HDI PCB設計中的阻抗匹配
HDI PCB設計中的阻抗匹配
阻抗匹配是配置負載輸入阻抗或其信號源輸出阻抗的方式。執(zhí)行它以實現(xiàn)最大功率傳輸并減少來自負載的信號反射。換句話說,為了適當?shù)淖杩箍刂?,負載阻抗必須等于傳輸線的特征阻抗。當傳輸?shù)男盘枦]有反射時,表明負載已經(jīng)吸收了所有的信號。HDI 中的阻抗匹配完全是為了避免傳輸故障,尤其是由于電阻和 PCB電介質造成的損耗。
微孔可用于為阻抗匹配系統(tǒng)創(chuàng)建便于生產(chǎn)的 PCB走線。BGA逃逸布線技術和狗骨扇出結構可用于在 HDI 中實現(xiàn)阻抗匹配。
PCB走線何時需要阻抗匹配?
阻抗匹配由信號的陡度和上升/下降時間決定,而不是由頻率決定。如果信號的上升/下降時間(以 10% 至 90% 為基準)短于跡線延遲的6 倍,則稱為高速信號。在這里,應該進行精確的阻抗匹配。
HDI阻抗匹配的挑戰(zhàn)
在 HDI 中實現(xiàn)阻抗匹配時,設計人員會遇到以下挑戰(zhàn):
在高密度互連HDI PCB設計中,組件具有較小的焊盤到焊盤間距,例如 BGA。間距小于或等于 0.65 毫米的 BGA 使布線和控制其寬度具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下,可以使用焊盤內(nèi)過孔和 BGA 逃逸布線技術。
帶有盲孔的焊盤中的過孔是一個優(yōu)勢,因為它們避免了過孔殘端,從而提高了信號完整性。
在需要阻抗控制布線的 HDI 板中,精心設計的走線和堆疊對于確保阻抗與信號標準一致至關重要。
為 HDI 阻抗調整設計走線寬度
走線的阻抗由其距參考平面的寬度和高度決定。在使用細間距 BGA 的 HDI 板中,仔細選擇走線寬度和高度以避開焊盤和焊盤中通孔之間的走線。
使用 HDI PCB設計中的 BGA 逃逸布線進行阻抗控制
在處理高密度互連時使用了幾個 BGA 組件。為了使走線進出高引腳數(shù)球柵陣列的底部,需要一種逃逸布線方案。在某些情況下,需要受控阻抗(例如 FPGA 和其他高速組件),BGA 逃逸布線可能具有挑戰(zhàn)性。
設計電路板時要使用的逃逸布線策略很大程度上取決于 BGA 間距,它定義了允許放置在焊球之間的走線寬度。走線的細度還取決于制造商的限制、層堆疊和必要的阻抗。選擇逃逸路由方案時,請記住以下準則。
用于中等層數(shù)的細間距 BGA 的逃逸布線技術從頸縮方法開始,因為跡線被布線進出 BGA。
外部走線可以直接布線到電路板上的第一排焊盤上。
球柵陣列上第二行焊盤的跡線寬度顯著減小,以便它可以安裝在第一行焊盤之間。
要到達其余行的內(nèi)墊,請穿過內(nèi)層。通常,每個信號層路由到兩行,同時限制阻抗和HDI 串擾。
Dogbone fanout 是最流行的 BGA 逃逸布線和扇出方法(如下圖所示)。這種扇出技術有助于在更靠近焊盤的焊盤中放置通孔。由于元件不是通過通孔直接焊接到焊盤上,因此不需要進行填充鍍覆。1 mm BGA 和 0.8 mm BGA 可能適用于狗骨扇出。
當 BGA 間距小于 0.5 mm 時,最好采用 microvia-in-pad 逃逸布線技術。微通孔直接放置在焊盤中,而不是將小跡線布線到焊盤的側面。為了防止焊料芯吸到電路板的背面,微孔填充有導電環(huán)氧樹脂并鍍有銅。
用于 BGA 逃逸布線的微孔
如果焊盤尺寸(包括圓環(huán))對于細間距 BGA 來說足夠小,則使用微孔進行內(nèi)層 BGA 逃逸布線。以下特征將微孔與傳統(tǒng)孔區(qū)分開來:
過孔長度:過孔最多只能穿過一層或兩層。如果標準厚度 PCB具有非常高的層數(shù),則通孔可以跨越更多層,但這需要額外的制造程序。盡可能使用跨越單層的堆疊盲孔和埋孔。
