip katmanlarından daha az EMI üretir.

Impedance Stability için malzeme seçimi

Dielektrik materyalinin seçimi sadece engellenmez, aynı zamanda sinyal kaybı, termal performans ve maliyet. Standart FR-4, frekans ve nem ile önemli ölçüde değişen bir Dk'ye sahiptir, 1 Gbps'nin üzerindeki yüksek hızlı tasarımları için marjinalleştirir.Diferansiyel yönlendirme kontrolü için önerilen malzemeler şunlardır:

• D:0) Düşük büyüklükteki laminatlar: [Df: Rogers 4350B, Isola FR408HR veya Nelco N4000-13 frekansında sabit Dk (tipik olarak 3.5-4.0) ve düşük dağıtım faktörü (Df) gibi malzemeler 10+ Gbps seri bağlantıları için gereklidir.
• [FONT=0) Yüksek sıcaklık FR-4 varyantlar: [Dönemli hızlar için [ 5 Gbps’ye kadar) geliştirilmiş FR-4 notları (örneğin, S1170G, ITEQ IT-180A) büyük bir maliyet primi olmadan mal FR-4'den daha iyi bir kontrol sunar.
• [FONT:0]Hybrid yığınları:[Döneticiler: Bazı tasarımlarda, mühendisler laminatların bir karışımını kullanır: yüksek hızlı sinyal tabakaları ve standart FR-4 için güç veya düşük hızlı tabakalar için düşük maliyetli malzeme.Bu yaklaşım dengeler ve bütçeye ve bütçeye uygun yönetim gerektirir.
• [FONT:0]Filler ve cam Weave: Standart cam-reinforced epoxy, yerel Dk varyasyonlarına neden olan bir non-form weave vardır.Gerekmiş cam bu varyasyonları azaltır. aşırı hassas için, “camsız” veya “düşük profilli”ler laminattır.

Simülasyon ve Stack-up Impedance

Pre-Layout Simülasyonu

Modern PCB tasarımı akışı, ön devre dışı bırakma dürtüsel simülasyonu 2D veya 3D elektromanyetik alan çözücüleri kullanarak içermelidir (örneğin, ANSYS SI dalgası, HyperLynx veya Keysight ADS). Bu araçlar tasarımcıların tam çöp parametrelerini modellemesine ve modellemeye başlamadan önce tahmin etmelerine olanak sağlar.

1. Dk, kalınlık ve bakır ağırlık ile tabaka yığınını tanımlar.
2. Diferansiyel çift geometriyi çizin (altın, spacing, bakır kalınlığı).
3. Simulate garip-mode ve hatta-modeyances. Hedeflerle tanışana kadar geometriyi ayarlayın.
4. Parametrik süpürücü toleransları (örneğin, ±10% dielektrik kalınlığı, ±1 mil vsh tolerans) üretmek için duyarlılığı anlamak için kullanılır.

Simülasyon ayrıca dış katmanlarda satılan maskenin etkileri için de hesaplanmalıdır (bu daha düşük dürtüler) ve bitişik izlerinin veya zemin doldurmalarının varlığı. Bu ayrıntıları modellemede hesaplamak sonuçları ile geliştirir.

Post-Layout Verification

Takip ettikten sonra, zaman alan reflektürü (TDR) prototipleri kullanarak izdüşün% 70'i onaylamayı gerektirir. TDR, iz boyunca boşluksal bir haritayı sunar, bağlantılardan uzak durmayı veya sıralamaları gerektirir. Kabul kriteri genellikle iz uzunluğun% 10'u üzerindeki hedef değerin% 10'u altında kalmak için engel gerektirir.

Üretim kurulları için, bir test kuponu üzerinde kupon testleri ( temsilci izlerinin ayrı bir PCB bölümü) yaygındır. IPC-6012 standart kabul edilebilir engel test yöntemleri ve tolerans sınıfları tanımlar.

Yüksek Hızlı Tasarımlar için Gelişmiş Stack-up Teknikleri

Symmetrical vs. Asimetrik Stripline

striptiz konfigürasyonları, sinyal tabakası iki referans uçağı arasında sandviç edilir. Symmetrical striptizline (her iki uçak için eşit mesafe) en iyi dürtü kontrolü ve en düşük haçlı haçı sağlar, çünkü alanlar sıkı bir şekilde sınırlandırılır. Asimetrik striptiz (sonsuz mesafeler) bazen tabakaları kurtarmak için kullanılır, ancak daha yüksek radiated emisyonlar ve düzlem yerleştirmeye karşı hassasiyet gösterir.

Çift Strip ve Ground Shielding

Çok yoğun tasarımlarda, mühendisler iki şerit kullanabilir - ikisi sinyal tabakaları aralarında ortak bir zemin uçağı paylaşıyor. Bu düzenleme genel katman sayımı azaltır ancak iki sinyal katmanı arasındaki konuşmayı öğretir.Bu sayede, katmanların (azar dielektrik) artan bir şekilde yayılması ve paylaşılan bir uçağın tam tersi üzerinde routing yüksek hızlı aggressors'u kullanmaktan kaçınabilirler.

Aşırı izolasyon için, diferansiyel çift tabakalar arasında özel zemin koruyucusu ekleyin. Bu, analog ve dijital devrelerin ortak olduğu RF ve karışık yönetim kurulularında yaygındır.

Via Design and Antipad Optimizasyon

Vias çok katmanlı tahtalarda kaçınılmazdır, ancak onlar da ayrı çiftler için engellenmeleri sağlamaktadır:

• [FONT:0)Back-drilled vias:[Dönemli: 1 ), bir kovan tarafından kullanılmamış bir düğümü kaldırabilir, bu da yüksek frekanslarda resonant engellenmeye neden olabilir.
• [FONT:0]Anti-pad tespiti:[Dönetici:[Dönetici:0)) Kaynak uçağında yer alan delik 50-ohm veya diferansiyel bir engeli korumak için optimize edilmelidir. Çok büyük bir antipad artışları, çok küçük çok küçük bir indüktif davranış yaratır.
• [FONT:0)Via-in-pad dolu bakır ile: Yoğun HDI tahtaları için, BGA pedleri altında plakalı-over, uzun süre boyunca rotalanmış ancak yapı ile dolu bir şekilde dikkatli bir şekilde modelleme gerektirir.

Stack-up Design'daki Common Pitfalls

• [[DÜSÜ:0) İmalat toleranslarını görmezden gelir:[DÜT:1) Simülasyonda mükemmel bir isabet, üretimde, dielektrik kalınlığının ±15 veya vs yan etkiler değişirse, her zaman ±10% tolerans ile tasarlayın ve kumaşatör ile sıkı kontroller belirtebilirsiniz.
• [FONT:0)Belirli referans uçakları ile ilgili arşivler:[Dönemli: 0,0) Farklı gerilim alanları arasında, farklı gerilim alanları arasında, büyük bir boşluk radyasyonu oluşturmak için mevcut olan yükleri geri döndürür.
• [FONT:0)Mixing sinyal ve uçak tabakaları haphazardly:[Dönetici: 1 ) İnişsiz olmayan iki sinyal tabakaları, kötü imkansızlığı tahmin edilebilirlik ve aşırı haçlı bir şekilde geri dönmek için.
• [FONT:0)Kırsal bir sürücü olarak yığına bakmak:[Dönetici:0) Daha fazla tabaka, egzotik laminatlar ve kör/buried vias artış maliyeti üst düzeye çıkarıldığında sinyal bütünlüğü gereksinimleriyle karşılaştırıldığında minimum tabaka sayın.

Stack-up ve Impedance Control

100+ Gbps sinyale doğru yürüyüş (örneğin, 112 Gbps PAM4) sürekli olarak kontrol ve daha düşük kayıp gerektirir.

• [FONT:0)Glass ve seramik substratlar: [DDK:1] ultra yüksek frekans (mmWave), geleneksel laminatlar cam-core veya seramik-substrate PCBs tarafından tam olarak kontrol edilen Dk ve düşük yüzey kabalığı ile değiştirildi.
• [FONT:0]Embedded iz teknolojisi: Traces, yüzeyde baskı yapmak yerine dielektrike gömülüdür, düşük kayıp ve ince geometri kontrolüne izin verir.
• [FONT:0)Makine tabanlı çöp toplama optimizasyonu: AI araçları, el eleme, kayıp ve maliyet arasındaki en iyi ticaret-off bulmak için binlerce yığın varyasyonu süpürebilir.
• [FONT:0) İleride stochastic etkiler modellenmesi: Cam Weave, reçine inhomogeneity ve yığın modeldeki bakır kabalık, 100-ohm'un% 2'den daha az varyasyona sahip olmasını sağlayacaktır.

Bu gelişmeler, bu makalede belirtilen temel ilkelere yol açacaktır – kontrol edilen iz geometrisi, stabil dielektrik özellikleri ve düşünceli tabaka düzenlemesi – iyi yığın tasarımının temeli olarak kalacaktır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

PCB yığını tasarımı, üretim detayından çok daha fazlasıdır; basit iki katmanlı tahtalardan karmaşık on iki katmanlı yığınlara kadar aynı temel prensiplere göre, katı bir referans uçağının, sabit dielektrikler ve iz geometri etkileşimi, hassas ve ölçümlerle dolu tahtalar oluşturabilir.

Daha fazla okuma için, [[Dönetici:0)IPC-2141A Kontrollü Impedance Design Guide) için uygulama notları, ürünleri yarı yüksek hızlı dünya ile buluşmak için.[Döneticileri için)