- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Пока мы заканчиваем последние приготовления к серийному выпуску сервера VESNIN, хочу провести образовательный эксперимент — опишу наши внутренние методики и рекомендации для расчёта стека печатных плат. С одной стороны, приятно, если наш опыт будет кому-то полезен. С другой, мы сами рады получить дельные комментарии, чтобы улучшить нашу практику. Если интересно прочитать и обсудить — добро пожаловать под кат.
[1]
Сразу к делу — вот о чём написано в этой статье:
Все описанное ниже — это не Know How, а по сути, собранные воедино и систематизированные данные из разных источников. На абсолютное знание мы также не претендуем.
Итак, поехали.
Преамбула (как обычно это происходит).
Обычно инженер примерно оценивает стек платы, передает его производителю PCB. В ответ ему приходит много китайских бланков с предложениями — на которые он обычно соглашается. Сводятся они к изменению толщин ядер/препрегов, а также проводников и зазоров в CAM редакторе.
Обычно оно и нормально. Но тут есть три минуса:
Поэтому мы предпочитаем сформировать стек так, чтобы его зависимость от особенностей конкретного производителя PCB сводилась к минимуму. Если вы работаете с одним и тем же вендором, то вполне реально сформировать стек так, чтобы его модификация производителем не требовалась совсем. Это экономия 1—2 недель при подготовке к производству.
Кстати оффтоп.
Наверняка кто-то нибудь захочет спросить — что лучше, сильносвязанные или слабосвязанные дифференциальные пары. Наше мнение: лучше слабосвязанные — их проще выровнять по длине. Можно позволить себе более серьезные бампы. Никаких особенных преимуществ сильносвязанных пар перед слабосвязанными (если не рассматривать странные топологии типа 5-14-5) c точки зрения SI на наш взгляд — нет. Для любителей формальных правил: одна-две ширины между проводниками в паре — нормально. Больше — уже не очень. Меньше — трудно выравнивать. Несмотря на то, что ЭМС показатели сильносвязанных пар сильно лучше, в абсолютном выражении это «сильно» — несущественно.
Для того, чтобы более-менее точно сформировать стек печатной платы — нужно знать параметры конкретных ядер и препрегов применяемого материала. В даташитах приводятся усредненные параметры для всей группы и для точного расчета эти данные не годятся. Данную информацию можно запросить как у производителя материала, так и у производителя PCB. Это таблица, которая выглядит это примерно так (у каждого производителя материала она своя):
Толщины разных типов препрегов — как правило одни и те же у разных производителей. Поэтому информация на приведенной картинке — актуальна и юзабельна безотносительно к производителю материала (Dk/Df, понятно, у всех разные).
При проектировании стека печатной платы необходимо учитывать, что производители PCB, как правило, делают поправку на ламинацию, снижая значения диэлектрической постоянной (Dk) как препрегов, так и «ядер» примерно на 0.2 по отношению к значениям, приведенным в документации производителя материалов.
Если значения Dk/Df приведены для разных частот, то рекомендуется использовать значения данных параметров для частоты, наиболее близкой к частоте Найквиста наиболее быстрого интерфейса на PCB. Например, если в PCB присутствует PCI Express Gen3, то следует использовать значения Dk/Df для частоты, наиболее близкой к 4 ГГц.
Кто-то возразит: как же, ведь полоса того же Gen3 простирается аж до 18 ГГц. Это правда — но спецификация PCIe регламентирует RL и IL до Найквиста, да и не пройдут все эти адовые гигагерцы через коннекторы, переходные отверстия и печатную плату — затухнут по дороге. А если пройдут — это большой вопрос, понравится ли Вам результат.
В ситуации, когда на PCB присутствует несколько разных высокоскоростных интерфейсов — не стоит в рамках стека одной платы использовать значения Dk/Df для разных частот. Несмотря на то, что такой подход является более верным с точки зрения расчета импеданса — он вызовет большие трудности при согласовании стека с производителем PCB (их тестовое оборудование настраивается на одну конкретную частоту).