微孔縱橫比:微孔縱橫比(深度除以直徑)應為0.75:1。讓我們通過考慮 32 層厚板的示例來理解相同的內(nèi)容。由于層厚(對于 2 層磁芯)為 2 密耳,因此直徑不應小于 2.7 密耳。
微通孔只能安全地機械鉆孔到 8 密耳,但是由于頻繁的鉆孔斷裂,8 密耳的機械 PCB鉆孔費用可以接近激光鉆孔的價格。機械通孔的吞吐量低于激光鉆孔的通孔,因為必須小心地進行機械鉆孔以避免鉆頭斷裂。因此,一旦您開始使用激光鉆孔,您就會看到每塊板的總成本下降。
要在 0.8 毫米間距 BGA 上使用狗骨扇出,走線寬度必須為 10 密耳或更小,微孔必須更?。s 6 密耳)。對于更細間距的球柵陣列(0.5 毫米),使用填充和電鍍的焊盤內(nèi)微孔通過 7 mil 或 8 mil 走線布線到內(nèi)層中。這將在相鄰焊盤之間提供足夠的間距。
無論設計風格如何,微孔都可以堆疊或交錯排列,以達到所需的布線密度。通過IPC 6012要求,以確保微孔和周圍環(huán)形圈的尺寸具有最佳可靠性。焊盤內(nèi)微孔在 BGA 逃逸布線中的相關性可以通過以下事實來理解:BGA 間距在某些情況下可以低至 0.3 毫米。
如何放置盲孔以進行逃逸布線
內(nèi)層布線空間的盲孔方法。
盲孔是一種寶貴的 HDI 設計方法,可以釋放額外的內(nèi)層布線空間。當在通孔之間使用時,這些類型的過孔使內(nèi)層的布線空間加倍。它允許額外的走線連接內(nèi)部 BGA 行上的引腳。見上圖;在這里,在這個 1.0 毫米 BGA 表面上的通孔之間只有兩條走線可以逃逸。但是,現(xiàn)在盲孔下方可以有 6 條走線,這將布線空間增加了 30%。
使用這種方法,需要四分之一的信號層來連接高 I/O BGA。盲孔以十字、L 形或對角線圖案放置,以形成林蔭大道。電源和接地引腳分配決定了使用哪種配置。
以交叉、L 形或對角線形狀放置盲孔會在內(nèi)層上創(chuàng)建林蔭大道,以允許更高密度的布線和逃逸。
插圖顯示了放置盲孔以在 BGA 內(nèi)創(chuàng)建林蔭大道以改善突破。左:BGA 的傳統(tǒng) 4 象限扇出;右圖:添加了十字形盲孔,允許在內(nèi)層上創(chuàng)建的林蔭大道中增加 48 個逃逸通道,從而減少了突破器件所需的 4 個。
Happy Holden 解釋說:“每層可以連接更多的走線,還可以通過使用林蔭大道創(chuàng)建額外的布線空間來減少信號層的總數(shù)。盲孔用于創(chuàng)建四個十字形林蔭大道(如圖所示)。新設計的林蔭大道每層提供 48 個更多的逃逸通道(8 x 6 走線),并提高了內(nèi)部走線的信號完整性。它允許移除兩個布線層和兩個參考平面。”
此外,他說:“在電路板的次級側,可以觀察到使用盲孔創(chuàng)建林蔭大道的另一個優(yōu)勢。通孔橫跨整個電路板,但林蔭大道現(xiàn)在在 BGA 內(nèi)開放(如圖所示)。左圖顯示了由 BGA 下的 104 個過孔連接的 58 個分立器件。在右側,林蔭大道可以通過共享 366 個過孔連接 183 個分立元件。”
這些圖顯示了兩個 BGA 的背面。一種是帶有通孔的傳統(tǒng)象限扇出,允許 58 個分立器件。另一個利用林蔭大道的盲道,其中可以連接 183 個分立元件。
扇出部分長度和走線寬度
在使用高速 IC 時,阻抗幾乎總是一個因素。在檢查扇出部分的長度時,扇出布線和阻抗控制之間的關系開始發(fā)揮作用。由于過孔的走線長度(如果存在)和寄生電容/電感,BGA 扇出部分將具有其阻抗。
