Kun projektissa on 14 kerrosta, piirilevy ei ole enää pelkkä piirin kantaja. Tässä vaiheessa piirilevystä itsestään tulee osa signaalin eheyttä, lämpö- ja virranjakelustrategiaa.
Useimmat insinöörit siirtyvät 14-kerroksiseen piirilevyyn, koska alemman kerroksen pinot eivät enää voi tukea reititystiheyttä, vertailutason jatkuvuutta tai EMI-vaatimuksia ilman, että luotettavuus kärsii.
Tämä on yleistä:
- Tekoälykiihdytinlaitteisto
- FPGA-kehitysalustat
- Tietoliikenteen taustalevyt
- Sulautetut laskentajärjestelmät
- Teolliset näkölaitteet
- Nopeat verkkolaitteet
- Autojen tutkajärjestelmät
Verrattuna 10 tai 12 kerros levyt, 14-kerroksinen PCB tuo mukanaan paljon tiukemmat valmistustoleranssit. Pienet ongelmat, jotka ovat hallittavissa alempikerroksisissa malleissa, muuttuvat usein tuotto- tai luotettavuusriskeiksi, kun piirilevyistä tulee paksumpia ja monimutkaisempia.
Jos haluat lisää monikerroksisia valmistusominaisuuksia, voit myös tutustua meidän Monikerroksisen PCB:n valmistus sivu.
Sisällysluettelo
Miksi 14-kerroksiset PCB:t ovat yhä yleisempiä
Nykyaikaisissa elektronisissa järjestelmissä reititystiheys on paljon suurempi kuin ennen.
Useissa tarkastelemissamme viimeaikaisissa FPGA- ja tekoälyprojekteissa ongelmana ei ollut komponenttien sijoittelu sinänsä, vaan vakaiden vertailutasojen ylläpitäminen, kun samanaikaisesti käsiteltiin tiheää BGA-paon reititystä ja useita nopeita liitäntöjä.
14-kerroksinen pino antaa insinööreille enemmän joustavuutta erotteluun:
- Nopeat signaalikerrokset
- Erityiset maatasot
- Sähkönjakeluverkot
- Herkät analogiset osat
- RF-rakenteet
- Suuren virran reititysalueet
Tämä erottelu parantaa sekä signaalin vakautta että EMI-suorituskykyä.
Käytännössä monia 14-kerroksisia levyjä ei suunnitella siksi, että insinöörit tarvitsisivat "enemmän kerroksia", vaan siksi, että he tarvitsevat puhtaampaa sähköistä käyttäytymistä suuremmilla tiedonsiirtonopeuksilla.
Pinoamissuunnittelusta tulee kriittinen suunnittelupäätös
14 kerroksen tasolla pinoamissuunnittelun tulisi tapahtua ennen asettelutyön aloittamista.
Huonot kasaamispäätökset aiheuttavat usein myöhemmin ongelmia, kuten:
- Impedanssin epävakaus
- Liiallinen ristikkäisääni
- Tasoresonanssi
- EMI-vuoto
- Laminoinnin vääntyminen
- Paluupolun epäjatkuvuus
Tyypillinen 14-kerroksinen piirilevyn pinoaminen voi näyttää tältä:
| Kerros | Toiminto |
|---|---|
| L1 | Signaali |
| L2 | Maa |
| L3 | Nopea signaali |
| L4 | Signaali |
| L5 | Teho |
| L6 | Maa |
| L7 | Signaali |
| L8 | Signaali |
| L9 | Maa |
| L10 | Teho |
| L11 | Signaali |
| L12 | Nopea signaali |
| L13 | Maa |
| L14 | Signaali |
Tarkka rakenne riippuu suuresti:
- BGA-tiheys
- Levyn paksuus
- Materiaalin tyyppi
- Impedanssikohteet
- Lämpövaatimukset
- Strategian kautta
Todellisessa valmistuksessa kuparin symmetrinen jakautuminen on erittäin tärkeää. Epätasainen kuparin jakautuminen 14 kerroksen kesken voi helposti aiheuttaa vääntymis- ja taipumisongelmia kokoonpanon uudelleenjuoksutuksen aikana.
Signaalin eheysongelmia on yhä vaikeampi piilottaa
Alemman kerroksen piirilevyissä jotkin reititysvirheet saattavat silti läpäistä testauksen ilman ilmeisiä ongelmia.
14-kerroksisilla piirilevyillä, joissa käytetään nopeita liitäntöjä, marginaali on paljon pienempi.
Näemme usein ongelmia, jotka liittyvät:
- Jaetut vertailutasot
- Liialliset siirtymät
- Stub-resonanssi
- Epäjohdonmukainen differentiaaliparin väli
- Kerrosten välinen vinous
- Huonot paluuvirran reitit
PCIe Gen4-, DDR4/DDR5- tai nopeiden SerDes-kanavien osalta pinoaminen ja reititysrakenne vaikuttavat suoraan koko järjestelmän vakauteen.
