疊層設計對信號完整性的影響

2021-06-26

疊層設計對信號完整性的影響

信號完整性是高速 PCB 設計中必須從設計概念開(kāi)始就考慮在內的要素之一。從一開(kāi)始，信號完整性就貫穿于從設計到電路板制造和最終組裝的整個(gè)過(guò)程。但是，在某些方面，信號完整性并不總是處于設計過(guò)程的最前沿，包括PCB 疊層的創(chuàng )建. 本文將研究電路板疊層對整體信號完整性的影響。它還將解決如何根據設計的整體信號完整性要求平衡成本和高效制造。該過(guò)程的核心是在工程部門(mén)和電路板制造商之間建立“合作伙伴關(guān)系”，他們共同努力確保任何 PCB 設計都按設計“可構建”。 

疊層設計審查 

在深入研究電路板疊層設計的特定方面之前，回顧一下疊層設計的含義以及相對于 SI 考慮因素需要考慮的內容是很有用的。 

疊層或疊層圖顯示了多層 PCB 中層的排列和類(lèi)型。圖 1 是一個(gè)堆疊示例。

圖 1. 包含所有必要數據的疊加圖 

除了層的排列之外，疊層圖還必須包含銅層和介電層的厚度信息以及有關(guān)所用介電類(lèi)型的信息。需要注意的是，在復雜的多層板的堆疊過(guò)程中，必須在每個(gè)點(diǎn)上確定層壓板、預浸料和銅的確切類(lèi)型。這些選擇都不能留給制造商，在制造時(shí)，制造商已經(jīng)同意產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團隊指定的內容。

陷阱問(wèn)題和良好溝通的必要性 

當我們在高速 PCB 性能方面突破極限時(shí)，信號路徑中的損耗成為一個(gè)值得關(guān)注的因素。如前所述，幾年前困擾該行業(yè)的玻璃編織引起的歪斜已通過(guò)機械鋪展玻璃編織成功解決，從而保持均勻的表面。然而，既然我們知道如何控制編織引起的歪斜，最重要的是玻璃樣式是制造商無(wú)法更改的制造規范的一部分。從表面上看，這似乎不是一個(gè)重要的點(diǎn)，但它肯定可以成為如下所述的一個(gè)點(diǎn)。  

為了公平對待電路板制造商，在過(guò)去的 40 年里，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商允許制造商擺弄設計，以便他們建造適合自己的設計。當電路板不復雜，不需要與當今高速設計相關(guān)的層數和嚴格的性能限制時(shí)，制造商是否對設計疊層進(jìn)行更改并不重要。如果這些變化導致電路板更便宜，則尤其如此。這也意味著(zhù)制造商可以改用與他們現有的材料相匹配的不同材料。如前幾篇文章所述，當指定板由FR-4 材料制成時(shí)，您可以獲得許多不同的板。 

為確保您的產(chǎn)品按設計制造，電路板制造商的說(shuō)明必須包括不允許替換，并且未經(jīng)事先書(shū)面同意，不得更改制造圖紙上的任何內容。事實(shí)上，以最低成本生產(chǎn)電路板的要求已經(jīng)被完全按照規定制造電路板的要求所取代。 

什么是可建造的？ 

重要的是要記住，僅僅因為產(chǎn)品可以以某種方式設計，并不意味著(zhù)它可以構建。舉個(gè)例子，我們有一堂課，有一個(gè)工程師把他的疊層圖交給了一群不同的制造商，他們都說(shuō)他們無(wú)法建造電路板。他斷定所有制造商都是“愚蠢的”。但是在他的疊層中，他在整個(gè)疊層中埋藏了貫穿每一對層的通孔。事實(shí)上，董事會(huì )在物理上是不可能建造的。 

在另一個(gè)例子中，我們遇到了一個(gè)從制造的角度來(lái)看設計得很糟糕的電路板，沒(méi)有人能夠滿(mǎn)足可制造性要求。再次，責任歸咎于制造商，他們都被貼上愚蠢的標簽，因為他們無(wú)法制造出無(wú)法制造的電路板。 

在上述兩個(gè)例子中，對板制造商的批評都是工程師沒(méi)有制造板的實(shí)際經(jīng)驗的結果。歸根結底，僅僅因為您可以在計算機上設計復雜的電路板，并不意味著(zhù)它可以按照您設計的方式構建。 

事實(shí)是，制造商對信號完整性一無(wú)所知，也不應該期望他們知道。他們所知道的是他們獲得特定蝕刻寬度、特定厚度精度和特定電鍍精度的能力。 

工程師常犯的一個(gè)錯誤是詢(xún)問(wèn)制造商可以電鍍的孔縱橫比。相反，對于電鍍，目標應該是使通孔導電，然后確保尺寸適合成功電鍍。制造商可能會(huì )說(shuō)他們可以電鍍到 14:1 或 16:1。但這只有在手工電鍍時(shí)才有可能。 

現實(shí)情況是，如果您想獲得可靠的電路板，您永遠不應超過(guò) 10:1 的縱橫比。仔細想想，制造商能夠承諾這個(gè)數字真是太神奇了。想象一下置于溶液中的面板 - 裸露銅的密度不均勻。此外，電鍍電流也不均勻。在特征相距很遠的地方，您有非常高的電鍍電流和大量電鍍。因此，這會(huì )導致特別是壓配合連接器和引腳數非常高的 BGA 出現問(wèn)題。 

概括 

當最低成本主導設計領(lǐng)域時(shí)，對電路板疊層的更改和替換不僅是可以接受的，而且是設計人員和制造商的目標，尤其是如果它們能夠節省成本的話(huà)。今天，創(chuàng )建滿(mǎn)足其所有性能要求（包括信號完整性）的可構建設計成為首要關(guān)注的問(wèn)題。性能和可制造性之間的權衡以實(shí)現最高水平的成本效益絕對是該過(guò)程的一部分。但是，要實(shí)現首次制造就正確的電路板，一個(gè)關(guān)鍵因素是在工程設計團隊和電路板制造商之間建立積極的合作伙伴關(guān)系。而且，這個(gè)對話(huà)在設計的早期階段就開(kāi)始是絕對必要的。