首先,檢查信號帶寬以確定信號是否會在走線阻抗上拾取。如果走線長度明顯小于對應于帶寬高端的波長,則可以忽略 BGA 扇出的走線部分。最好的方法是計算負載阻抗,它是扇出走線長度的函數(shù),以及由扇出走線創(chuàng)建的網(wǎng)絡輸入阻抗(頸縮后)。
對信號波長所需的長度使用 10% 的限制作為一個很好的近似值。對拐點頻率為 20GHz 的數(shù)字信號謹慎的 10% 限制將導致臨界長度為 0.73mm(FR4 基板中的帶狀線)。這意味著更大的 IC,比如 FPGA,需要為單端和差分對提供阻抗匹配的扇出。
過孔電感、電路板和焊盤之間的寄生電容以及 IC 中的引腳電感至關重要。低通T濾波器電路由這些部分組合而成。3dB 截止頻率只是可以從 LC 諧振電路評估的典型數(shù)字,前提是通孔電感設置為等于引腳電感。該 T 濾波器電路用作阻抗匹配電路,修改驅動器 IC 的輸出阻抗。
以通孔電感、電路板與焊盤之間的寄生電容以及引腳電感為主要部件的低通T濾波器電路。
如果不確定將扇出跡線連接到內(nèi)部跡線的過孔部分阻抗,則扇出部分的阻抗匹配是困難的。然而,只要過孔部分很短并且直接跨越幾層,這個事實就可以被忽略。包括通孔和內(nèi)部走線在內(nèi)的總輸入阻抗由跨越少量層的內(nèi)部走線阻抗決定。這就是為什么通常不考慮通孔阻抗的原因。
主要缺點是高速 BGA 組件(例如 FPGA)可能需要回鉆以去除 BGA 扇出下方的殘留通孔存根。使用 HDI 時,使用直徑非常小的盲孔、埋孔和激光鉆孔微孔(根據(jù) IPC 小于 6 密耳),這消除了背鉆孔并將通孔電感限制在跨越層的厚度。
由于層厚和到走線參考平面的距離會隨著層數(shù)的增加而減少,因此必須減小走線寬度以補償并將阻抗保持在適當?shù)闹?。如果您使用差分對,請考慮走線耦合。為了實現(xiàn)阻抗控制,帶有集成場解算器的PCB設計軟件可以幫助為 HDI 層堆疊設計正確的走線寬度。
為什么HDI PCB設計中走線寬度不能大于焊盤尺寸?
走線的寬度與其阻抗成正比,并且在您進入 HDI 狀態(tài)時起著至關重要的作用。過孔將變得非常小,以至于一旦走線寬度足夠小,就必須將它們制造為微孔。
如果阻抗控制的走線寬度過寬,要么減小PCB層壓板的厚度以縮小它,要么增加焊盤尺寸。從可靠性的角度來看,只要焊盤尺寸超過 IPC 標準中規(guī)定的數(shù)字就可以了。
為 PCB堆疊創(chuàng)建阻抗曲線,并將該寬度用作設計指南。在計算阻抗控制所需的寬度后,只需將此值指定為設計規(guī)則即可。最好針對建議的走線寬度執(zhí)行串擾模擬,以查看是否會導致過度串擾。
HDI 中的阻抗匹配與保持信號質量有關,因為組件和走線都間隔很近。因此,控制阻抗成為一項令人難以置信的任務。有效使用微孔是阻抗匹配 HDI 系統(tǒng)的關鍵。更細間距 BGA 的逃逸布線技術和狗骨扇出方法可用于實現(xiàn) HDI 中的阻抗匹配。
豐樂壹博專業(yè)PCB設計、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
阻抗匹配是配置負載輸入阻抗或其信號源輸出阻抗的方式。執(zhí)行它以實現(xiàn)最大功率傳輸并減少來自負載的信號反射。換句話說,為了適當?shù)淖杩箍刂?,負載阻抗必須等于傳輸線的特征阻抗。當傳輸?shù)男盘枦]有反射時,表明負載已經(jīng)吸收了所有的信號。HDI 中的阻抗匹配完全是為了避免傳輸故障,尤其是由于電阻和 PCB電介質造成的損耗。
微孔可用于為阻抗匹配系統(tǒng)創(chuàng)建便于生產(chǎn)的 PCB走線。BGA逃逸布線技術和狗骨扇出結構可用于在 HDI 中實現(xiàn)阻抗匹配。
PCB走線何時需要阻抗匹配?