Backdrilling on myös yleistymässä 14-kerroksisissa levyissä, koska via stubs alkaa aiheuttaa mitattavissa olevaa signaalin heikkenemistä korkeammilla taajuuksilla.
Käytännön tuotannossa impedanssin valvonnassa ei yleensä ole niinkään kyse laskentakaavoista vaan enemmänkin valmistuksen johdonmukaisuuden säilyttämisestä koko kokoonpanossa.
HDI-rakenteet ovat usein välttämättömiä 14-kerroksisissa levyissä.
Suuret BGA-kortit ja tiheät reititysalueet tekevät tavanomaisesta läpireikäreitityksestä usein epäkäytännöllistä.
Tämän seurauksena monet 14-kerroksiset PCB-projektit ottavat käyttöön:
- Sokeat läpiviennit
- Hautautuneet läpiviennit
- Via-in-pad-rakenteet
- Laser-mikroviat
- Peräkkäinen laminointi
Nämä tekniikat parantavat reititystiheyttä, mutta lisäävät merkittävästi valmistuksen monimutkaisuutta.
Yksi yleinen ongelma on yliaggressiivisuus mitoituksen kautta. Insinöörit pienentävät joskus porakokoja liian aggressiivisesti ottamatta huomioon valmistuskykyä tai pinnoituksen luotettavuutta.
Paksummissa monikerroslevyissä poran kuvasuhteesta tulee vakava luotettavuustekijä.
Rakenne, joka näyttää sähköisesti optimoidulta, voi silti luoda:
- Heikko kuparointi
- Tynnyrin halkeilu
- CAF:n riskit
- Rekisteröinnin haasteet
- Sadon väheneminen
Kehittyneiden teknologioiden osalta HDI PCB valmistus palvelusivulla selitetään muita valmistusominaisuuksia.
Materiaalivalinta vaikuttaa suoraan luotettavuuteen
14 kerroksessa materiaalin käyttäytyminen on paljon tärkeämpää kuin monet insinöörit aluksi odottavat.
Useat laminointisyklit, paksummat pinot ja korkeammat kokoonpanolämpötilat lisäävät kaikki piirilevyrakenteen rasitusta.
Teollisuus- ja televiestintäjärjestelmissä käytetään yleisesti korkean Tg:n materiaaleja, joilla parannetaan mittapysyvyyttä lämpösyklien aikana.
Suurnopeussuunnittelussa matalahäviöiset materiaalit auttavat vähentämään lisäyshäviötä ja signaalin heikkenemistä.
Yleisiä materiaalivaihtoehtoja ovat:
- FR4 Tg170
- Panasonic Megtron
- Isola low-loss -laminaatit
- Rogersin hybridimateriaalit
Materiaalivalinta vaikuttaa:
- Z-akselin laajennus
- CAF-resistenssi
- Delaminaatiokestävyys
- Impedanssin johdonmukaisuus
- Porauksen laatu
- Laminoinnin vakaus
Todellisissa tuotantoympäristöissä väärät prepreg-yhdistelmät aiheuttavat usein enemmän luotettavuusongelmia kuin itse reititys.
Lämmönhallintaa ei voi jättää huomiotta
Monet 14-kerroksiset piirilevyt tukevat prosessoreita, FPGA-piirejä, tekoälypiirejä tai virtapainotteisia laitteita.
Kerrosluvun kasvaessa lämmöntuotto vaikeutuu, koska paksummat piirilevyrakenteet vangitsevat lämpöenergiaa helpommin.
Lämmönhallintastrategioihin voi kuulua:
- Raskaat kuparialueet
- Termiset läpiviennit
- Kuparin tasapainotus
- Erityiset lämmönlevityskerrokset
- Metalliset suojarakenteet
Ilman asianmukaista lämpösuunnittelua paikalliset kuumat kohdat voivat aiheuttaa pitkäaikaisia luotettavuusongelmia, vaikka levy läpäisisi alustan alkutestauksen.
Laminoinnin vakaus on yksi vaikeimmista valmistuksen haasteista.
14-kerroksinen piirilevy vaatii huomattavasti tiukempaa prosessinohjausta kuin tavalliset monikerroksiset levyt.
Laminointiprosessin on oltava hallinnassa:
- Hartsin virtaus
- Kerroksen rekisteröinti
- Painetasapaino
- Lämmitysprofiili
- Jäähdytysstressi
- Materiaalin laajenemiskäyttäytyminen
Pienikin prosessin vaihtelu voi johtaa:
- Delaminaatio
- Tyhjät tilat
- Liiallinen vääntyminen
- Sisäkerroksen virheasento
- Hartsin nälkä
Tämä on erityisen kriittistä suurikokoisissa tietoliikenne- tai palvelinlevyissä, joissa mekaaninen rasitus kasvaa koko paneelissa.
Useat tutkimamme monikerroksiset vikaantumiset liittyivät lopulta pikemminkin laminoinnin epätasapainoon kuin sähkösuunnitteluvirheisiin.
Kuinka parantaa 14-kerroksisen PCB:n luotettavuutta
- Rakenna pino signaalien paluupolkujen ympärille
Monet signaalin eheysongelmat johtuvat pikemminkin keskeytyneistä paluuvirtapiireistä kuin itse jäljitysreitityksestä.
Suurnopeuskerrosten olisi pysyttävä jatkuvien maavertailujen vieressä aina kun se on mahdollista. - Vähennä tarpeettomia kerroksen siirtymiä
Jokainen via-siirtymä aiheuttaa epäjatkuvuutta.
Kriittisten signaalien pitäminen harvemmilla kerroksilla parantaa suorituskykyä usein enemmän kuin aggressiivinen impedanssin viritys. - Tarkista kuvasuhde ennen suunnittelun viimeistelyä
Paksujen levyjen pienet porakoot voivat ylittää luotettavan pinnoituskyvyn.
Tämä on erityisen tärkeää televiestintä- ja teollisuustuotteissa, joiden käyttöikä on pitkä. - Kuparin tasapainoinen jakautuminen kaikkiin kerroksiin
Kuparin epätasapaino on monikerroksisen piirilevyn vääntymisen pääasiallinen syy.
Kuparitiheyden tasapainottaminen jo ulkoasun alkuvaiheessa parantaa yleensä huomattavasti valmistusvakautta. - Suorita DFM tarkastelu ennen Gerberin julkaisua
14-kerroksisella tasolla DFM-tarkastelun pitäisi tapahtua asettelun aikana - ei sen jälkeen, kun valmistusongelmat ovat ilmenneet.
Kriittisiä tarkistuskohtia ovat muun muassa:
. Porauksen ja kuparin välinen etäisyys
. Rengasrenkaan toleranssi
. Hartsin virtausriski
. Impedanssin valmistettavuus
. Luotettavuuden kautta
. Kuparin tasapainotus
. Rekisteröintimahdollisuus
Meidän PCB-suunnittelupalvelu tiimi tukee asiakkaita usein tässä optimointivaiheessa.
Tyypilliset sovellukset 14-kerroksisille PCB:ille
14-kerroksisia PCB-levyjä käytetään yleisesti:
- Tekoälyn laskentalaitteisto
- FPGA-järjestelmät
- Tietoliikenneinfrastruktuuri
- Teollisuusautomaatioalustat
- Nopeat verkkolaitteet
- Ilmailu- ja avaruuselektroniikka
- Lääketieteelliset kuvantamisjärjestelmät
- Autoteollisuuden tutka- ja ADAS-laitteistot
Kun tiedonsiirtonopeudet kasvavat edelleen, yhä useammat sulautetut järjestelmät siirtyvät kohti korkeamman kerroksen piirilevyarkkitehtuuria sähköisen vakauden säilyttämiseksi.
FAQ
V: Useimmat 14-kerroksiset piirilevyt vaihtelevat noin 2,0 mm: stä 3,2 mm: iin, riippuen pinoamissuunnittelusta, kuparin painosta ja impedanssivaatimuksista.
V: Ei aina. Monissa tiheissä BGA-sovelluksissa tarvitaan kuitenkin sokeita tai upotettuja läpivientejä reititystehokkuuden säilyttämiseksi.
V: Epätasainen kuparijakauma, huono laminointitasapaino ja väärä materiaalivalinta ovat yleisimpiä syitä.
V: Suuremmat tiedonsiirtonopeudet aiheuttavat suurempia lisäyshäviöitä, minkä vuoksi vähähäviöiset materiaalit ovat tärkeitä signaalin laadun ylläpitämiseksi.
V: Käytännön tuotannossa laminointivakaus ja rekisteröintitarkkuus ovat yleensä vaikeimpia prosessinohjauksia.
Päätelmä
14-kerroksista piirilevyä käytetään tyypillisesti silloin, kun sähköinen suorituskyky, reititystiheys ja pitkän aikavälin luotettavuus ovat yhtä tärkeitä.
Tällä tasolla menestyksekäs piirilevyjen valmistus ei riipu ainoastaan ulkoasun laadusta vaan myös pinoamissuunnittelusta, materiaalivalinnoista, via-strategiasta ja realistisista valmistettavuusnäkökohdista.
Luotettavimmat monikerrosmallit ovat yleensä sellaisia, joissa on alusta alkaen otettu huomioon sekä sähköinen suorituskyky että valmistettavuus.