česky english Vítejte, dnes je úterý 27. říjen 2020

Z aktuálního vydání: Programy typu Stackup: výkonní pomocníci při skladbě vrstev desky

DPS 5/2020 | CAD/CAE/CAM - články
Autor: Ing. Milan Klauz
01.jpg

Bývaly doby, kdy se skladbou vrstev u vícevrstvých desek plošných spojů nikdo příliš netrápil – návrhář si odhadl počet vrstev tak, aby mohl položit všechny spoje na danou plochu desky, specifikoval její materiál (většinou FR4) a celkovou tloušťku a výrobce si už poradil. To bylo ovšem v dobách, kdy se nedalo mluvit o rychlých signálech, o součástkách s tisícem vývodů ani o několika různých napájecích potenciálech na jedné desce. Ty doby jsou ale pryč a dnešní návrhář je vystaven náročnému úkolu definovat a složit jednotlivé vrstvy desky tak, aby měla parametry, které jsou pro daný obvod potřebné. To platí zejména v případě high-speed desek, kdy nelze nic ponechat náhodě. Navíc je potřeba výslednou skladbu vrstev pečlivě dokumentovat, aby ji výrobce mohl správně vyrobit. Naštěstí jsou k dispozici programy, které se touto záležitostí zabývají – mají knihovnu materiálů i s jejich dielektrickými konstantami, umí kalkulovat charakteristickou impedanci na vrstvách desky a generují potřebné podklady pro výrobu. Tyto programy mají sice různé názvy, ale všechny patří do kategorie „PCB layer stack-up planner“.

PCB stackup

Výraz „stack-up“ (nebo také zjednodušeně „stackup“) představuje u vícevrstvé desky plošných spojů rozložení jednotlivých vrstev i s jejich parametry. Když návrhář mluví o vrstvách, má na mysli měděné, vodivé vrstvy, ale ty jsou v desce vzájemně odděleny vrstvami izolačních materiálů určitých tlouštěk a vlastností. Máme tu tedy vrstvy vodivé (layer 1, 2, 3, 4 atd.), se kterými pracuje návrhář ve svém programu, a izolační vrstvy, které zase zajímají výrobce. Vzdálenosti mezi vodivými vrstvami, materiálové vlastnosti izolačních vrstev, ale také rozložení obvodu podle významu na jednotlivé vodivé vrstvy ovlivňuje výsledné parametry desky a její funkčnost. Desky, které zpracovávají velmi rychlé signály, lze jen těžko realizovat bez důkladné předchozí rozvahy o provedení dané desky.

Zatímco více vodivých vrstev umožňuje položit všechny plošné spoje, jejich dobrý stackup minimalizuje zranitelnost desky vůči externímu šumu, udržuje impedanci spojů na nižších požadovaných hodnotách, omezuje přeslechy a vyzařování a podporuje dobrou signálovou integritu spojů.

Složení vrstev desky, resp. stackup pro 4vrstvou desku, lze popsat podle obr. 1 (vlevo) takto: Deska je sestavena z jádra (core), což je sklolaminát s vrstvami mědi na obou stranách, tenkých vrstev dielektrického materiálu pro oddělení jednot- livých vodivých vrstev (prepreg) a samostatných vrstev mědi na vnějších stranách desky. Vrstvy mědi na obou stranách jádra tvoří u čtyřvrstvé desky vnitřní vodivé vrstvy 2 a 3 používané většinou pro napájecí plochy (GND a PWR). Izolační vrstvy (core i prepreg) se pro orientaci značí pomocí čísel navazujících vodivých vrstev (prepreg 3−4 je uložen mezi vodivými vrstvami 3 a 4). Jednotlivé vrstvy (core, prepreg a samostatné vrstvy mědi) jsou během výroby holé desky navzájem spojeny (slepeny) v jeden celek v lisu působením tlaku a teploty.

cad-1

V případě desky s větším počtem vodivých vrstev se přidávají další vrstvy core a prepregu podle potřeby – na obr. 1 vpravo je provedení 6vrstvé desky. Takové standardní uspořádání, kdy se střídají core a prepreg, nemusí být vždy použito, jak je vidět na obr. 4 vpravo, kde je vodivá vrstva 2 a 7 mezi dvěma prepregy.

