Проектирование от печки – Трассировка высокоскоростных цифровых печатных плат

Классы цепей

– POWER (включая GND) – стандартная ширина трассы 0.3 мм, минимальная 0.15 мм, максимальная – 1 мм;

– ВЧ интерфейсы: DDR, PCIe, SATA, SPI, JTAG и пр. выше 1 Мбит;

– другие критичные цепи: Voltage Sense, PWM и т. п.

Импедансы

Дифференциальные (DIFF) 100 Ом:

– 1GBASE-T (1 Гбит Ethernet) (без вариантов т.к. передача двунаправленная, кодирование PAM-5, отражения недопустимы)

– SATA Gen3 (допускается 85 Ом, т.к. передача однонаправленная, приемник терминированный, кодирование NRZ, влияние отражений невелико)

– HCSL PCIe Clocks (импеданс может быть любым, но одинаковым на всей протяженности линии, передатчик должен быть согласован. Отражения могут влиять на джиттер)

Дифф. 85 Ом:

– PCIe Gen4

Однонаправленные (SE – Single Ended) 50 Ом:

– CMOS Clocks

– JTAG

– SPI

Все прочие SE трассы сделать минимальной ширины

На данном этапе можно сделать все дифпары шириной/зазором 0.125/0.125 мм для простых плат и 0.1/0.1 мм для сложных плат, и SE сигналы соответственно 0.125 и 0.1.

Задавать зазоры на этом этапе не имеет смысла.

Для современных высокоскоростных цифровых печатных плат (ВЦПП) характерно преобладание PCIe среди ВЧ интерфейсов. Логично, чтобы дифпары 85 Ом были минимального размера (100/100 или 75/75 мкм).

От BGA напрямую зависят требуемое количество слоев, ширины проводник/зазор и размер виа.

Фанаут

На этом этапе делается фанаут всех BGA (Ball Grid Array) микросхем на плате. Каждую используемую площадку нужно вывести на виа. Обычно это делается трассами под углом 45°, идущими наружу от центра МС.

В случае сложного паттерна выводов нужно подключить виа прямым отрезком трассы под оптимальным углом отличным от 45°.

Слеудет определить подходящий размер виа. Оптимальный самый дешевый в производстве размер отверстия/площадки виа – 0.2/0.45 мм. Для более мелкого шага BGA может потребоваться уменьшить виа, разместить виа в площадке МС, использовать микровиа и пр. Это решается исходя из экономической целесообразности ориентируясь на выбранного производителя ПП.

На рисунке показан распространенный вариант BGA МС с шагом выводов 1 мм.

В случае с BGA с шагом 0.8:

Более экзотичный случай – BGA с шагом 0.65.

В случае применения более мелких виа оно должно быть ограничено зоной под соответствующей BGA МС. На всей остальной плате использовать 0.2/0.45 – так дешевле.

Чтобы обеспечить оптимальный выбор виа, нужно убедиться, что размер площадок BGA соответствует IPC-7321. Размер площадки зависит от номинального диметра шарика.

Обычно используются площадки NSMD (Non Solder Mask Defined), другое название – Collapsing, т.к. соединение в этом случае прочнее. Размер площадки задается медью, а маска просто вырезается в соответствии с выбранными нормами (обычно 0.05 мм).

Для питания можно применять площадки SMD (Solder Mask Defined), другое название – Non-Collapsing. Размер площадки задается вырезом в маске, а медь под площадкой сплошная.

При этом никак модифицировать площадку не нужно, достаточно просто залить пространство вокруг полигоном меди. Диаметр SMD площадки A должен быть равен диаметру выреза маски NSMD площадки.

SMD и NSMD площадки можно сочетать произвольно для одной МС.

Для всех проводников в зоне BGA следует задать минимальные ширину и зазор, достаточные, чтобы они пролезали. Зачастую это 0.1/0.1 мм. За границей зоны BGA проводники должны сразу приобретать геометрические параметры, необходимые для соблюдения импеданса.

Зона BGA с точки зрения целостности сигналов считается необходимым злом.

Для изготовления виа сверлится отверстие, после чего выполняется металлизация толщиной 25 мкм. Процесс изготовления виа закрытого медью включает больше шагов, но результат практически не отличается, за тем исключением, что площадка виа ровная и сплошная. Такие виа используют под площадками BGA.

Декаплинг

Конденсаторы под BGA (и другими МС) делятся на 3 группы:

– 0402, 0201;

– 0805, 0603;

– Bulk.

Требуемая суммарная емкость:

Можно начать исходя из принципа 1 конденсатор 0402 или 0201 0.1 мкФ на одну пару питание-земля и модифицировать количество конденсаторов, если они не помещаются.

В случае, если конденсаторы не помещаются в непосредственной близости от виа, следует подрезать площадки конденсаторов. Если этого недостаточно, можно разместить площадки конденсаторов в виа. Если и это не получается, можно рассмотреть использование микровиа.