阻抗匹配由信號的陡度和上升/下降時間決定,而不是由頻率決定。如果信號的上升/下降時間(以 10% 至 90% 為基準)短于跡線延遲的6 倍,則稱為高速信號。在這里,應該進行精確的阻抗匹配。
HDI阻抗匹配的挑戰(zhàn)
在 HDI 中實現(xiàn)阻抗匹配時,設計人員會遇到以下挑戰(zhàn):
在高密度互連HDI PCB設計中,組件具有較小的焊盤到焊盤間距,例如 BGA。間距小于或等于 0.65 毫米的 BGA 使布線和控制其寬度具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下,可以使用焊盤內(nèi)過孔和 BGA 逃逸布線技術。
帶有盲孔的焊盤中的過孔是一個優(yōu)勢,因為它們避免了過孔殘端,從而提高了信號完整性。
在需要阻抗控制布線的 HDI 板中,精心設計的走線和堆疊對于確保阻抗與信號標準一致至關重要。
為 HDI 阻抗調整設計走線寬度
走線的阻抗由其距參考平面的寬度和高度決定。在使用細間距 BGA 的 HDI 板中,仔細選擇走線寬度和高度以避開焊盤和焊盤中通孔之間的走線。
使用 HDI PCB設計中的 BGA 逃逸布線進行阻抗控制
在處理高密度互連時使用了幾個 BGA 組件。為了使走線進出高引腳數(shù)球柵陣列的底部,需要一種逃逸布線方案。在某些情況下,需要受控阻抗(例如 FPGA 和其他高速組件),BGA 逃逸布線可能具有挑戰(zhàn)性。
設計電路板時要使用的逃逸布線策略很大程度上取決于 BGA 間距,它定義了允許放置在焊球之間的走線寬度。走線的細度還取決于制造商的限制、層堆疊和必要的阻抗。選擇逃逸路由方案時,請記住以下準則。
用于中等層數(shù)的細間距 BGA 的逃逸布線技術從頸縮方法開始,因為跡線被布線進出 BGA。
外部走線可以直接布線到電路板上的第一排焊盤上。
球柵陣列上第二行焊盤的跡線寬度顯著減小,以便它可以安裝在第一行焊盤之間。
要到達其余行的內(nèi)墊,請穿過內(nèi)層。通常,每個信號層路由到兩行,同時限制阻抗和HDI 串擾。
Dogbone fanout 是最流行的 BGA 逃逸布線和扇出方法(如下圖所示)。這種扇出技術有助于在更靠近焊盤的焊盤中放置通孔。由于元件不是通過通孔直接焊接到焊盤上,因此不需要進行填充鍍覆。1 mm BGA 和 0.8 mm BGA 可能適用于狗骨扇出。
當 BGA 間距小于 0.5 mm 時,最好采用 microvia-in-pad 逃逸布線技術。微通孔直接放置在焊盤中,而不是將小跡線布線到焊盤的側面。為了防止焊料芯吸到電路板的背面,微孔填充有導電環(huán)氧樹脂并鍍有銅。
用于 BGA 逃逸布線的微孔
如果焊盤尺寸(包括圓環(huán))對于細間距 BGA 來說足夠小,則使用微孔進行內(nèi)層 BGA 逃逸布線。以下特征將微孔與傳統(tǒng)孔區(qū)分開來:
過孔長度:過孔最多只能穿過一層或兩層。如果標準厚度 PCB具有非常高的層數(shù),則通孔可以跨越更多層,但這需要額外的制造程序。盡可能使用跨越單層的堆疊盲孔和埋孔。
微孔縱橫比:微孔縱橫比(深度除以直徑)應為0.75:1。讓我們通過考慮 32 層厚板的示例來理解相同的內(nèi)容。由于層厚(對于 2 層磁芯)為 2 密耳,因此直徑不應小于 2.7 密耳。
