Design av mønsterkort: Full kontroll på signalintegritet og impedans

Kunnskap og erfaring - to viktige elementer når et mønsterkort planlegges. Dagens mønsterkort-designere må ha mer kunnskap om mønsterkortproduksjonen enn tidligere. Spesielt når de planlegger oppbygging, hvor viahull starter og stopper, ruting og fordeling av kraft og jord.

Som designer kjenner du dine behov når det gjelder signalintegritet, EMI (elektromagnetisk interferens) design og krav til impedans. Faktorene som er involvert er:

• Antall lag
• Antall jord- og kraft-lag som du anser nødvendig
• Sekvenser av lag
• Avstand mellom lagene
• For å utdype dette kan vi si at:
  Signallag som har kritiske signaler, skal alltid være i tilknytning til et plan
• Dk verdien holdes lavt, typisk <4 ved ønsket frekvens.
• kraft og jord skal være så nære hverandre som mulig for best kapasitans
• kraft og jord kan bruke annet materiale med høyere Dk, for best mulig kapasitans
• Høyhastighetssignaler skal føres på innerlagene, og de skal ha plan både over og under seg for best mulig skjerming
• Flere jordlag vil senke referanseplanens impedans og redusere stråling fra høyhastighetssignalene.

Det laveste lagtallet du trenger for å oppnå alt dette, er sannsynligvis et 8-lags mønsterkort. Se fig. 1

Utfordringer
Ovennevnte punkter kan imidlertid være veldig utfordrende. En må som regel forholde seg til en maksimal tykkelse på mønsterkort som ikke kan ignoreres, mange plan-lag vil begrense antallet signallag.

Det kan være vanskelig å oppnå ønsket signal-impedans, med referanse til en for liten avstand mellom lagene, for smale lederbredder og for liten avstanden mellom disse.

Roten til problemer
Signalintegritet adresserer degradering av signalkvalitet til det punktet hvor det oppstår en feil. EMI fokuserer på tilsvarende spesifikasjoner, testkrav og interferens mellom utstyr i nærheten.

Jord-impedans er roten til praktisk talt all signalintegritet og EMI-problemer. Å holde en lav jord- impedans er obligatorisk for både EMI og signalintegritet. Dette oppnås med et solid jord-plan.

Kobbertykkelse
Kobbertykkelse er ikke den viktigste faktoren. Ved høye bitrater dominerer skin-effekten slik at signalet skyves til kobberoverflaten, noe som betyr at ytterligere kobbertykkelse ikke er relevant. For signalintegritet er nøkkelfaktoren å holde støynivået betydelig under signalnivåene. Støymarginene våre er typiske i millivoltområdet for digitale forbindelser, men for EMI må nivåene holdes i mikrovolt- og mikroamp- området. Faktisk er hovedproblemet med jord-impedans, diskontinuitetene som oppstår i signalveien, og hvor stor innvirkning disse har på karakteristisk impedans kontroll.

HDI
For antall HDI-design som skal fungere godt oppe i GHz-frekvensene, blir karakteristisk impedanskontroll viktigere, men også mer utfordrende å opprettholde siden avstandene mellom lagene krymper. HDI (high density interconnect) og bruk av mikrovias krever mindre avstand mellom lagene og det faktum at flere lag vil bli klemt innenfor en gitt mønsterkort-tykkelse.

Diskontinuitet
Det største problemet med å opprettholde ønsket impedans er ofte diskontinuitetene i signalveien, inkludert returveien på referanseplanet. Ideelt sett bør det være et kobberplan umiddelbart under kritiske signaler, og signalet skal referere til dette planet uten avbrudd.

Verste scenario (figur 2) kan være hvis signalet forlater referanse jord- planet og fortsetter f.eks. langs et spenningsplan.

Det er mindre problematisk hvis signalet går gjennom GND-planet og fortsetter på den andre siden av planet (figur 3). Det er ikke noe problem med GND referansen siden den er den samme, bare se til at viahull holdes så små og korte som mulig. Isolasjonsavstanden rundt viahull/pad skal også holdes på et minimum. Oppdater deg på hva som er fornuftige verdier.

Kutt i jordplan
Det kan oppstå kutt i jord-planet, for eksempel for store åpninger (figur 4).

I det viste eksemplet blir halvparten av et differensial-paret eksponert over et manglende plan. Resultatet er et ubalansert signal, forsinkelser og økt serie-induktans. Kutt i planet, som vist i figur 5, viser en diskontinuitet i signalreturen. Returen går rundt åpningen i GND-planet. Dette vil heve den karakteristiske impedansen ved gapet, og åpningen kan ende som en antenne. Eksemplet viser et delt plan der andre signaler føres i åpningen.

Overhøring/crosstalk
En annen sak for både EMI og signalintegritet er overhøring. Overhøring er en kobling til tilstøtende signaler, GND- eller PWR-tilkobling som er utilsiktet. Crosstalk sees normalt på som et stort problem med kabler, men det kan også oppstå på mønsterkortnivå.

Økt avstand mellom kritiske forbindelser er normalt løsningen. I noen tilfeller kan denne plassen brukes til mindre kritiske forbindelser.

Økt avstand er generelt veldig gunstig når koblingen faller av med kvadratet på isolasjonsavstanden. Å øke avstanden på grunn av crosstalk kan også være et problem i Z-aksen til et mønsterkort.

Kontakt produsenten tidlig
Når et nytt mønsterkort-design skal planlegges, bør designere starte kommunikasjon med mønsterkort produsenter på et veldig tidlig stadium.  Når du som designer trenger en stackup for å starte rutingen, er det litt informasjon du trenger å gi videre til mønsterkort-produsenten slik at disse har en base å starte på. Det du får tilbake er en stackup med verdier som du benytter på impedanslederene dine når du påbegynner et mønsterkortutlegg.

Mer informasjon
Styrken til mønsterkortprodusenter har tradisjonelt vært:

• Kunnskap om mønsterkortmaterialer
• Laminering
• Boring
• Kobber-plettering
• Etsning
• Overflatebehandling
• Mekanisk etterbehandling

Tidene har endret seg og elektroteknikk er nå en del av det du får fra mønsterkort-produsenten. Elektriske krav som impedans, plan-kapasitans, crosstalk, elektrisk testing og materialkunnskap finner du hos de av dagens mønsterkort-produsenter som kan håndtere avanserte mønsterkort. Dette, i kombinasjon med din egen kunnskap og ferdigheter, er den beste kombinasjonen for en vellykket stack up og et godt fungerende mønsterkort.

Kunnskapen om hvordan f.eks. forskjellige laminater, ulike type glass-vevinger, lim (resin) og innholdet fungerer i produksjonsprosessen, er eksempler på kunnskap hvor mønsterkort-produsenter «vet best.»

Hva du skal gjøre

når du trenger en stack up med impedans krav: I Figur 6 ser du en stack-up som illustrerer informasjon vi søker. Den viser hull-typer og hvilke lag de forbinder.  Dette viser også hvilke lag som kobberpletteres, og det kan tas stilling til hvor det skal benyttes hhv. core og prepreg. Den viser også hva som er plan og signal lag, noe som er vesentlig for impedansplanlegging.

I tillegg er følgende informasjon nødvendig:

• Tykkelse på ferdig mønsterkort
• Hvilke impedanser som er til stede på de forskjellige signallagene,  og referanselagene deres.
• Foretrukket maksimum lederbredde. Dette er nyttig informasjon for produsenter, for å gi deg verdier på lederbredden som ikke gjør den for bred i forhold til områder du skal rute på. Typisk er det viktig for å ivareta ruting mellom pads på komponenter med liten avstand mellom loddepads.  Minste lederbredde og isolasjonsavstand, holder produsenten styring på med referanse til deres egen kapabilitet.
• Krav til lagavstander dersom risk for crosstalk eller andre elektriske hensyn.
• Hvis du har materialer som er foretrukket, det kan være spesifikke materialer eller materialer som er låst til en IPC 4101 / (under gruppe), i så tilfelle, skal det angis.
• Total X Y dimensjon på mønsterkort.

