Useimmissa projekteissa insinöörit eivät siirry 12-kerroksiseen piirilevyyn vain siksi, että he haluavat enemmän reitityskerroksia. Todellinen syy on yleensä se, että signaalin eheys, tehon vakaus, BGA-levyn purkujen monimutkaisuus tai EMI:n hallinta on jo saavuttanut 8- tai 12-piirisen piirilevyn rajat. 10 kerroksen pinoaminen.
Tämä on erityisen yleistä FPGA-alustoissa, teollisissa laskentajärjestelmissä, tekoälymoduuleissa, tietoliikennelaitteistoissa ja nopeissa sulautetuissa laitteissa. Kun DDR-reititys, differentiaaliparit, tehotasot, suojaus ja lämpörajoitteet alkavat kilpailla tilasta, alemman kerroksen levyjen hallinta vaikeutuu.
Näemme tämän usein DFM-arviointien aikana. Kaavio voi olla oikea, mutta itse pinoamisrakenne aiheuttaa valmistukseen tai sähköön liittyviä riskejä myöhemmin tuotannossa.
Hyvin suunniteltu 12-kerroksinen piirilevy ei ole vain kerrosten lisäämistä. Kyse on vakaan sähköisen rakenteen luomisesta, joka voi tukea nopeita signaaleja, ylläpitää puhtaita paluureittejä, vähentää sähkömagneettista häiriötä ja pysyä mekaanisesti luotettavana useiden lämpösyklien jälkeen.
Kehittyneitä monikerroslevyjä kehittäville yrityksille tärkein tuotteemme on Monikerroksisen PCB:n valmistus sivulla käsitellään myös muita pinoamis- ja valmistusominaisuuksia.
Sisällysluettelo
Miksi insinöörit siirtyvät 12-kerroksiseen PCB:hen
Todellisissa tuotantoympäristöissä siirtyminen 10 kerroksesta 12 kerrokseen tapahtuu yleensä kolmesta syystä:
- Suuren pin-määrän BGA-reititys ruuhkautuu.
- Teho- ja maadoitusvertailukerrokset eivät enää riitä
- Signaalin eheysongelmat ilmenevät testauksen aikana
Monet nykyaikaiset prosessorit ja FPGA:t edellyttävät erityisiä referenssitasoja vakaata impedanssin ohjausta varten. Jos kaikki reititys tehdään väkisin harvempiin kerroksiin, syntyy usein jaettuja paluureittejä, liikaa läpivientejä, ristikkäishäiriöitä ja epävakaata impedanssikäyttäytymistä.
Useiden verkko- ja teollisuusohjainprojektien perusteellisen tarkastelun jälkeen kävi selväksi, että ensisijainen huolenaihe ei ollut itse reititystiheys, vaan pikemminkin vertailutason huono jatkuvuus suurnopeusdifferentiaaliparien alla.
Kun tiedonsiirtonopeudet kasvavat, pinoamisesta tulee osa sähkösuunnittelua - ei vain valmistusrakennetta.
Tyypillinen 12-kerroksinen PCB Stackup strategia
Yleistä 12-kerroksista pinoamista ei ole olemassa. Oikea rakenne riippuu suuresti seuraavista tekijöistä:
- Signaalin nopeus
- BGA-tiheys
- Levyn paksuus
- Impedanssikohteet
- Tehonjakelun vaatimukset
- EMI:n suorituskykytavoitteet
Käytännössä symmetriset pinot ovat kuitenkin edelleen suosituimpia, koska ne vähentävät vääntymistä laminoinnin ja uudelleen sulatuksen aikana.
Yleinen lähestymistapa on:
LayerFunctionL1SignalL2GroundL3High-Speed SignalL4SignalL5PowerL6GroundL7GroundL8PowerL9SignalL10High-Speed SignalL11GroundL12Signal
Tämä rakenne mahdollistaa sen, että nopeat kerrokset pysyvät kiinteiden vertailutasojen läheisyydessä, jolloin tehonjakelu pysyy suhteellisen vakaana.
Paksummissa 12-kerroksisissa levyissä insinöörien on kiinnitettävä huomiota myös hartsitasapainoon ja kuparin jakautumiseen. Epätasainen kuparitiheys eri kerroksissa on yksi yleisiä syitä levyn vääntymiseen ja vääntymiseen kokoonpanon jälkeen.
Impedanssin säätö on yleensä todellinen haaste
Monet asiakkaat olettavat, että impedanssin säätö on lähinnä jäljen leveyden laskemista. Käytännössä pinoamisen johdonmukaisuus on usein vaikeampi osa.
Esimerkiksi prepreg-yhdistelmien muuttaminen 1080:sta 2116:een voi vaikuttaa impedanssiin niin paljon, että linjan leveyttä on muutettava.
Nopeissa 12-kerroksisissa malleissa useat tekijät ovat samanaikaisesti vuorovaikutuksessa keskenään:
- Kuparin karheus
- Lasi kudonta vaikutus
- Dielektrisen paksuuden toleranssi
- Etsauskorvaus
- Hartsin virtaus laminoinnin aikana
- Viitetason jatkuvuus
Suosittelemme yleisesti, että nopeat differentiaaliparit pidetään kiinteän maadoitusreferenssin välissä, eikä niitä reititetä jaettujen tehotasojen viereen. Tämä on erityisen tärkeää paksuissa monikerroslevyissä, joissa paluupolun epäjatkuvuuden hallinta voi olla haastavampaa.
PCIe-, DDR- tai SerDes-sovelluksissa voi myös olla tarpeen käyttää takaporausta via stub -vaikutusten vähentämiseksi.
Tästä tulee entistä tärkeämpää, kun signaalinopeudet ylittävät perinteiset teollisuuden ohjaustaajuudet.
Via-suunnittelu alkaa vaikuttaa tuottoon paljon odotettua aiemmin
Yksi asia, jonka monet insinöörit aliarvioivat 12-kerroksisissa levyissä, on rakenteen monimutkaisuus.
Monissa teollisuustuotteissa vakiomallinen läpireikärakenne on edelleen luotettavin ja kustannustehokkain vaihtoehto. Kun kuitenkin otetaan käyttöön suuria BGA-kortteja, sokeat läpiviennit ja upotetut läpiviennit tulevat nopeasti tarpeellisiksi.
Tämä aiheuttaa lisää valmistukseen liittyviä näkökohtia:
- Peräkkäinen laminointi
- Laserporauksen tarkkuus
- Rekisteröinnin toleranssi
- Kuparin täytön luotettavuus
- CAF-resistenssi
- Kuvasuhteen rajoitukset
Esimerkiksi paksu 12-kerroksinen levy, jossa on pienet mekaaniset porakoot, voi helposti ylittää suositellut kuvasuhteet. Jos porauksessa mennään liian pitkälle, reikien seinämät ja pinnoitus eivät kestä aikaa.
Joissakin tietoliikenne- ja palvelinprojekteissa olemme havainneet luotettavuusongelmia, jotka eivät ole johtuneet itse layoutista vaan liian pitkälle optimoiduista ja valmistuksen rajoja ylittävistä läpivientimitoista.
Jos tarvitaan HDI-rakenteita, meidän HDI PCB valmistus valmiussivulla selitetään muita prosessivaihtoehtoja.
Materiaalivalinnalla on enemmän merkitystä 12-kerroksisissa levyissä
Alemman kerroksen levyissä tavallinen FR4-levy riittää yleensä.
Materiaalin käyttäytyminen on paljon huomattavampaa 12-kerroksisilla piirilevyillä, koska levy joutuu kokemaan useita laminointisyklejä ja suurempaa lämpörasitusta kokoonpanon aikana.
Korkean Tg-arvon omaavia materiaaleja suositaan usein teollisuudessa ja autoteollisuudessa, koska ne parantavat mittapysyvyyttä lämpösyklien aikana.
Kun lisäyshäviö alkaa vaikuttaa signaalin suorituskykyyn, pienihäviöisistä materiaaleista tulee tärkeitä suurnopeusjärjestelmissä.
Yleisiä materiaaliyhdistelmiä voivat olla:
- FR4 Tg170
- Panasonic Megtron -sarja
- Isola low-loss -laminaatit
- Rogersin hybridiyhdistelmät
Materiaalin valinta vaikuttaa myös suoraan:
- Impedanssin vakaus
- Z-akselin laajennus
- CAF-resistenssi
- Delaminaatioriski
- Porauksen laatu
Todellisessa tuotannossa väärän prepreg-yhdistelmän valinta voi aiheuttaa enemmän ongelmia kuin väärän kuparipainon valinta.
Laminoinnin vakaus on yksi suurimmista valmistusriskeistä.
12-kerroksista piirilevyä ei valmisteta samalla tavalla kuin yksinkertaista monikerroksista piirilevyä.
Mitä enemmän kerroksia on mukana, sitä herkemmäksi prosessi muuttuu:
- Hartsin virtaus
- Puristussyklin parametrit
- Kerroksen kohdistaminen
- Materiaalin laajeneminen
- Sisäkerroksen oksidikäsittely
- Kuparin tasapainotus
Tämän vuoksi kokeneet monikerroksisten piirilevyjen valmistajat käyttävät paljon aikaa pinoutumisen symmetrian tarkistamiseen ennen tuotannon aloittamista.
Huono laminoinnin valvonta voi johtaa:
- Delaminaatio
- Tyhjiön muodostuminen
- Liiallinen vääntyminen
- Tynnyrin halkeilu
- Hartsin nälkä
Pienetkin laminointivirheet korkean luotettavuuden aloilla, kuten televiestintä- ja ilmailu- ja avaruuselektroniikassa, voivat lopulta johtaa kenttävikoihin pitkäaikaisessa lämpösyklissä.
DFM Review on kriittinen 12-kerroksisissa PCB-projekteissa
Yksi yleisimmistä kohtaamistamme ongelmista on sähköisesti toimiva muotoilu, jota on kuitenkin vaikea valmistaa johdonmukaisesti.
Muutamia esimerkkejä:
- Kuparin erittäin epätasainen jakautuminen
- Liiallinen via-tiheys BGA-alueiden alla
- Liian ohuet rengasrenkaat
- Tiukka porauksen ja kuparin välinen etäisyys
- Impedanssijäljet, jotka ylittävät jaetut tasot
- Pinotut läpiviennit ilman riittävää täyttöprosessikapasiteettia
Monimutkaisissa monikerroksisissa projekteissa DFM-tarkistus olisi tehtävä ennen lopullista Gerber-julkaisua eikä vasta sen jälkeen, kun valmistukseen liittyviä ongelmia ilmenee. Pienetkin muutokset pinoamis- tai reititysstrategiaan voivat parantaa huomattavasti valmistustulosta ja pitkän aikavälin luotettavuutta.
Meidän PCB-suunnittelupalvelu tiimi tekee usein yhteistyötä asiakkaiden kanssa tässä vaiheessa valmistettavuuden optimoimiseksi ennen tuotannon aloittamista.
Missä 12-kerroksisia PCB:tä käytetään yleisesti
Nykyään 12-kerroksisia piirilevyjä käytetään laajalti järjestelmissä, joissa sähköinen vakaus ja reititystiheys ovat molemmat kriittisiä.
Tyypillisiä sovelluksia ovat:
- FPGA-kehitysalustat
- Teollisuusautomaatio-ohjaimet
- Tekoälyn laskentalaitteisto
- Tietoliikenneinfrastruktuuri
- Lääketieteelliset kuvantamisjärjestelmät
- Autojen tutkaelektroniikka
- Sulautetut tietotekniikka-alustat
- Nopeat verkkolaitteet
Verrattuna alempikerroksisiin levyihin oikein suunniteltu 12-kerroksinen rakenne tarjoaa paremman EMI-suojauksen, puhtaammat vertailutasot ja ennustettavamman signaalikäyttäytymisen.
FAQ
V: Useimmat 12-kerroksiset piirilevyt ovat 1,6 mm: n ja 3,2 mm: n välillä, riippuen kuparin painosta, impedanssivaatimuksista ja via-rakenteen suunnittelusta.
V: Ei. Monissa 12-kerroksisissa levyissä käytetään edelleen tavallisia läpireikärakenteita. HDI tulee tarpeelliseksi lähinnä silloin, kun BGA-levyjen tiheys tai reititysrajoitukset kasvavat merkittävästi.
V: Käytännön tuotannossa laminointivakauden ja impedanssin yhdenmukaisuuden saavuttaminen on yleensä haastavampaa kuin reititys.
V: Monissa teollisuussovelluksissa kyllä. Nopeat tai lämpöä vaativat järjestelmät saattavat kuitenkin vaatia korkeaa Tg:tä tai matalahäviöisiä materiaaleja.
V: Tärkeimmät syyt kustannusten nousuun ovat laminointisyklien lisääminen, tiukemmat rekisteröintitoleranssit, monimutkaisempi poraus, impedanssitestaus ja alhaisemmat valmistusmarginaalit.