Leiterplattentechnisch - Impedanz Matching im HDI PCB Design

Impedanz Matching ist eine Möglichkeit, die Eingangsimpedanz einer Last oder die Ausgangsimpedanz ihrer Signalquelle zu konfigurieren. Führen Sie es aus, um maximale Leistungsübertragung zu erreichen und die Signalreflexion von der Last zu reduzieren. Impedanzanpassung in HDI dient vollständig zur Vermeidung von Übertragungsfehlern, insbesondere Verluste durch Widerstand und PCB dielektrisch.

Microvias können verwendet werden, um einfach zu produzierende Leiterplatten-Leiterbahnen für Impedanz-Matching-Systeme zu erstellen. BGA-Fluchtverdrahtungstechnologie und Dogbone-Fan-Out-Struktur können verwendet werden, um Impedanzanpassung in HDI zu erreichen.

Wann benötigen Leiterplatten-Leiterbahnen eine Impedanzanpassung?

Die Impedanzanpassung wird durch die Steilheit und Steig-/Fallzeit des Signals bestimmt, nicht durch die Frequenz. Wenn die Steig-/Fallzeit des Signals (basierend auf 10% bis 90%) kürzer ist als das 6-fache der Spurenverzögerung, wird es als Hochgeschwindigkeitssignal bezeichnet. Hier sollte eine genaue Impedanzanpassung durchgeführt werden.

Die Escape-Routing-Strategie, die beim Entwurf einer Leiterplatte verwendet wird, hängt weitgehend von der BGA-Neigung ab, die die Breite der Leiterbahn definiert, die zwischen den Lötkugeln platziert werden darf. Die Feinheit der Spur hängt auch von Herstellerbeschränkungen, Schichtstapelung und erforderlicher Impedanz ab. Beachten Sie bei der Auswahl eines Fluchtroutenplans folgende Richtlinien.

Die Escape-Routing-Technik für Feinabstand-BGAs mit mittlerer Schichtzahl beginnt mit der Necking-Methode, da Spuren in und aus dem BGA geführt werden.

Externe Leiterbahnen können direkt auf die erste Padreihe geleitet werden. Leiterplatte.

Die Spurbreite der zweiten Padenreihe auf dem Ballgitter-Array wird deutlich reduziert, so dass sie zwischen der ersten Padenreihe montiert werden kann.

Um das innere Pad der restlichen Reihen zu erreichen, gehe durch die innere Schicht. Normalerweise wird jede Signalschicht auf zwei Zeilen geleitet, wobei Impedanz und HDI-Übersprechen begrenzt werden.

Dogbone Fanout ist die beliebteste BGA Escape Verdrahtung und Fanout Methode

Mikrovia für BGA Fluchtverdrahtung

Wenn die Pad-Größe (einschließlich des Rings) klein genug für die feine BGA ist, verwenden Sie Microvias für die innere BGA-Fluchtführung. Die folgenden Merkmale unterscheiden Mikroporen von traditionellen Löchern:

Durchgangslänge: Vias können höchstens eine oder zwei Schichten durchlaufen. Wenn die Standardstärke-Leiterplatte eine sehr hohe Anzahl von Schichten hat, können die Durchgangslöcher mehr Schichten umfassen, aber dies erfordert zusätzliche Herstellungsverfahren. Verwenden Sie gestapelte blinde und vergrabene Vias, die eine einzige Schicht so weit wie möglich umfassen.

Mikroloch-Seitenverhältnis: Das Mikroloch-Seitenverhältnis (Tiefe geteilt durch Durchmesser) sollte 0.75:1 sein. Lassen Sie uns das gleiche am Beispiel einer 32-Schicht dicken Platte verstehen. Da die Schichtdicke (für einen 2-lagigen Kern) 2-mils beträgt, sollte der Durchmesser nicht kleiner als 2,7 mils sein.

Micro Vias können nur auf 8 Millionen sicher mechanisch gebohrt werden, aber aufgrund häufiger Bohrunterbrechungen, die Kosten der mechanischen PCB Bohren von 8 Mils kann sich dem Preis des Laserbohrens nähern. Der Durchsatz mechanischer Durchgangslöcher ist niedriger als der von lasergebohrten Durchgangslöchern, da das mechanische Bohren sorgfältig durchgeführt werden muss, um Bruch des Bohrers zu vermeiden. Daher, sobald Sie mit dem Laserbohren beginnen, Sie sehen die Gesamtkosten für jeden Board Drop.

Um Dogbone Fan-Out auf einem 0,8 mm Pitch BGA verwenden zu können, muss die Spurbreite 10 mils oder weniger betragen, und die Mikrolöcher müssen kleiner sein (etwa 6 mils). Für feinere Ballgitter-Arrays (0,5 mm) verwenden Sie gefüllte und plattierte Mikrolöcher in den Pads, die über 7-Mil- oder 8-Mil-Leiterbahnen zur inneren Schicht geführt werden. Dies sorgt für ausreichenden Abstand zwischen benachbarten Pads.

Unabhängig vom Design können die Microvias gestapelt oder versetzt werden, um die erforderliche Verdrahtungsdichte zu erreichen. Bestehen Sie IPC 6012 Anforderungen, um die beste Zuverlässigkeit der Größe der Mikrolöcher und des umgebenden Ringrings sicherzustellen. Die Relevanz von Microvias in Pads in BGA Escape Routing lässt sich dadurch verstehen, dass die BGA Pitch in einigen Fällen bis zu 0,3 mm betragen kann.

Wie man blinde Löcher für die Fluchtverdrahtung platziert

Blind Hole Methode für inneren Verdrahtungsraum.

Blind Vias sind eine wertvolle HDI-Designmethode, die zusätzlichen Platz für interne Verkabelungen freimachen kann. Bei Verwendung zwischen Durchkontaktierungen verdoppeln diese Durchkontaktierungen den Verdrahtungsraum der inneren Schicht. Es ermöglicht zusätzliche Leiterbahnen, mit Pins auf der internen BGA-Reihe verbunden zu werden. Siehe Bild oben; Hier können nur zwei Spuren zwischen den Durchgangslöchern auf der 1,0 mm BGA Oberfläche entweichen. Unter dem Sackloch befinden sich nun jedoch sechs Spuren, was den Fräsraum um 30%.

Bei diesem Verfahren wird ein Viertel der Signalschicht benötigt, um den hohen I/O BGA anzuschließen. Blinde Löcher werden in einem Kreuz, L-förmigen oder diagonalen Muster platziert, um einen Boulevard zu bilden. Die Leistungs- und Massepin-Zuweisungen bestimmen, welche Konfiguration verwendet wird.

Das Platzieren blinder Löcher in einer Kreuz-, L-Form oder diagonalen Form erzeugt einen Boulevard auf der inneren Schicht, um eine höhere Dichte Verkabelung und Flucht zu ermöglichen.

Länge und Leiterbahnbreite des Auslüfters

Bei der Verwendung von Hochgeschwindigkeits-ICs ist die Impedanz fast immer ein Faktor. Bei der Prüfung der Länge des Lüfterausgangs kommt das Verhältnis zwischen Lüfterausgangsverdrahtung und Impedanzsteuerung ins Spiel. Aufgrund der Leiterbahnlänge des Durchgangs (falls vorhanden) und der parasitären Kapazität/Induktivität hat der Fan-Out-Teil des BGA seine Impedanz.

Überprüfen Sie zuerst die Signalbandbreite, um festzustellen, ob das Signal auf der Leiterbahnimpedanz aufgenommen wird. Wenn die Leiterbahnlänge signifikant kleiner ist als die Wellenlänge, die dem hohen Ende der Bandbreite entspricht, kann der Leiterbahnteil des BGA-Lüfters ignoriert werden. Der beste Weg ist, die Lastimpedanz zu berechnen, die eine Funktion der Länge der Fan-Out-Spur ist, und die Netzwerk-Eingangsimpedanz (nach dem Necking), die durch die Fan-Out-Spur erzeugt wird.

Verwenden Sie die 10% Grenze für die erforderliche Länge der Signalwellenlänge als gute Näherung. Eine vorsichtige 10%-Grenze für digitale Signale mit einer Kniefrequenz von 20GHz führt zu einer kritischen Länge von 0,73mm (Stripline im FR4-Substrat). Dies bedeutet, dass größere ICs, wie FPGAs, impedanzanpassten Lüfter-Out für einseitige und differentielle Paare bieten müssen.

Über Induktivität sind parasitäre Kapazität zwischen Leiterplatte und Pad und Pin-Induktivität im IC kritisch. Der Tiefpass-T-Filterkreis besteht aus diesen Teilen. Die 3dB-Cutoff-Frequenz ist nur eine typische Zahl, die aus dem LC-Resonanzkreis ausgewertet werden kann, vorausgesetzt, die Durchgangslochinduktivität ist gleich der Bleiinduktivität eingestellt. Die T-Filterschaltung wird als Impedanzanpassschaltung verwendet, um die Ausgangsimpedanz des Treiber-IC zu ändern.

Eine Tiefpass-T-Filterschaltung mit Durchgangslochinduktivität, parasitärer Kapazität zwischen Leiterplatte und Pad und Pin-Induktivität als Hauptkomponenten.

Wenn die Impedanz des Durchgangsteils, das die Fan-Out-Leiterbahn mit der internen Leiterbahn verbindet, unsicher ist, ist es schwierig, die Impedanz des Fan-Out-Teils anzupassen. Solange der Durchgangsteil jedoch sehr kurz ist und direkt mehrere Schichten überspannt, kann diese Tatsache ignoriert werden. Die gesamte Eingangsimpedanz, einschließlich Durchkontaktierungen und interne Leiterbahnen, wird durch die interne Leiterimpedanz über eine kleine Anzahl von Schichten bestimmt. Aus diesem Grund wird die Via-Impedanz in der Regel nicht berücksichtigt.

Warum kann die Leiterbahnbreite nicht größer als die Padgröße sein?

Die Breite der Leiterbahn ist proportional zu ihrer Impedanz und spielt eine wichtige Rolle, wenn Sie den HDI-Zustand betreten. Vias werden so klein, dass sie, sobald die Spurbreite klein genug ist, als Mikrovias hergestellt werden müssen.

Erstellen Sie eine Impedanzkurve für die Leiterplattenstapel and use this width as a design guide. Nach Berechnung der für die Impedanzsteuerung erforderlichen Breite, Sie müssen nur diesen Wert als Designregel angeben. Es ist am besten, Übersprechersimulation für die empfohlene Leiterbahnbreite durchzuführen, um zu sehen, ob es zu übermäßigem Übersprechen führt.

Impedanz Matching in HDI hängt mit der Aufrechterhaltung der Signalqualität zusammen, da Komponenten und Leiterbahnen eng voneinander entfernt sind. Daher wird die Steuerung der Impedanz zu einer unglaublichen Aufgabe. Der effektive Einsatz von Mikrovias ist der Schlüssel zu impedanzanpassten HDI-Systemen. Die Escape-Routing-Technologie des feineren BGA und das Dogbone Fan-Out-Verfahren können verwendet werden, um Impedanzanpassung in HDI zu erreichen.