微通孔只能安全地機械鉆孔到 8 密耳,但是由于頻繁的鉆孔斷裂,8 密耳的機械 PCB鉆孔費用可以接近激光鉆孔的價格。機械通孔的吞吐量低于激光鉆孔的通孔,因為必須小心地進行機械鉆孔以避免鉆頭斷裂。因此,一旦您開始使用激光鉆孔,您就會看到每塊板的總成本下降。
要在 0.8 毫米間距 BGA 上使用狗骨扇出,走線寬度必須為 10 密耳或更小,微孔必須更?。s 6 密耳)。對于更細間距的球柵陣列(0.5 毫米),使用填充和電鍍的焊盤內(nèi)微孔通過 7 mil 或 8 mil 走線布線到內(nèi)層中。這將在相鄰焊盤之間提供足夠的間距。
無論設計風格如何,微孔都可以堆疊或交錯排列,以達到所需的布線密度。通過IPC 6012要求,以確保微孔和周圍環(huán)形圈的尺寸具有最佳可靠性。焊盤內(nèi)微孔在 BGA 逃逸布線中的相關性可以通過以下事實來理解:BGA 間距在某些情況下可以低至 0.3 毫米。
如何放置盲孔以進行逃逸布線
內(nèi)層布線空間的盲孔方法。
盲孔是一種寶貴的 HDI 設計方法,可以釋放額外的內(nèi)層布線空間。當在通孔之間使用時,這些類型的過孔使內(nèi)層的布線空間加倍。它允許額外的走線連接內(nèi)部 BGA 行上的引腳。見上圖;在這里,在這個 1.0 毫米 BGA 表面上的通孔之間只有兩條走線可以逃逸。但是,現(xiàn)在盲孔下方可以有 6 條走線,這將布線空間增加了 30%。
使用這種方法,需要四分之一的信號層來連接高 I/O BGA。盲孔以十字、L 形或對角線圖案放置,以形成林蔭大道。電源和接地引腳分配決定了使用哪種配置。
以交叉、L 形或對角線形狀放置盲孔會在內(nèi)層上創(chuàng)建林蔭大道,以允許更高密度的布線和逃逸。
插圖顯示了放置盲孔以在 BGA 內(nèi)創(chuàng)建林蔭大道以改善突破。左:BGA 的傳統(tǒng) 4 象限扇出;右圖:添加了十字形盲孔,允許在內(nèi)層上創(chuàng)建的林蔭大道中增加 48 個逃逸通道,從而減少了突破器件所需的 4 個。
Happy Holden 解釋說:“每層可以連接更多的走線,還可以通過使用林蔭大道創(chuàng)建額外的布線空間來減少信號層的總數(shù)。盲孔用于創(chuàng)建四個十字形林蔭大道(如圖所示)。新設計的林蔭大道每層提供 48 個更多的逃逸通道(8 x 6 走線),并提高了內(nèi)部走線的信號完整性。它允許移除兩個布線層和兩個參考平面。”
此外,他說:“在電路板的次級側,可以觀察到使用盲孔創(chuàng)建林蔭大道的另一個優(yōu)勢。通孔橫跨整個電路板,但林蔭大道現(xiàn)在在 BGA 內(nèi)開放(如圖所示)。左圖顯示了由 BGA 下的 104 個過孔連接的 58 個分立器件。在右側,林蔭大道可以通過共享 366 個過孔連接 183 個分立元件。”
這些圖顯示了兩個 BGA 的背面。一種是帶有通孔的傳統(tǒng)象限扇出,允許 58 個分立器件。另一個利用林蔭大道的盲道,其中可以連接 183 個分立元件。
扇出部分長度和走線寬度
在使用高速 IC 時,阻抗幾乎總是一個因素。在檢查扇出部分的長度時,扇出布線和阻抗控制之間的關系開始發(fā)揮作用。由于過孔的走線長度(如果存在)和寄生電容/電感,BGA 扇出部分將具有其阻抗。
