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疊層設(shè)計(jì)對信號完整性的影響
疊層設(shè)計(jì)對信號完整性的影響
信號完整性是高速 PCB 設(shè)計(jì)中必須從設(shè)計(jì)概念開始就考慮在內(nèi)的要素之一。從一開始，信號完整性就貫穿于從設(shè)計(jì)到電路板制造和最終組裝的整個(gè)過程。但是，在某些方面，信號完整性并不總是處于設(shè)計(jì)過程的最前沿，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(jù)設(shè)計(jì)的整體信號完整性要求平衡成本和高效制造。該過程的核心是在工程部門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(shè)計(jì)都按設(shè)計(jì)“可構(gòu)建”。
疊層設(shè)計(jì)審查
在深入研究電路板疊層設(shè)計(jì)的特定方面之前，回顧一下疊層設(shè)計(jì)的含義以及相對于 SI 考慮因素需要考慮的內(nèi)容是很有用的。
疊層或疊層圖顯示了多層 PCB 中層的排列和類型。圖 1 是一個(gè)堆疊示例。
圖 1. 包含所有必要數(shù)據(jù)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)所用介電類型的信息。需要注意的是，在復(fù)雜的多層板的堆疊過程中，必須在每個(gè)點(diǎn)上確定層壓板、預(yù)浸料和銅的確切類型。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)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)指定的內(nèi)容。
陷阱問題和良好溝通的必要性
當(dāng)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機(jī)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法更改的制造規(guī)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，在過去的 40 年里，產(chǎn)品開發(fā)商允許制造商擺弄設(shè)計(jì)，以便他們建造適合自己的設(shè)計(jì)。當(dāng)電路板不復(fù)雜，不需要與當(dāng)今高速設(shè)計(jì)相關(guān)的層數(shù)和嚴(yán)格的性能限制時(shí)，制造商是否對設(shè)計(jì)疊層進(jìn)行更改并不重要。如果這些變化導(dǎo)致電路板更便宜，則尤其如此。這也意味著制造商可以改用與他們現(xiàn)有的材料相匹配的不同材料。如前幾篇文章所述，當(dāng)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(shè)計(jì)制造，電路板制造商的說明必須包括不允許替換，并且未經(jīng)事先書面同意，不得更改制造圖紙上的任何內(nèi)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(guī)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?yàn)楫a(chǎn)品可以以某種方式設(shè)計(jì)，并不意味著它可以構(gòu)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，他們都說他們無法建造電路板。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)從制造的角度來看設(shè)計(jì)得很糟糕的電路板，沒有人能夠滿足可制造性要求。再次，責(zé)任歸咎于制造商，他們都被貼上愚蠢的標(biāo)簽，因?yàn)樗麄儫o法制造出無法制造的電路板。
在上述兩個(gè)例子中，對板制造商的批評都是工程師沒有制造板的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的結(jié)果。歸根結(jié)底，僅僅因?yàn)槟梢栽谟?jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路板，并不意味著它可以按照您設(shè)計(jì)的方式構(gòu)建。
事實(shí)是，制造商對信號完整性一無所知，也不應(yīng)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(cuò)誤是詢問制造商可以電鍍的孔縱橫比。相反，對于電鍍，目標(biāo)應(yīng)該是使通孔導(dǎo)電，然后確保尺寸適合成功電鍍。制造商可能會(huì)說他們可以電鍍到 14:1 或 16:1。但這只有在手工電鍍時(shí)才有可能。
現(xiàn)實(shí)情況是，如果您想獲得可靠的電路板，您永遠(yuǎn)不應(yīng)超過 10:1 的縱橫比。仔細(xì)想想，制造商能夠承諾這個(gè)數(shù)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(yuǎn)的地方，您有非常高的電鍍電流和大量電鍍。因此，這會(huì)導(dǎo)致特別是壓配合連接器和引腳數(shù)非常高的 BGA 出現(xiàn)問題。
概括
當(dāng)最低成本主導(dǎo)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員和制造商的目標(biāo)，尤其是如果它們能夠節(jié)省成本的話。今天，創(chuàng)建滿足其所有性能要求（包括信號完整性）的可構(gòu)建設(shè)計(jì)成為首要關(guān)注的問題。性能和可制造性之間的權(quán)衡以實(shí)現(xiàn)最高水平的成本效益絕對是該過程的一部分。但是，要實(shí)現(xiàn)首次制造就正確的電路板，一個(gè)關(guān)鍵因素是在工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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)對話在設(shè)計(jì)的早期階段就開始是絕對必要的。