Potřebné tloušťky desky při daném počtu vrstev se dosáhne kombinací různých tlouštěk core a prepregu z nabídky výrobců (obr. 2). Pokud nelze získat potřebnou tlouštku prepregu přímo, potom se jí dosáhne použitím více tenkých vrstev na sobě.

cad-2
Obr. 2 Příklad tlouštěk izolačních vrstev 4vrstvé desky v závislosti na její výsledné tloušťce. Zdroj: [1]

Při návrhu skladby vrstev je potřeba vzít v úvahu i nepájivou masku na stranách desky, protože ta svými vlastnostmi také ovlivňuje výsledné vlastnosti desky. Výrobci desek plošných spojů, například [1], již mají vypracovány konfigurace skladby vrstev desky (stackup) pro různý počet vrstev a výsledné tloušťky desek, které mohou sloužit jako základ pro další postup.

Volba počtu vrstev desky

Jednou z věcí, kterou software pro plánování stackup neumí, je určení počtu vodivých vrstev desky, protože ten je dán komplexitou dané desky − celkovým počtem spojů, počtem kritických spojů, které musí být taženy odděleně, počtem napájecích zdrojů, typy pouzder atd. Zkušení návrháři už mají jistý cit pro určení počtu vrstev desky, alespoň pro začátek, ale jinak se za tímto účelem používají různé metody, např. tyto dvě:

První metodou [2] je porovnat počet vývodů na desce s plochou desky a získat tak hustotu vývodů (Pin density) – z tabulky na obr. 3 se potom vybere odpovídající počet vrstev.

cad-3
Obr. 3 Výpočet hustoty vývodů a přiřazení počtu vrstev desky

Tak například deska o rozměrech 4" × 3" s 500 vývody má Pin density kolem 0,33 a vyžaduje tak 6 signálních vrstev – to je po přidání napájecích vrstev prakticky osmivrstvá deska.

Druhou metodou [3] je pustit autorouter na předem odhadnutém počtu signálních vrstev. Autorouter by měl položit alespoň 85 % všech spojů, jinak se musí přidat či ubrat další vrstvy. Výsledek práce autorouteru vypovídá také o vhodném rozmístění součástek, takže je většinou potřeba celý proces opakovat. Pochopitelně to neznamená, že spoje, které autorouter položil, budou ty, které tam nakonec zůstanou.

Proč je stackup pro návrháře důležitý

Návrhář danou desku navrhuje, výrobci ji vyrábí, a tak každého z nich na stackupu zajímá něco jiného.

Výrobce potřebuje znát složení vrstev (vodivých i izolačních), použité materiály a tloušťky. Většinou ho nezajímá, jak návrhář dospěl k danému počtu vrstev ani k čemu jsou jednotlivé vodivé vrstvy určeny, s výjimkou případů, kdy musí dodržet předepsanou impedanci spojů.

Návrháře naopak zajímá použití jednotlivých vodivých vrstev pro rozložení daného obvodu na desce (obr. 4). Pomocí vhodného rozložení napájecích ploch uvnitř desky, izolačních mezer mezi vodivými vrstvami a materiálovými vlastnostmi core i prepregu vytvoří vhodné podmínky pro napájení i přenos signálu, přičemž omezí přeslechy, vyzařování a rušení z okolního prostředí.

Impedance je přitom klíčovým faktorem, který jistí stabilitu návrhu. Materiály použité na desce pohlcují vysoké kmitočty a ovlivňují strmost náběžných a sestupných hran signálu. Z tohoto důvodu je výběr vhodného materiálu velmi důležitý.