首先,檢查信號帶寬以確定信號是否會在走線阻抗上拾取。如果走線長度明顯小于對應于帶寬高端的波長,則可以忽略 BGA 扇出的走線部分。最好的方法是計算負載阻抗,它是扇出走線長度的函數(shù),以及由扇出走線創(chuàng)建的網(wǎng)絡輸入阻抗(頸縮后)。
對信號波長所需的長度使用 10% 的限制作為一個很好的近似值。對拐點頻率為 20GHz 的數(shù)字信號謹慎的 10% 限制將導致臨界長度為 0.73mm(FR4 基板中的帶狀線)。這意味著更大的 IC,比如 FPGA,需要為單端和差分對提供阻抗匹配的扇出。
過孔電感、電路板和焊盤之間的寄生電容以及 IC 中的引腳電感至關重要。低通T濾波器電路由這些部分組合而成。3dB 截止頻率只是可以從 LC 諧振電路評估的典型數(shù)字,前提是通孔電感設置為等于引腳電感。該 T 濾波器電路用作阻抗匹配電路,修改驅動器 IC 的輸出阻抗。
以通孔電感、電路板與焊盤之間的寄生電容以及引腳電感為主要部件的低通T濾波器電路。
如果不確定將扇出跡線連接到內(nèi)部跡線的過孔部分阻抗,則扇出部分的阻抗匹配是困難的。然而,只要過孔部分很短并且直接跨越幾層,這個事實就可以被忽略。包括通孔和內(nèi)部走線在內(nèi)的總輸入阻抗由跨越少量層的內(nèi)部走線阻抗決定。這就是為什么通常不考慮通孔阻抗的原因。
主要缺點是高速 BGA 組件(例如 FPGA)可能需要回鉆以去除 BGA 扇出下方的殘留通孔存根。使用 HDI 時,使用直徑非常小的盲孔、埋孔和激光鉆孔微孔(根據(jù) IPC 小于 6 密耳),這消除了背鉆孔并將通孔電感限制在跨越層的厚度。
由于層厚和到走線參考平面的距離會隨著層數(shù)的增加而減少,因此必須減小走線寬度以補償并將阻抗保持在適當?shù)闹?。如果您使用差分對,請考慮走線耦合。為了實現(xiàn)阻抗控制,帶有集成場解算器的PCB設計軟件可以幫助為 HDI 層堆疊設計正確的走線寬度。
為什么HDI PCB設計中走線寬度不能大于焊盤尺寸?
走線的寬度與其阻抗成正比,并且在您進入 HDI 狀態(tài)時起著至關重要的作用。過孔將變得非常小,以至于一旦走線寬度足夠小,就必須將它們制造為微孔。
如果阻抗控制的走線寬度過寬,要么減小PCB層壓板的厚度以縮小它,要么增加焊盤尺寸。從可靠性的角度來看,只要焊盤尺寸超過 IPC 標準中規(guī)定的數(shù)字就可以了。
為 PCB堆疊創(chuàng)建阻抗曲線,并將該寬度用作設計指南。在計算阻抗控制所需的寬度后,只需將此值指定為設計規(guī)則即可。最好針對建議的走線寬度執(zhí)行串擾模擬,以查看是否會導致過度串擾。
HDI 中的阻抗匹配與保持信號質量有關,因為組件和走線都間隔很近。因此,控制阻抗成為一項令人難以置信的任務。有效使用微孔是阻抗匹配 HDI 系統(tǒng)的關鍵。更細間距 BGA 的逃逸布線技術和狗骨扇出方法可用于實現(xiàn) HDI 中的阻抗匹配。
豐樂壹博專業(yè)PCB設計、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
上一新聞:在高速PCB設計中不要跨越地平面間隙
下一新聞:PCB設計放大器接線技巧