česky english Vítejte, dnes je středa 29. září 2021

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS

DPS 5/2011 | CAD/CAE/CAM - články
Autor: Barry Olney, In-Circuit Design Pty Ltd

Tento článek probírá vyzkoušené a osvědčené techniky plánování konfigurace vrstev (PCB Stackup) u vícevrstvé DPS s rychlými signály. Pro kalkulaci impedance a přehled výsledků navržené sestavy vrstev desky je použit program ICD Stackup Planner od firmy In-Circuit Design (www.icd.com.au).

Plánování konfigurace vrstev u desky je jedna z nejdůležitějších činností pro zajištění nejlepších možných vlastností výrobku. Nesprávně sestavené vrstvy desky s nevhodně volenými materiály mohou degradovat elektrické vlastnosti přenosu signálu zvýšeným vyzařováním, zakmitáváním, přeslechy a také mohou učinit výrobek více náchylný na vnější rušení. Tyto záležitosti mohou výrazně snížit spolehlivost a výkon výrobku.

Správně sestavené vrstvy desky mohou naopak efektivně omezit elektromagnetické vyzařování, přeslechy a vylepšit přenos signálů plošnými spoji. Z pohledu výrobce desky pomůže správně sestavená deska také i jemu při výrobě, má-li splnit požadované parametry.

Potlačit rušení přímo v jeho zdroji má větší smysl než řešení problémů až ve chvíli, kdy je výrobek hotový. Projekt, který je kompletní a správně provedený hned napoprvé (Right First Time), znamená nižší náklady redukováním návrhového cyklu, kratší dobu k uvedení výrobku na trh a prodlouženou životnost výrobku.

Desky plošných spojů s napájecími vrstvami umožňují, aby signální spoje byly položeny jako tzv. microstrip nebo stripline s řízenou impedancí, které vyzařují mnohem méně než plošné spoje na dvouvrstvé desce. Signály jsou přitom těsně vázány s napájecí vrstvou (je jedno s kterou), čímž omezují přeslechy a zlepšují přenos signálu plošným spojem.

Napájecí vrstvy u vícevrstvé desky zajišťují významné omezení radiace v porovnání s dvouvrstvou deskou. Obvykle platí, že čtyřvrstvá deska vyzařuje o 15 dB méně než dvouvrstvá deska.

Když vybíráme uspořádání vrstev desky, měli bychom brát v úvahu následující záležitosti:

  • Signální vrstva by měla vždy přiléhat k napájecí vrstvě.
  • Signální vrstvy by měly přiléhat k napájecí vrstvě velmi těsně (<0,25 mm).
  • Napájecí vrstva (jedno která) může být použita pro zpětný návrat signálu.
  • Signály s rychlou náběžnou hranou se šíří cestou s nejmenší indukčností, což obvykle bývá nejbližší napájecí vrstva. Musíte se rozhodnout, která z těchto vrstev bude použita pro návrat signálu.
  • Cena desky bude vždy pro vašeho nadřízeného rozhodující.

Vliv nepájivé masky na impedanci

Jelikož desky plošných spojů mají normálně na horní i spodní straně nepájivou masku, měl by se brát v úvahu její vliv na impedanci spojů. Všeobecně platí, že nepájivá maska sníží impedanci o 2 až 3 Ω na tenkých plošných spojích. Při zvětšování rozměrů plošného spoje se vliv nepájivé masky snižuje.

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS 1

Obr. 1 Vliv nepájivé masky na impedanci plošného spoje

Obr. 1 objasňuje vliv nepájivé masky na impedanci plošného spoje, zde v podobě microstripu. V horní části obrázku je zobrazen výsledek impedance spoje bez uvažování nepájivé masky při kalkulaci, zatímco ve spodní části je impedance stejného spoje ovlivněna nepájivou maskou (soldermask). Hodnoty zadané pro nepájivou masku jsou platné pro všeobecně používanou masku s tloušťkou 0,5 mil (0,0125 mm) a dielektrickou konstantou 3,3.

Nepájivá maska sníží charakteristickou impedanci microstripu o 2 Ω a diferenční impedanci o 3,5 Ω. Z toho vyplývá, že pokud neuvažujete vliv nepájivé masky, potom kalkulace impedance mohou být nesprávné o 3 až 4 %.