Co si většinou návrháři neuvědomují, je skutečnost, že vnitřní plošné spoje jsou v důsledku lisování vrstev desky za vysoké teploty vlastně zcela zatlačeny do prepregu, což ovlivňuje impedanci plošného spoje. I zde má důležitou roli software, který impedanci počítá a bere v úvahu všechny závislosti.

Těsná vazba mezi napájecími vrstvami (GND a PWR) snižuje AC impedanci a výrazně snižuje elektromagnetické vyzařování. Z tohoto důvodu by měly být velmi rychlé signály (high-speed) položeny mezi napájecí vrstvy, aby nevyzařovaly.

Zde je několik tipů na použití vícevrstvých desek pro high-speed obvody od autora programu ICD Stackup Planner [3]:

  • Čtyřvrstvé desky nejsou příliš vhodné pro high-speed návrh, protože plošné spoje na povrchu desky vyzařují, zatímco vnitřní vrstvy jsou použity pro napájecí plochy. Výjimkou mohou být desky umístěné v kovovém krytu, který funguje jako stínění.
  • Šestivrstvé desky již mají dvě signální vrstvy uvnitř desky vhodné pro high-speed signály, protože jsou mezi dvěma GND plochami, které potlačují vyzařování i rušení z vnějšího prostředí. Toto umístění snižuje vyzařování až o 10 dB.
  • Obecně platí, že by každá signální vrstva měla sousedit s nepřerušovanou napájecí plochou (GND nebo PWR), která tak funguje jako cesta návratu signálu (return path).
  • Osmivrstvá deska s šesti signálovými vrstvami se příliš nedoporučuje. Pokud je potřeba mít šest signálových vrstev, potom by měla být použita desetivrstvá deska.

Obr. 4 zachycuje dvě různá řešení rozložení izolačních vrstev i přiřazení napájecích a signálních vrstev – vlevo pro 10vrstvou desku, vpravo pro 8vrstvou. Zatímco desetivrstvá deska je klasického provedení, kde se pravidelně střídají vrstvy prepreg a core, osmivrstvá deska [2] obchází nevýhodu zmíněnou výše tím, že umísťuje GND plochu mezi dvě prepreg vrstvy a tím umožňuje využít vodivé vrstvy 3 a 6 pro high-speed signály. Desetivrstvá deska představuje ideální řešení [3] pro 6 signálních vrstev, z nichž 4 mohou být high-speed. Používá napájecí vrstvy 2 a 9 jako stínění pro high-speed spoje na vnitřních vrstvách desky, signály na vrstvách 3 a 4 jsou izolovány od signálů na vrstvách 7 a 8 dvojicí napájecích vrstev uprostřed desky. Už z toho je zřejmé, že variant rozmístění dielektrických vrstev, stejně jako přiřazení vodivých vrstev různým částem obvodu může být hodně.

cad-4
Obr. 4 Přiřazení vodivých vrstev desky signálním a napájecím vrstvám

Definování materiálu jednotlivých vrstev

Důležitým aspektem je přiřazení materiálu jednotlivým izolačním vrstvám desky čili core a prepregu. Nesmí se zapomínat na nepájivou masku, protože i ta ovlivňuje výsledné vlastnosti desky. Obojí, core i prepreg, jsou dostupné v různých tloušťkách a s různými vlastnostmi od řady výrobců. Právě zde přijde vhod pomoc ze strany stackup softwaru díky rozsáhlým knihovnám těchto materiálů.

Vlastnosti materiálu a tloušťka core i prepregu ovlivňují parametry desky a stackup programy umí v závislosti na nich kalkulovat impedanci a další potřebné parametry desky.

Stackup software

Některé programy pro návrh desek již mají jisté možnosti pro práci se skladbou vrstev, ale rozhodně nenabízejí všechny možnosti, které mají specializované programy určené právě pro tyto účely. Samostatných stackup programů existuje pouze několik. Mezi ty nejznámější patří ICD Stackup Planner, SpeedStack a Z-planner.