В случае, если значения Dk/Df значительно варьируются с частотой, а контроль импеданса критичен — имеет смысл, получив значения импеданса для реальной частоты интерфейса, пересчитать его, взяв Dk для некоторой единой частоты (самого критичного интерфейса). «Отнормированное» таким образом значение импеданса — указать в качестве целевого для контроля производителем PCB.
Например вы делаете расчет 100 Омной трассы для частоты 4 ГГц, используете значение Dk для 4 ГГц, и в соответствии с полученными данными осуществляете трассировку. Далее, если у вас например есть интерфейсы, требующие расчета для 10 ГГц — подставьте значение Dk для более высокой частоты в исходный расчет. Допустим, при этом вы получите значение импеданса 105 Ом. Наш совет: вот 105 Ом и укажите производителю PCB для контроля. Не стоить морочить ему голову разными Dk для разных частот на одном и том же слое.
Также не повредит на берегу поинтересоваться с каким стеклом работает фаб, чтобы не было потом проблем со сроками поставки. Потому что есть популярные препреги и не очень. Обычно на складе у него всегда в достатке 3-4 типа, из которых и стоит выстраивать стек PCB. Материалов с низкими потерями обычно на складе не бывает, в силу ограниченного срока хранения — поэтому применение чего-то особенного это всегда вопрос не столько цены, сколько сроков изготовления.
В таблице ниже приведены абсолютные значения изменения толщины одного слоя препрега для разных условий применения. Допуск на все значения составляет 10%.
Условия | Изменение толщины препрега при начальном значении | |
---|---|---|
Не более 2.3 mil | Более 2.3 mil | |
Прилегание к меди 0.5 oz с 30% заполнением | 0.4 mil | 0.4 mil |
Прилегание к меди 0.5 oz с 70% заполнением | 0.1 mil | 0.2 mil |
Прилегание к меди 1 oz с 30% заполнением | 0.8 mil | 0.9 mil |
Прилегание к меди 1 oz с 70% заполнением | 0.3 mil | 0.4 mil |
Прилегание к меди 2 oz с 30% заполнением | 1.8 mil | 1.9 mil |
Прилегание к меди 2 oz с 70% заполнением | 0.8 mil | 0.8 mil |
Расположен между двумя слоями препрега | 9% | 10% |
Прилегание к внешнему слою | не изменяется | не изменяется |
Для более точного расчета изменения толщины препрега можно использовать следующее выражение:
В случае, когда между слоями металлизации расположен один слой препрега — значения изменений толщины для соответствующих условий должны суммироваться, так как изменение толщины препрега на самом деле представляет собой вдавливание в него проводящего рисунка.
При формировании послойного описания PCB следует указывать финишное значение препрега. При этом порция препрега, вдавленная в рисунок металлизации, не должна включаться в значение финишной толщины в документации, передаваемой производителю PCB.
Необходимо рассчитать финишную толщину стека, приведенного на рисунке. На всех слоях металлизации используется медь 1 oz. Исходная толщина препрега 2116 равна 5.1 mil.
Результирующий стек будет иметь вид:
Тип слоя | Начальная толщина | Изменение толщины | Финишная толщина |
---|---|---|---|
Внешний | 1.35 mil | — | 1.35 mil |
Слой 2116 | 5.1 mil | — | 5.1 mil |
Слой 2116 | 5.1 mill | 0.9 mil | 4.2 mil |
Внутренний сигнальный | 1.35 mil | — | 1.35 mil |
Core | 39 mil | — | 39 mil |
Внутренний Plane | 1.35 mil | — | 1.35 mil |
Слой 2116 | 5.1 mil | 0.4 mil | 4.7 mil |
Слой 2116 | 5.1 mil | — | 5.1 mil |
Внешний | 1.35 mil | — | 1.35 mil |
Итого: | 63.5 mil ± 10% |
Выражение для расчета Etch Factor для процесса электрического осаждения меди представлено на рисунке:
В таблице приведены значения Etch Factor для разных типов металлизации для различных производителей. Как видите, они сильно разнятся. Поэтому значение EF — это первое, что вы должны уточнить у вашего PCB-партнера.
Тип слоя | Фабрика 1 | Фабрика 2 | Фабрика 3 | Фабрика 4 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
EF | W2-W1 | EF | W2-W1 | EF | W2-W1 | EF | W2-W1 | |
Внешний 0.5 oz | 3.4 — 4 | 1 mil | 3.4 — 4 | 1 mi | 3.4 — 2 | 1.5 mil | 2.6 | — |
Внешний 1 oz | — | — | — | — | 1.66 | 2.4 mil | 2.6 | — |
Внутренний 0.5 oz | 1.75 | 0.8 mil | 4.33 | 0.3 mil | 1.73 | 1.75 mil | 3 | — |
Внутренний 1 oz | 2.4 | 1 mil | 4.33 | 0.6 mil | 2.6 | 1 mil | 3 | — |
Внутренний 2 oz | — | 1.5 — 2 mil | 4.33 | 1.2 mil | 2.6 | 2 mil | 3 | — |
Внутренний 3 oz | — | — | — | — | 2.6 | 3 mil | 3 | — |
Внутренний 4 oz | — | — | — | — | 2.3 | 4.5 mil | 3 | — |
Для случаев, когда информация о значении EF от конкретного производства отсутствует – можно считать, что EF принимает следующие значения:
При расчете металлизации внешних слоев значение толщины меди весом 1 oz как правило принимается равным 1.37 mil. Рекомендуется отдельно задавать вес базовой меди и вес осаждаемой меди. Итоговое значение получается в результате суммирования этих двух параметров. Типовые значения приведены в таблице:
Base copper | Plating copper | ||
---|---|---|---|
0.7oz | 1oz | 2oz | |
0.5oz | 1.644 mil | 2.055 mil | 3.425 mil |
1oz | 2.329 mil | 2.74 mil | 4.11 mil |
2oz | 3.699 mil | 4.11 mil | 5.48 mil |
3oz | 5.069 mil | 5.48 mil | 6.85 mil |
Для внутренних слоев значение толщины меди весом 1 oz, как правило, принимается равным 1.3 mil.
При учёте паяльной маски опираемся на следующую схему:
В случаях, когда явно не указано иное, можно считать, что паяльная маска имеет следующие параметры:
Большинство производителей при учете влияния паяльной маски считает значения C1, C2 и C3 равными друг другу.
Некоторые фабрики считают значения C1 и C3 равными толщине металлизации (T1), а C2 – 0.8 mil. Правильность данного подхода приблизительно подтверждается реальными данными, полученными после производства PCB.
Один из наших PCB-партнеров считает толщину паяльной маски на сплошных участках меди 0.79 — 1.18 mil, на краях проводников 0.2 mil. Также данный производитель при расчете стека рекомендует не включать паяльную маску в расчет, так как при травлении внешних слоев происходит малейший перетрав (то есть увеличение значения импеданса), который маской компенсируется в номинал теоретического измерения импеданса внешних слоев без маски.
Это, кстати, хороший пример того, что при работе с данным производством — толщина трасс на вашей PCB будет меньше, чем заложено в рисунке печатной платы.
Вот такие у нас внутренние рекомендации и правила, с которыми в обязательном порядке знакомим всех инженеров, проектирующих печатные платы. Надеюсь что данная статья будет полезна тем, кто рыщет по просторам интернета в поисках разрозненных рекомендаций и пытается угадать, как там получится в его конкретном изделии. Приглашаю делиться опытом в комментариях — будем рады дополнить свой. Если будет интерес, выложу ещё несколько подобных внутренних инструкций.
Автор: asmolenskiy
Источник [2]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/proektirovanie/264149
Ссылки в тексте:
[1] Image: https://habrahabr.ru/company/yadro/blog/338382/
[2] Источник: https://habrahabr.ru/post/338382/
Нажмите здесь для печати.