Fra produsenten
Det du kan forvente tilbake fra produsenten er en:

• Komplett stackup, med kobbertykkelser, lagavstander og eventuell en BOM – komplett liste med materialer som inngår
• Lederbredder som du skal bruke på impedans-lederene
• Avstander mellom impedans-lederene (differensielle par)
• Samt visning av utregningene

Når du har dette på plass, er det bare å påbegynne utlegg av ditt mønsterkort.

Bare et lite tips
Synliggjør impedans signalene dine for produsenten, dette gjelder spesielt SE impedans signaler.

Du har kanskje rutet alle signalledere med f. eks. 100μm. Dersom enkelte av disse er SE kontrollerte og dermed har samme bredde, kan ikke produsenten skille disse fra alle de øvrige mindre viktige signalene. Det du kan gjøre er å sette bredden på de kritiske SE signalene litt høyere eller lavere, f.eks 99μm eller 101μm.

Denne endringen er så liten at den ikke har noen innflytelse på produksjonen, men det vil nå være mulig for produsenten å skille disse signalene fra de andre 100μm signalene, som er mindre kritiske.

Som designer skal du vite at den stackup du har mottatt fra produsenten med verdier som brukes til rutingen, IKKE er endelig.

Nyttig for produsenten
På det stadiet der utlegget ditt er klart og du vil at ditt mønsterkort skal produseres, vil det i de fleste tilfeller være noen tekniske forhold med hensyn til impedansverdier, som mønsterkort-produsenten vil ha behov for å kompensere. Dette er forårsaket, av åpenbare grunner, av at produsentene ikke hadde tilgang til produksjons-dataene dine (Gerber, ODB ++, IPC 2581….) på det tidspunktet hvor din stack up ble satt opp, og beregnet.

Prosentvis kobberdekning
Prosentvis kobber dekning vil påvirke prepreg tykkelsen: Når produsenter har mottatt produksjons-dataene dine, vil de også f.eks. beregne prosentandelen av kobber du har brukt på signal- og planlagene. Dette vil påvirke typene og prepregene som skal brukes, samt impedansene som ble beregnet da stackupen ble beregnet. Produsenten vil informere deg via tekniske forespørsler om at noen endringer vil bli foretatt, for at du skal få dine forespurte impedanser. Disse endringene vil normalt være svært marginale endringer på lederbredder, isolasjonsavstander eller lagavstander, og vil i de fleste tilfeller aksepteres uten for mye krangling.

Produsenten vet best
Hvis det skulle være en endring i prepregene som vil føre til en endring av lim-innholdet, vil dette også endre Dk-verdien og vil bli tatt i betraktning når impedanser blir beregnet på nytt. For designeren er det viktigst å få forespurte impedanser, og når det gjelder disse mindre justeringene, anser jeg produsenten som den som vet best hva de skal gjøre for at du skal bli fornøyd.

Verktøy
Jeg setter ofte opp stack up for designere, og verktøyet jeg bruker er ICD Stackup-Planner fra ICD.com.au. Det vi opplever brukt av de fleste mønsterkort-produsenter, er programvare fra Polarinstruments.com

Mitt tips til deg er: Kom i gang, kommuniser med mønsterkort-produsenten og ikke glem å sende med en net-liste sammen med mønsterkort-produksjonsdataene.

Denne artikkelen (engelsk) ble publisert første gang på Elmaticas spalte - The Norsemen in mønsterkort Magazine. elmatica.com/signal-integritycontrolled-impedance