PCB Tecnico - Corrispondenza dell'impedenza nella progettazione di PCB HDI

Impedenza matching è un modo per configurare l'impedenza in ingresso di un carico o l'impedenza in uscita della sua sorgente di segnale. Eseguirlo per raggiungere la massima trasmissione di potenza e ridurre la riflessione del segnale dal carico. La corrispondenza dell'impedenza in HDI è interamente per evitare guasti di trasmissione, in particolare perdite dovute alla resistenza e al dielettrico PCB.

Microvias può essere utilizzato per creare tracce PCB facili da produrre per sistemi di corrispondenza dell'impedenza. La tecnologia di cablaggio di fuga BGA e la struttura fan-out dog-bone possono essere utilizzate per ottenere la corrispondenza di impedenza in HDI.

Quando le tracce PCB necessitano di corrispondenza di impedenza?

La corrispondenza dell'impedenza è determinata dalla pendenza e dal tempo di salita/caduta del segnale, non dalla frequenza. Se il tempo di salita/caduta del segnale (basato sul 10% al 90%) è inferiore a 6 volte il ritardo di traccia, viene chiamato segnale ad alta velocità. Qui, dovrebbe essere eseguita una corrispondenza accurata dell'impedenza.

La strategia di routing di fuga da utilizzare nella progettazione di un circuito dipende in gran parte dal passo BGA, che definisce la larghezza della traccia consentita da posizionare tra le sfere di saldatura. La finezza della traccia dipende anche dalle restrizioni del produttore, dall'impilamento degli strati e dall'impedenza necessaria. Quando si sceglie un piano di fuga, tenere a mente le seguenti linee guida.

La tecnica di escape routing per BGA a passo fine con numero medio di strati inizia con il metodo di necking perché le tracce vengono instradate dentro e fuori dal BGA.

Tracce esterne possono essere instradate direttamente alla prima fila di pad sul circuito stampato.

La larghezza di traccia della seconda fila di pastiglie sulla griglia a sfera è significativamente ridotta in modo che possa essere montata tra la prima fila di pastiglie.

Per raggiungere il pad interno delle file rimanenti, passare attraverso lo strato interno. Di solito, ogni livello di segnale viene instradato su due righe limitando l'impedenza e la crosstalk HDI.

Il fanout Dogbone è il più popolare metodo di fuga BGA

Microvia per cavi di fuga BGA

Se la dimensione del pad (compreso l'anello) è abbastanza piccola per il BGA a passo fine, utilizzare microvie per il routing di escape BGA a livello interno. Le seguenti caratteristiche distinguono i micropori dai fori tradizionali:

Via lunghezza: Vias può passare solo attraverso uno o due strati al massimo. Se il PCB di spessore standard ha un numero molto elevato di strati, i fori passanti possono coprire più strati, ma questo richiede procedure di produzione aggiuntive. Utilizzare i vias ciechi impilati e sepolti che coprono un singolo strato il più possibile.

Rapporto di aspetto micro-foro: Il rapporto di aspetto micro-foro (profondità divisa per diametro) dovrebbe essere 0,75: 1. Cerchiamo di capire lo stesso considerando l'esempio di una piastra spessa 32 strati. Poiché lo spessore dello strato (per un nucleo a 2 strati) è di 2 mil, il diametro non dovrebbe essere inferiore a 2,7 mil.

I micro vias possono essere forati meccanicamente solo a 8 mil in modo sicuro, ma a causa di frequenti interruzioni di perforazione, il costo della perforazione meccanica PCB di 8 mil può avvicinarsi al prezzo della perforazione laser. La portata dei fori passanti meccanici è inferiore a quella dei fori passanti perforati a laser perché la perforazione meccanica deve essere eseguita con attenzione per evitare la rottura della punta. Pertanto, una volta che si inizia a utilizzare la perforazione laser, vedrete il costo totale di ogni goccia del bordo.

Per utilizzare il fan-out con osso cane su un BGA passo 0,8 mm, la larghezza della traccia deve essere di 10 mil o meno, e i micro fori devono essere più piccoli (circa 6 mil). Per le griglie a sfera con passo più fine (0,5 mm), utilizzare micro-fori riempiti e placcati nei pad da instradare allo strato interno attraverso tracce da 7 mil o 8 mil. Ciò fornirà una distanza sufficiente tra i pad adiacenti.

Indipendentemente dallo stile di progettazione, le microvie possono essere impilate o sfalsate per raggiungere la densità di cablaggio richiesta. Passare i requisiti IPC 6012 per garantire la migliore affidabilità delle dimensioni dei micro-fori e dell'anello anulare circostante. La rilevanza delle microvie nei pads nel percorso di fuga BGA può essere compresa dal fatto che il passo BGA può essere inferiore a 0,3 mm in alcuni casi.

Come posizionare fori ciechi per cavi di fuga

Metodo del foro cieco per lo spazio di cablaggio interno.

I vias ciechi sono un prezioso metodo di progettazione HDI che può liberare spazio extra per il cablaggio interno. Quando utilizzati tra le vie, questi tipi di vie raddoppiano lo spazio di cablaggio dello strato interno. Consente di collegare tracce aggiuntive ai pin della riga BGA interna. Vedere la foto sopra; Qui, solo due tracce possono fuoriuscire tra i fori passanti sulla superficie di 1,0 mm BGA. Tuttavia, ci sono ora 6 tracce sotto il foro cieco, che aumenta lo spazio di routing del 30%.

Utilizzando questo metodo, un quarto del livello di segnale è necessario per collegare l'alto I/O BGA. I fori ciechi sono disposti in una croce, a forma di L o diagonale per formare un viale. Le assegnazioni di alimentazione e pin di terra determinano quale configurazione viene utilizzata.

Posizionando fori ciechi in una forma a croce, a L o diagonale, si crea un viale sullo strato interno per consentire una maggiore densità di cablaggio e fuga.

Lunghezza della sezione ventilata e larghezza della traccia

Quando si utilizzano IC ad alta velocità, l'impedenza è quasi sempre un fattore. Quando si verifica la lunghezza della sezione fan-out, entra in gioco la relazione tra cablaggio fan-out e controllo dell'impedenza. A causa della lunghezza di traccia della via (se presente) e della capacità/induttanza parassitaria, la parte fan-out del BGA avrà la sua impedenza.

In primo luogo, controllare la larghezza di banda del segnale per determinare se il segnale verrà rilevato sull'impedenza di traccia. Se la lunghezza di traccia è significativamente più piccola della lunghezza d'onda corrispondente all'estremità alta della larghezza di banda, la porzione di traccia del fan-out BGA può essere ignorata. Il modo migliore è calcolare l'impedenza di carico, che è una funzione della lunghezza della traccia fan-out, e l'impedenza di ingresso di rete (dopo il necking) creata dalla traccia fan-out.

Utilizzare il limite del 10% per la lunghezza richiesta della lunghezza d'onda del segnale come una buona approssimazione. Un cauto limite del 10% per i segnali digitali con una frequenza al ginocchio di 20GHz si tradurrà in una lunghezza critica di 0,73 mm (stripline in substrato FR4). Ciò significa che i circuiti integrati più grandi, come gli FPGA, devono fornire ventole adattate all'impedenza per coppie monoterminali e differenziali.

Tramite induttanza, la capacità parassitaria tra il circuito stampato e il pad e l'induttanza del pin nel IC sono critici. Il circuito filtrante T passa basso è composto da queste parti. La frequenza di taglio 3dB è solo un numero tipico che può essere valutato dal circuito risonante LC, a condizione che l'induttanza del foro passante sia impostata uguale all'induttanza del piombo. Il circuito del filtro T è utilizzato come circuito di corrispondenza dell'impedenza per modificare l'impedenza di uscita del IC driver.

Un circuito filtrante T passa basso con induttanza passante, capacità parassitaria tra il circuito stampato e il pad e induttanza pin come componenti principali.

Se l'impedenza della parte via che collega la traccia fan-out alla traccia interna è incerta, è difficile corrispondere all'impedenza della parte fan-out. Tuttavia, finché la parte via è molto breve e copre direttamente diversi livelli, questo fatto può essere ignorato. L'impedenza totale di ingresso, incluse vie e tracce interne, è determinata dall'impedenza interna di traccia attraverso un piccolo numero di strati. Questo è il motivo per cui l'impedenza via di solito non è considerata.

Perché la larghezza della traccia non può essere maggiore della dimensione del pad?

La larghezza della traccia è proporzionale alla sua impedenza e svolge un ruolo vitale quando si entra nello stato HDI. Le vie diventeranno così piccole che una volta che la larghezza della traccia è abbastanza piccola, devono essere fatte come microvie.

Creare una curva di impedenza per lo stack PCB e utilizzare questa larghezza come guida di progettazione. Dopo aver calcolato la larghezza richiesta per il controllo dell'impedenza, è sufficiente specificare questo valore come regola di progettazione. È meglio eseguire la simulazione di crosstalk per la larghezza di traccia raccomandata per vedere se causerà crosstalk eccessivo.

La corrispondenza dell'impedenza in HDI è legata al mantenimento della qualità del segnale perché componenti e tracce sono strettamente distanziati. Pertanto, controllare l'impedenza diventa un compito incredibile. L'uso efficace di microvie è la chiave per l'abbinamento di impedenza dei sistemi HDI. La tecnologia di escape routing di BGA a passo più fine e il metodo di fan-out cane-bone possono essere utilizzati per ottenere la corrispondenza di impedenza in HDI.