Tyto programy umožňují ve formě tabulkových procesorů sestavit desku z jednotlivých vrstev, vybrat jejich materiál (core, prepreg, měď, nepájivá maska) s potřebnými vlastnostmi a tloušťkou z konkrétních hodnot jednotlivých výrobců v knihovně a zadat informace o plošných spojích (šířka, tloušťka) a otvorech. Programy potom kalkulují impedanci, případně i další data jednotlivých vrstev. Změnou jednotlivých parametrů je možné sledovat vliv na impedanci a další parametry (viz obr. 5).

Většinou se vychází z nabídky doporučených konfigurací sestav vrstev v závislosti na počtu vodivých vrstev, kde lze původní parametry (materiál, tloušťky atd.) měnit podle potřeby.

Sestavený stackup je možné exportovat do různých návrhových programů, aby byla při návrhu použita stejná skladba vrstev. Důležité je, že programy umožňují výsledný návrh dokumentovat tak, aby mohl být předán dále do výroby. Ač se to nezdá, právě správná dokumentace sestavení desky, kde je uveden konkrétní materiál, je ve výsledku nejdůležitější podklad pro výrobu dané desky.

Zde je na místě také poznamenat, že návrh by se měl dělat v návaznosti na vybraného výrobce desek, aby bylo zajištěno, že navrženou skladbu vrstev bude možné realizovat.

ICD Stackup Planner

Australská firma In-Circuit Design (ICD) nabízí několik programů pro práci s deskami plošných spojů. Pro potřeby návrhu stackup nabízí software ICD Stackup Planner [3]. Jak už sám název napovídá, software umožňuje vytvořit stackup 2- až 16vrstvých desek. Program má již zabudovanou doporučenou skladbu vrstev desky pro každý počet vrstev včetně potřebných údajů – hodnoty i rozložení vrstev lze měnit podle potřeby a uložit pro opakované použití. Všechny proměnné lze postupně měnit tak, aby se získaly potřebné parametry impedance desky – charakteristická Zo, Edge Coupled (Zdiff) a Broadside Coupled Differential (Zdbs). Dielektrické konstanty (nazývané také relativní permitivitou), tloušťky dielektrik a mědi, šířka spoje a další parametry lze měnit. To je možné díky rozsáhlé knihovně materiálů od různých výrobců (celkem 31 275 položek) včetně jejich dielektrických vlastností, které lze použít až do 100 GHz.

cad-5
Obr. 5 Uživatelské prostředí programu ICD Stackup Planner při řešení 10vrstvé desky

Program nabízí možnost exportu do různých návrhových systémů (OrCAD, Allegro, PADS, Xpedition, Altium, CR8000), dále do programu Hyperlynx pro analýzy signálové integrity, programu SpeedStack (rovněž stackup planner − viz dále), do tabulkového procesoru Excel a také do univerzálního formátu IPC-2581.

Za všemi programy stojí známý expert na stackup Barry Olney, který napsal nespočet odborných textů na téma návrhu high-speed desek včetně řešení stackup. Každému, kdo se o stackup zajímá, lze doporučit jeho články Stackup Planning [4], ve kterých rozebírá výhody i nevýhody jednotlivých uspořádání vícevrstvých desek z pohledu vhodnosti pro high-speed.

I když je ICD Stackup Planner jedním z nejstarších programů, je rozhodně dobrým pomocníkem při řešení skladby vrstev, navíc v přijatelné cenové hladině. Na tento software navazují další programy, jako ICD PDN Planner, ICD Design Integrity a další.

SpeedStack

Anglická společnost Polar Instruments je patrně nejstarším výrobcem zařízení a softwaru pro kontrolu vlastností desky plošných spojů z pohledu přenosu signálu plošným spojem. Její programy jdou do jemných detailů, které jsou ovšem důležité pro rozhodování v kritických situacích návrhu dnešních komplexních desek – tak například uvažuje profil plošného spoje jako lichoběžník místo běžně udávaného obdélníku, protože to tak po odleptání mědi ve skutečnosti je, bere v úvahu odvrtané části via otvorů (backdrill) atd.