Dielektrický materiál

Nejpopulárnější dielektrický materiál je FR4 a může být v podobě základního, nebo „prepreg“ materiálu.

Základní materiál je tenké dielektrikum (vytvrzený sklolaminát) s měděnou folií uchycenou na obou stranách. Tak např. FR06 materiál od výrobce Isola zahrnuje tloušťky 5; 8; 9,5; 14; 18; 21; 28; 35; 39; 47; 59 a 93 mil (1 mil = 25,4 μm). Tloušťka mědi je typicky 17 až 70 μm.

Prepreg je tenká vrstva sklolaminátu impregnovaná nevytvrzeným epoxy materiálem, který ztvrdne, když je zahřátý a pod tlakem během výroby desky plošných spojů. FR06 od Isoly zahrnuje prepreg silný 1,7; 2,3; 3,9 a 7,1 mil, který může být zkombinován k dosažení potřebné tloušťky.

Nejobvyklejší rozložení vrstev desky je takové, kdy vnější strany desky tvoří prepregy s měděnou folií připevněnou na vnějších stranách, zatímco uvnitř je základní materiál kombinovaný ve vrstvách s prepregem. Podívejme se na nejvíce rozšířené konfigurace rozložení vrstev desky u multi-layer DPS.

Rozvržení 4 vrstev desky

Typické rozložení 4 vrstev desky je ukázáno níže. Charakteristické a diferenční impedance substrátu jsou kalkulovány programem ICD Stackup Planner [1].

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS 2.jpg

Obr. 2 Rozvržení 4 vrstev desky

Obvykle jsou k vidění desky se 4 vrstvami, které jsou rozloženy rovnoměrně napříč deskou. To znamená 4 vrstvy se stejnými mezerami mezi sebou, přičemž napájecí vrstvy jsou uprostřed. Ačkoliv toto uspořádání činí desku symetrickou z hlediska rozložení vrstev, nezlepší to EMC vlastnosti.

Obecně platným omylem je mít napájecí vrstvy uprostřed desky těsně u sebe, zatímco mezi signálními a napájecími vrstvami je silné dielektrikum. Takové řešení jistě zajišťuje dobrou kapacitu mezi napájecími vrstvami, ale není nápomocné k řešení „signal integrity“, přeslechů nebo EMC – což je nakonec ten důvod, proč volíme čtyřvrstvou desku místo dvouvrstvé.

Ke zlepšení EMC vlastností čtyřvrstvé desky je nejlepší položit signální vrstvy co nejblíže k napájecím vrstvám (<250 μm) a použít silnější základní materiál (kolem 1 mm) mezi napájecí a zemnicí vrstvou tak, aby celková tloušťka substrátu byla kolem 1,5 mm. Těsná vazba mezi plošným spojem a napájecí vrstvou sníží přeslechy mezi plošnými spoji a dovolí udržet impedanci na přijatelné hodnotě.

Dobrý rozsah impedance (Zo) je od 50 do 60 . Nezapomeňte, že nižší impedance zvýší poměr dI/dt a dramaticky zvýší odebíraný proud (to není dobré pro napájecí síť) a že vyšší impedance způsobí vyšší EMI a učiní navrženou desku více náchylnou na vnější rušení.

Rozvržení 6 vrstev desky

Šestivrstvé desky typicky sestávají ze čtyř signálních vrstev a dvou napájecích vrstev. Je to v podstatě čtyřvrstvá deska se 2 signálními vrstvami navíc, které jsou přidány mezi napájecí vrstvy. To výrazně vylepšuje EMI vlastnosti desky, protože obsahuje 2 vrstvy uvnitř desky pro rychlé signály a 2 vnější vrstvy pro pomalé signály.

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS 3.jpg

Obr. 3 Rozvržení 6 vrstev desky

Signální vrstvy by měly být umístěny velmi blízko k navazujícím napájecím vrstvám a požadovaná tloušťka desky (kolem 1,5 mm) by měla zahrnovat silnější základní materiál uprostřed. Je to vždy kompromis mezi impedancí spoje, tloušťkou spoje a tloušťkou prepreg/základního materiálu a tak je nejlepší použít program pro výpočet těchto parametrů (Stackup Calculator) k provedení analýzy možných řešení.

ICD Stackup Planner kalkuluje charakteristickou impedanci plus „edge“ a „broadside“ coupled diferenční impedanci. „Edge” a „Broadside” diferenční impedance je určena pouze pro zabudované dvojice stripline vrstev. Diferenciální páry se dnes stávají běžné v návrhu desky s rychlými signály, protože použitím diferenčního módu snižují šum.

Rozvržení 8 vrstev desky

Osmivrstvá deska umožňuje přidat další 2 signální vrstvy nebo vylepšit EMC vlastnosti desky přidáním dalších dvou napájecích vrstev. Není doporučeno mít více než 2 signální vrstvy mezi napájecími vrstvami, protože to způsobuje diskontinuity v impedanci (kolem 20  rozdílu v impedanci signálních vrstev) a zvyšuje přeslechy mezi těmito signálními vrstvami.

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS 4.jpg

Obr. 4 Rozvržení 8 vrstev desky

Na obr. 4 je situace s rozvržením vrstev, kdy 2 napájecí vrstvy jsou přidány doprostřed desky. To umožňuje těsnou vazbu mezi prostředními napájecími vrstvami a izolovat každou signální vrstvu, čímž se podstatně omezí možnost přeslechů. Tato konfigurace je všeobecně používána pro návrhy desky s velmi rychlými signály DDR2 a DDR3, kde přeslechy mohou být kvůli velmi těsné vazbě spojů problémem. Pokud nejste příznivci riskování, potom použijte tuto konfiguraci.

Rozvržení 10 vrstev desky

Deska plošných spojů s 10 vrstvami by měla být použita tehdy, když je potřeba 6 signálních vrstev a když EMC může být problém.

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS 5.jpg

Obr. 5 Rozvržení 10 vrstev desky

Na obr. 5 je ukázána velmi obvyklá a téměř ideální situace rozvržení 10 vrstev desky. Důvod, proč má tato deska tak dobré vlastnosti, spočívá v těsné vazbě mezi signálními vrstvami a vrstvami pro návrat signálu, stínění velmi rychlých signálních vrstev, přítomnosti několika zemnících vrstev, stejně jako těsná vazba mezi napájecí a zemnící vrstvou uprostřed desky. Velmi rychlé signály by měly být normálně položeny na signálních vrstvách mezi napájecími a zemnícími vrstvami (zde to jsou vrstvy 3–4 a 7–8). Nicméně je potřeba dohlédnout na to, aby tyto spoje byly položeny vzájemně kolmo na sebe a tím se vyhnuly přeslechům mezi sousedními vrstvami.

Při této konfiguraci rozložení vrstev desky se párují vrstvy 1&10 pro pomalé signály, vrstvy 3&4 a 7&8 pro velmi rychlé signály. Při spárování vrstev tímto způsobem působí napájecí vrstvy 2 a 9 jako stínění pro plošné spoje s velmi rychlými signály na vnitřních vrstvách desky. Navíc jsou signály na vrstvách 3 a 4 izolovány od signálů na vrstvách 7 a 8 dvojicí napájecích vrstev uprostřed desky. Např. rychlé hodiny mohou být položeny na jedné z těchto dvojic signálních vrstev, zatímco rychlé adresy a datové sběrnice na druhé dvojici signálních vrstev. V takovém případě je sběrnice chráněna napájecí vrstvou proti přeslechům z hodin.

Rozvržení 12 vrstev desky

Dvanáct vrstev desky je největší počet vrstev desky, která obvykle může být vyrobena s tloušťkou kolem 1,5 mm. Příležitostně lze vidět desku o této tloušťce i s 14 a 16 vrstvami, ale počet výrobců desek schopných takovou desku vyrobit je omezen na ty, co mohou vyrobit HDI desky.

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS 6.jpg

Obr. 6 Rozvržení 12 vrstev desky

Vysoký počet vrstev desky (více než 10) vyžaduje tenké dielektrikum (typicky 125 μm nebo méně v desce s tloušťkou 1,5 mm), a proto mají tyto vrstvy velmi těsnou vazbu mezi sebou. Když jsou správně rozvrženy a routovány, mohou splňovat všechny požadavky na high-speed návrh desky a přitom mít výborné vlastnosti s ohledem na EMC a přenos signálu. 12 vrstev desky zajišťuje stínění na 6 vnitřních vrstvách.

Rozvržení 14 vrstev desky

Deska se 14 vrstvami se použije, když je požadováno 8 signálních vrstev a stínění kritických potenciálů. Vrstvy 6 a 9 zajišťují izolaci pro citlivé signály, zatímco vrstvy 3&4 a 11&12 zajišťují stínění velmi rychlých signálů.

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS 7.jpg

Obr. 7 Rozvržení 14 vrstev desky

Rozvržení 16 vrstev desky

Šestnáctivrstvá deska zajišťuje 10 signálních vrstev a normálně bývá použita pro návrh extrémně husté desky. Všeobecně platí, že deska s 16 vrstvami je použita v případech, kdy na desce nelze jinak položit všechny spoje. Když se nepodaří položit na desku všechny spoje, může za tím být několik důvodů. Nevhodné rozmístění součástek bývá nejčastější příčinou. Uvolněte cesty pro pokládání plošných spojů, snižte počet křížících se spojů, umístěte via otvory na 25 mil rastr a zjednodušte pokládání spojů jak to jenom jde.

Rozvržení vrstev u vícevrstvé DPS 8.jpg

Obr. 8 Rozvržení 16 vrstev desky

Počet vrstev desky není omezen, pouze je potřeba tuto záležitost konzultovat s výrobcem desek. Tloušťka desky se pochopitelně zvyšuje s počtem vrstev. To má také vliv na poměr tloušťky desky k nejmenšímu vrtanému otvoru a to je potřeba vzít v úvahu. Všeobecně je tento poměr 10 : 1 pro desky silnější než 2,5 mm. Pro desku silnou např. 5 mm je minimální velikost vrtaného otvoru 0,5 mm.

Stanovení počtu vrstev

Technologická návrhová pravidla jsou založena na minimální rozteči použitých SMT součástek a týkají se největších povolených plošných spojů, mezer a via otvorů, zatímco minimalizují cenu výroby desky. Technologie 4/4 MIL (plošný spoj/mezera v tisícinách palce) a via otvory 20/8 MIL (ploška/otvor v tisícinách palce) jsou obvykle požadovány pro komplexní návrh high-speed desky, který zahrnuje BGA. Pokud ale můžete použít méně náročná pravidla, potom tím snížíte výrobní cenu desky.

Jakmile jsou tato pravidla ustanovena, vypočítejte požadovaný počet vrstev a jejich rozmístění s ohledem na požadovanou charakteristickou impedanci (Zo) a diferenční impedanci (Zdiff) podle údajů katalogových listů součástek. Všeobecně se používají 50  Zo a 100  Zdiff. Jak už bylo zmíněno výše, nezapomeňte, že nižší impedance zvýší poměr dI/dt a dramaticky zvýší odebíraný proud (to není dobré pro napájecí síť) a že vyšší impedance způsobí vyšší EMI a učiní navrženou desku více náchylnou na vnější rušení. Z toho vyplývá, že Zo v rozsahu 50–60  je dobrou hodnotou.

Celkový počet vrstev desky potřebný pro daný návrh závisí na komplexnosti návrhu. Faktory, které to ovlivňují, zahrnují počet signálních netů, které se musí vyvést od BGA, počet napájení potřebných pro BGA, hustota součástek na desce a typy jejich pouzder.

Zkušení návrháři získají po čase cit pro stanovení počet vrstev, ale dobrou metodou kontroly stanoveného počtu vrstev je položení spojů autorouterem. Autorouter musí položit alespoň 85 % spojů, aby se dalo předpokládat, že všechny spoje bude možné položit na stanovený počet vrstev. Abyste dosáhli co nejlepšího výsledku, budete muset několikrát změnit rozmístění součástek.

Příklady rozvržení vrstev s kalkulovanými hodnotami impedancí použité v tomto článku byly vytvořeny v programu ICD Stackup Planner vyvinutém naší firmou. Na www.icd.com.au je tento program k dispozici ke stažení pro ohodnocení.

www.icd.com.au

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik