Produzione di PCB a 12 strati per sistemi elettronici ad alta velocità

Nella maggior parte dei progetti, gli ingegneri non passano a un PCB a 12 strati semplicemente perché vogliono più strati di routing. Il vero motivo è che di solito l'integrità del segnale, la stabilità di potenza, la complessità del breakout BGA o il controllo delle EMI hanno già raggiunto il limite di un PCB a 8 o Impilamento a 10 strati.

Ciò è particolarmente comune nelle piattaforme FPGA, nei sistemi informatici industriali, nei moduli AI, nell'hardware per le telecomunicazioni e nei dispositivi embedded ad alta velocità. Quando il routing DDR, le coppie differenziali, i piani di alimentazione, la schermatura e i vincoli termici iniziano a competere per lo spazio, le schede di livello inferiore diventano sempre più difficili da gestire.

Lo vediamo spesso durante le revisioni DFM. Lo schema può essere corretto, ma la struttura stessa dello stackup crea rischi di produzione o elettrici in fase di produzione.

Un PCB a 12 strati ben progettato non consiste solo nell'aggiungere strati. Si tratta di creare una struttura elettrica stabile in grado di supportare segnali ad alta velocità, mantenere percorsi di ritorno puliti, ridurre l'EMI e rimanere meccanicamente affidabile dopo diversi cicli termici.

Per le aziende che sviluppano pannelli multistrato avanzati, i nostri principali Produzione di PCB multistrato La pagina comprende anche ulteriori capacità di impilamento e fabbricazione.

Perché gli ingegneri passano a un PCB a 12 strati

Negli ambienti di produzione reali, il passaggio da 10 a 12 strati avviene di solito per tre motivi:

• Il routing BGA ad alto numero di pin si congestiona
• Gli strati di riferimento di potenza e di terra non sono più sufficienti
• Durante i test compaiono problemi di integrità del segnale

Molti processori e FPGA moderni richiedono piani di riferimento dedicati per un controllo stabile dell'impedenza. Se si costringe tutto il routing in un numero inferiore di strati, spesso si ottengono percorsi di ritorno divisi, un numero eccessivo di vias, diafonia e un comportamento instabile dell'impedenza.

Dopo un'analisi approfondita di diversi progetti di rete e di controllori industriali, è risultato evidente che la preoccupazione principale non era la densità di routing in sé, ma piuttosto la continuità inferiore agli standard del piano di riferimento sotto coppie differenziali ad alta velocità.

Quando le velocità di trasmissione dei dati aumentano, lo stackup diventa parte integrante del progetto elettrico, non solo della struttura produttiva.

Strategia di impilamento di un tipico PCB a 12 strati

Non esiste una struttura universale a 12 strati. La struttura corretta dipende in larga misura da:

• Velocità del segnale
• Densità BGA
• Spessore del pannello
• Obiettivi di impedenza
• Requisiti di distribuzione dell'alimentazione
• Obiettivi di prestazione EMI

In pratica, però, gli impilaggi simmetrici sono ancora i preferiti perché riducono la deformazione durante la laminazione e il riflusso.

Un approccio comune è il seguente:

LayerFunzioneL1SegnaleL2TerraL3Segnale alta velocitàL4SegnaleL5AlimentazioneL6TerraL7TerraL8PotenzaL9SegnaleL10Segnale alta velocitàL11TerraL12Segnale

Questa struttura consente agli strati ad alta velocità di rimanere in prossimità di piani di riferimento solidi, mantenendo così una distribuzione di potenza relativamente stabile.

Nelle schede a 12 strati più spesse, gli ingegneri devono prestare attenzione anche al bilanciamento della resina e alla distribuzione del rame. Una densità di rame non uniforme tra gli strati è una delle cause più comuni di torsione e deformazione della scheda dopo l'assemblaggio.

Il controllo dell'impedenza è di solito la vera sfida

Molti clienti pensano che il controllo dell'impedenza riguardi principalmente il calcolo della larghezza della traccia. In pratica, la coerenza dello stackup è spesso la parte più difficile.

Ad esempio, modificando le combinazioni di preimpregnati da 1080 a 2116 si potrebbe influenzare l'impedenza in modo tale da rendere necessarie modifiche alla larghezza della linea.

Nei progetti a 12 strati ad alta velocità, diversi fattori interagiscono simultaneamente:

• Rugosità del rame
• Effetto trama di vetro
• Tolleranza dello spessore del dielettrico
• Compensazione dell'incisione
• Flusso di resina durante la laminazione
• Continuità del piano di riferimento

In generale, consigliamo di mantenere le coppie differenziali ad alta velocità tra riferimenti di massa solidi, invece di instradare i cavi adiacenti a piani di potenza divisi. Ciò è particolarmente importante nelle schede multistrato spesse, dove il controllo della discontinuità del percorso di ritorno può diventare più impegnativo.

Per le applicazioni PCIe, DDR o SerDes, può essere necessario un backdrilling per ridurre gli effetti dei via stub.

Questo aspetto diventa più importante quando la velocità dei segnali supera le tradizionali frequenze di controllo industriale.

La progettazione di Via inizia a influenzare la resa molto prima del previsto

Un aspetto che molti ingegneri sottovalutano nelle schede a 12 strati è la complessità della struttura.

Per molti prodotti industriali, la struttura standard a fori passanti rimane l'opzione più affidabile ed economica. Tuttavia, una volta introdotti i BGA di grandi dimensioni, diventano rapidamente necessari i blind vias e i buried vias.

Questo crea ulteriori considerazioni sulla produzione:

• Laminazione sequenziale
• Precisione di foratura laser
• Tolleranza di registrazione
• Affidabilità del riempimento in rame
• Resistenza CAF
• Limitazioni del rapporto d'aspetto

Ad esempio, una tavola spessa da 12 strati con piccole dimensioni di foratura meccanica può facilmente superare i rapporti di aspetto raccomandati. Se si esagera con la foratura, le pareti dei fori e la placcatura non possono resistere alla prova del tempo.

In alcuni progetti di telecomunicazioni e di server, abbiamo riscontrato problemi di affidabilità causati non dal layout in sé, ma da dimensioni dei collegamenti troppo ottimizzate e che hanno spinto troppo in là i limiti della produzione.

Se sono necessarie strutture HDI, il nostro Produzione di PCB HDI La pagina della capacità spiega altre opzioni di processo.

La selezione del materiale è più importante sui pannelli a 12 strati

Per i pannelli a strato inferiore, di solito è sufficiente l'FR4 standard.

Il comportamento del materiale diventa molto più evidente sui PCB a 12 strati, perché la scheda subisce più cicli di laminazione e un maggiore stress termico durante l'assemblaggio.

I materiali ad alta Tg sono spesso preferiti per le applicazioni industriali e automobilistiche perché migliorano la stabilità dimensionale durante i cicli termici.

Quando la perdita di inserzione inizia a influenzare le prestazioni del segnale, i materiali a bassa perdita diventano importanti per i sistemi ad alta velocità.

Le combinazioni di materiali più comuni possono includere:

• FR4 Tg170
• Panasonic serie Megtron
• Laminati a bassa perdita Isola
• Stackup ibridi Rogers

Anche la scelta del materiale influisce direttamente:

• Stabilità dell'impedenza
• Espansione dell'asse Z
• Resistenza CAF
• Rischio di delaminazione
• Qualità della perforazione

Nella produzione reale, la scelta di una combinazione di preimpregnati non corretta può causare più problemi della scelta di un peso di rame non corretto.

La stabilità della laminazione è uno dei maggiori rischi di produzione

Un PCB a 12 strati non viene prodotto nello stesso modo di una semplice scheda multistrato.

Più sono gli strati coinvolti, più il processo diventa sensibile:

• Flusso di resina
• Parametri del ciclo di stampa
• Allineamento dei livelli
• Espansione del materiale
• Trattamento con ossido dello strato interno
• Bilanciamento del rame

Per questo motivo i produttori di PCB multistrato più esperti dedicano molto tempo alla verifica della simmetria di impilamento prima dell'inizio della produzione.

Uno scarso controllo della laminazione può portare a:

• Delaminazione
• Formazione del vuoto
• Deformazione eccessiva
• Fessurazione del barile
• Affamamento di resina

Anche piccoli difetti di laminazione in settori ad alta affidabilità come le telecomunicazioni e l'elettronica aerospaziale possono portare a guasti sul campo in caso di cicli termici a lungo termine.

La revisione DFM diventa critica per i progetti di PCB a 12 strati

Uno dei problemi più comuni che incontriamo è quello dei progetti elettricamente funzionali, ma difficili da produrre in modo coerente.

Alcuni esempi sono:

• Distribuzione del rame estremamente disomogenea
• Densità eccessiva di via sotto le aree BGA
• Anelli anulari troppo sottili
• Spazio ridotto tra trapano e rame
• Tracce di impedenza che attraversano piani divisi
• Vias impilati senza una sufficiente capacità di processo di riempimento

Per i progetti multistrato complessi, la revisione DFM dovrebbe essere effettuata prima del rilascio del Gerber finale, piuttosto che dopo l'insorgere di problemi di fabbricazione. Anche piccole modifiche alla strategia di impilamento o di instradamento possono migliorare notevolmente la resa produttiva e l'affidabilità a lungo termine.

Il nostro Servizio di progettazione di PCB Il team lavora spesso con i clienti in questa fase per ottimizzare la producibilità prima dell'inizio della produzione.

Dove vengono comunemente utilizzati i PCB a 12 strati

Oggi i PCB a 12 strati sono ampiamente utilizzati nei sistemi in cui la stabilità elettrica e la densità di routing sono entrambe fondamentali.

Le applicazioni tipiche includono:

• Piattaforme di sviluppo FPGA
• Controllori di automazione industriale
• Hardware di calcolo per l'intelligenza artificiale
• Infrastruttura di telecomunicazione
• Sistemi di imaging medicale
• Elettronica radar per autoveicoli
• Piattaforme informatiche integrate
• Apparecchiature di rete ad alta velocità

Rispetto alle schede a strato inferiore, una struttura a 12 strati progettata correttamente offre una migliore soppressione delle EMI, piani di riferimento più puliti e un comportamento del segnale più prevedibile.

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