Základním nástrojem je program SpeedStack [5] určený pro návrh skladby vrstev desky v závislosti na použitých ma- teriálech a pro podrobnou dokumentaci složení těchto vrstev. Navazující programy Si8000m a Si9000e umožňují detailní simulace pro navržený stackup s ohledem na impedenci a přenos signálu až do rozsahu GHz.

cad-6
Obr. 6 Grafické prostředí programu SpeedStack dává dobrou představu o skladbě vrstev desky

Program Speedstack představuje kompletní prostředí pro návrh a dokumentování skladby vrstev desky, jak pro návrháře, tak i výrobce. Bere v úvahu použitý materiál jednotlivých vrstev desky i požadavky na impedanci či ztráty v přenosové lince (insertion loss). Rozsáhlá knihovna materiálů pro core a prepreg od různých výrobců umožňuje navrhnout vhodný stackup z pohledu ceny, dostupnosti i dodržení požadovaných parametrů.

Umožňuje rychle vytvořit stackup desky včetně řízené impedance, a to buď od ruky v módu VMM (Virtual Materials Mode) bez návaznosti na knihovnu materiálů, nebo s pomocí rozsáhlé knihovny materiálů od různých výrobců prepregu, core či nepájivé masky. Podporuje návrh skladby vrstev, který odpovídá požadavkům na danou desku s možností zajít do velkých detailů, když se jedná o typy materiálu, stylů skloviny a požadavků na impedanci.

Potřebný stackup lze vytvořit různým způsobem. Tak lze například zadat jen konečnou tloušťku desky, počet vrstev, případně požadavky na impedanci. Začít lze také bez definování materiálu a postupně stackup vylepšovat zadáváním detailních požadavků.

Program dokumentuje vytvořený stackup tak, aby mohl být použit výrobcem i všemi ostatními, kteří jsou s výrobou spojeni. Grafická podoba hlášení je přehledná a srozumitelná a jednoduše popisuje všechny detaily vrstev desky.

Interface programu dovoluje importovat i exportovat stackup desky z/do vybraných návrhových programů firem Zuken, Mentor a Cadance, navíc i do programu Ucamco pro přípravu dat pro výrobu desek.

Z-planner Designer

Program Z-planner Designer [6] umožňuje návrh stackup desky až do 20 vrstev, přičemž počítá Zo, Zdiff, ztráty přenosové linky (insertion loss) a zpoždění při šíření signálu (propagation delay).

cad-7
Obr. 7 Prostředí programu Z-planner Designer

Disponuje obsáhlou knihovnou dielektrických materiálů (core a prepreg) i s jejich potřebnými hodnotami (dielektrická konstanta, tloušťka dielektrika, dielektrické konstanty Dks a Dfs v závislosti na kmitočtu a obsahu pryskyřice v materiálu).

Podobně jako SpeedStack a ICD Stackup Planner i Z-planner navazuje na další programy, které rozšiřují jeho možnosti – např. program Z-solver provádí detailní analýzy řezu vrstev desky a exportuje impedanci, ztráty a S-parametry. Program Z-planner Enterprise pak představuje rozšířenou verzi Z-planner Designer.

Závěr

I když výrobci vícevrstvých desek mívají vlastní připravené konfigurace sestavení vrstev desky v závislosti na počtu vodivých vrstev a výsledné tloušťky desky, dnešní velká rozmanitost v požadavcích na návrh desky vyžaduje takovou konfiguraci ověřit, případně upravit podle vlastních požadavků. Jakoukoliv výslednou konfiguraci je potom třeba pro potřeby výroby dobře dokumentovat. To vše umožňují programy pro plánování rozložení vrstev desky – stackup.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik