Согласование импеданса при проектировании HDI печатных плат

Согласование импеданса в HDI (англ. High-Density Interconnect) платах заключается в предотвращении ошибок передачи, особенно потерь, вызванных сопротивлением линии передачи, а также свойствами диэлектрика печатной платы.

Для создания удобных в производстве трассировок печатных плат в импеданс-согласованных системах можно использовать микропереходы. Методы разводки трасс, выходящих за пределы посадочного места BGA (BGA escape routing) и структура веерного разведения типа dogbone (Dogbone fanout structure) позволяют реализовать импедансное согласование в HDI печатных платах.

Когда трассы печатных плат требуют согласования импеданса?

Согласование импеданса определяется не частотой сигнала, а его крутизной и временем нарастания/спада (rise/fall time). Если время нарастания/спада сигнала (измеренное от 10 до 90%) меньше шестикратной задержки распространения сигнала в трассе, то сигнал считается высокоскоростным. В этом случае необходимо точно согласовывать импеданс.

Сложности согласования импеданса в HDI печатных платах

При реализации согласования импеданса в высокоплотных платах (HDI) проектировщики сталкиваются со следующими проблемами:

1. В высокоплотных схемах компоненты имеют уменьшенный шаг между контактными площадками (например, у BGA-корпусов). Если шаг BGA составляет ≤0,65 мм, разводка трасс и контроль их ширины становятся сложной задачей. В таких случаях применяют технологии via-in-pad и трассировки выводов BGA (BGA escape routing).

2. Использование глухих переходов (blind vias) в площадках позволяет избежать формирования антенн, характерных для сквозных переходных отверстий (via stubs), улучшая тем самым целостность сигнала.

3. Для обеспечения соответствия импеданса требованиям стандарта передачи сигналов в HDI-платах с контролируемым импедансом критически важны тщательная разводка трасс и правильная структура слоев в стеке (stack-up).

Проектирование ширины проводников для контроля импеданса в HDI

Импеданс проводника определяется его шириной и расстоянием до опорного слоя. В HDI печатных платах с BGA-компонентами с мелким шагом требуется тщательный подбор ширины дорожек и их расположения для обеспечения разводки между контактными площадками и переходами типа via-in-pad.

Контроль импеданса при разводке BGA в HDI платах. При работе с высокоплотным монтажом часто используются BGA-компоненты. Для трассировки проводников из-под компонентов с высокой плотностью и большим количеством выводов требуется специальная стратегия разводки. В случаях, когда необходим контролируемый импеданс (например, для ПЛИС (FPGA) и других высокоскоростных компонентов), разводка BGA представляет особую сложность. Выбор стратегии разводки в первую очередь определяется шагом выводов BGA, который задает максимально допустимую ширину проводников между контактными площадками. Минимальная ширина проводников также ограничена технологическими возможностями производителя, стеком и заданным значением импеданса. При планировании разводки следует учитывать следующие рекомендации:

Данная методика позволяет расположить переходное отверстие ближе к контактной площадке. При этом нет необходимости в заполнении и металлизации отверстия, поскольку компонент не припаивается непосредственно к площадке с переходным отверстием. Этот метод оптимален для монтажа BGA с шагом 1 и 0,8 мм.

Для BGA с шагом менее 0,5 мм предпочтительна технология microvia-in-pad. В этом случае вместо отвода тонкого проводника в сторону от площадки микропереходное отверстие размещается непосредственно в контактной площадке. Для предотвращения проникновения припоя на обратную сторону платы микропереход заполняется токопроводящим компаундом и покрывается медью.

Микропереходы для разводки выводов BGA

Если размер контактной площадки (включая гарантийный поясок) достаточно мал для микросхем BGA с мелким шагом, микропереходы для разводки необходимо выполнять с использованием внутренних слоев. Микропереходы отличаются от обычных переходов следующими характеристиками:

• Глубина перехода. Переходы должны пересекать не более одного-двух слоев. В платах стандартной толщины с большим количеством слоев возможны переходы через большее число слоев, но это потребует дополнительных производственных процессов. Рекомендуется использовать глухие (blind) и скрытые (buried) переходы, захватывающие один слой.
• Соотношение сторон микроперехода (aspect ratio). Оптимальное соотношение глубины к диаметру микроперехода — 0,75:1. Например, для 32-слойной платы толщина слоя (для двухслойного сердечника) составляет 2 мил (≈50,8 мкм), поэтому диаметр перехода не должен быть меньше 2,7 мил (≈68,6 мкм). Механическое сверление возможно до 8 мил (≈203 мкм), но при таком диаметре часто возникают поломки сверл, что увеличивает стоимость обработки до уровня лазерного сверления. Лазерное сверление обеспечивает более высокую производительность, поскольку не требует таких же мер предосторожности, как механическое. При переходе на лазерную технологию общая стоимость изготовления платы снижается.

Рекомендации по разводке типа dogbone для микросхем BGA с разным шагом

Для BGA с шагом 0,8 мм:

• ширина проводника: ≤10 мил (≈254 мкм);
• диаметр микроперехода: ≈6 мил (≈152 мкм) (при использовании dogbone fanout).

Для BGA с шагом 0,5 мм:

• применение заполненных и металлизированных микропереходов в площадках (filled and plated microvia-in-pad);
• ширина проводников: 7–8 мил (≈178–203 мкм) для обеспечения достаточного зазора между соседними площадками.

Микропереходы в вертикальном сечении могут располагаться встык (stacked) или в шахматном порядке (staggered) для достижения нужной плотности разводки. В целях обеспечения надежности следует соблюдать требования стандарта IPC 6012 по размерам микропереходов и гарантийных поясков. Микропереходы в площадках особенно критичны для BGA с шагом ≤0,3 мм, где альтернативные методы разводки неприменимы.

Как размещать глухие переходные отверстия для трассировки BGA

Глухие переходы представляют собой ценный метод проектирования HDI печатных плат, позволяющий освободить дополнительное пространство для разводки на внутренних слоях. По сравнению с использованием сквозных переходов, данный тип переходных отверстий увеличивает доступное пространство для трассировки на внутренних слоях, что позволяет прокладывать дополнительные проводники для соединения выводов внутренних рядов BGA. На рис. 2 показано, как на поверхности платы с BGA с шагом 1 мм между обычными переходами можно провести только две трассы.

Однако использование глухих переходов дает возможность развести шесть трасс под ними, что увеличивает пространство для разводки на 30%. Применение данного метода при разводке трасс от BGA с большим количеством выводов сокращает число необходимых сигнальных слоев в 4 раза. При этом глухие переходы размещаются в виде крестообразных, L-образных или диагональных структур, формируя так называемые бульвары (рис. 3).

Выбор конкретной конфигурации зависит от распределения выводов питания и «земли».

В своей книге “The HDI Handbook” Хэппи Холден приводит пример BGA с 1153 выводами (34x34, шаг 1 мм), показанный на рис. 4.
 

Холден отмечает: «На каждом сигнальном слое имеется 132 возможных направления разводки (одна трасса между переходами плюс 20 трасс в перекрестных каналах, по пять трасс в каждом). Это означает, что для подключения данной микросхемы BGA к остальной схеме потребуется восемь сигнальных слоев (плюс пять экранирующих слоев). Сквозные переходы создают ограждение, что делает разводку крайне ресурсоемкой по количеству слоев».

Хэппи Холден поясняет: «Использование «бульваров» позволяет увеличить количество трасс на слое и сократить общее число сигнальных слоев за счет создания дополнительного пространства для разводки. Глухие переходы формируют четыре крестообразных «бульвара» (как показано на рисунке). Такая конструкция обеспечивает +48 направлений разводки на слой (8×6 трасс) и улучшает целостность сигналов внутренних цепей. Это позволяет исключить два слоя трассировки и два опорных слоя».

Далее он уточняет: «На обратной стороне печатной платы проявляется еще одно преимущество «бульваров» с глухими переходами. Хотя сквозные переходы проходят через всю плату, «бульвары» теперь организованы внутри области BGA.» На рис. 5 слева: 58 дискретных компонентов соединены через 104 перехода под BGA. Справа: «бульвары» позволяют соединить 183 компонента, используя 366 общих переходов.

Длина участка разводки и ширина проводников

Согласование импеданса практически всегда критично при работе с высокоскоростными ИС. При анализе длины участка разводки (fanout) необходимо учитывать взаимосвязь между топологией разводки и контролем импеданса. Из-за длины проводников (если таковые имеются) и паразитной емкости/индуктивности переходных отверстий участок разводки микросхемы BGA будет обладать собственным импедансом.

Следует определить полосу пропускания сигнала, чтобы оценить влияние импеданса дорожек. Участок трассы в зоне разводки BGA можно не учитывать, если его длина существенно меньше длины волны, соответствующей верхней границе полосы пропускания. Оптимальный подход — это расчет нагрузочного импеданса, который является функцией длины проводников разводки и входного импеданса сети, формируемой этими проводниками (после сужения neck-down).

В качестве практического правила рекомендуется ограничивать длину участка 10% от длины волны сигнала. Для цифрового сигнала с частотой среза 20 ГГц это соответствует критической длине 0,73 мм (в полосковой линии на подложке FR4). То есть крупные ИС, такие как ПЛИС (FPGA), потребуют согласования импеданса для всех цепей — как одиночных, так и дифференциальных пар.

Ключевыми факторами являются:

• индуктивность переходных отверстий;
• паразитная емкость между платой и контактной площадкой;
• индуктивность выводов ИС.

В совокупности эти элементы образуют Т-образный ФНЧ, где частота среза –3 дБ представляет собой типичное расчетное значение для LC-контура (при условии равенства индуктивностей переходного отверстия и вывода ИС). Т-образный фильтр одновременно выполняет функцию согласования импеданса, модифицируя выходное сопротивление драйверной ИС (рис. 6).