Наша методика расчета стека печатных плат

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:

• Материалы для производства печатных плат
• Учет изменения толщины препрега в процессе изготовления PCB
• Учет Etch Factor
• Особенности расчета толщины металлизации
• Учет паяльной маски

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.

Материалы для производства печатных плат

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:

• Итоговое изделие отличается от того, что описано в вашей КД (иногда чуть более, чем полностью).
• Повторяемости результата при переходе к другому производителю — нет. Например у нас есть борд, который запускался на двух разных фабах с совершенно разными стеками (при этом исходные данные в обоих случая были одни и те же).
• Если толщины проводников на печатной плате находятся в зоне 4 mil — то любое изменение их ширины в сторону уменьшения весьма серьезно влияет на потери. Если между проводником 6 mil и 5 mil разница незначительна, то между 5 mil и 4 mil — весьма существенна, а 4 mil и 3 mil — это с точки зрения потерь разные вселенные. (Вообще на наш взгляд идеальные топологии дифференциальной пары — 6-6-6 или 7-7-7).

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.

Учет изменения толщины препрега в процессе изготовления PCB

В таблице ниже приведены абсолютные значения изменения толщины одного слоя препрега для разных условий применения. Допуск на все значения составляет 10%.

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.

Пример

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:

Учет Etch Factor

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.

Для случаев, когда информация о значении EF от конкретного производства отсутствует – можно считать, что EF принимает следующие значения:

• внешние слои — 2.6
• внутренние слои — 3.7

Особенности расчета толщины металлизации

Металлизация внешних слоев

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:

Металлизация внутренних слоев

Для внутренних слоев значение толщины меди весом 1 oz, как правило, принимается равным 1.3 mil.

Учет паяльной маски

При учёте паяльной маски опираемся на следующую схему:

В случаях, когда явно не указано иное, можно считать, что паяльная маска имеет следующие параметры:

• Dk — 3.7
• Df — 0.025
• Толщина — 0.8 mil

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.

Итоги

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]