Řešíme skladbu vrstev desky: Stackup

Stackupem rozumíme skladbu vrstev vícevrstvé desky plošných spojů ve skutečném pořadí, včetně popisu jejich materiálů a typů, mechanických i elektrických vlastností, vzájemného vztahu těchto materiálů a souvisejících údajů. „Stackup“ můžeme psát v celku nebo s pomlčkou, oba způsoby se v literatuře vyskytují. Český význam termínu „Stackup“ představuje v oblasti desek plošných spojů navrstvení, skladbu. Nahrazení termínu „Stackup“ v tomto článku českým výrazem „Skladba vrstev“ není násilným novotvarem (jako např. nosoplenka), ale snahou o napsání pěkné české věty.

Obrázek 1 znázorňuje skladbu čtyřvrstvé desky MLB4 (Multi Layer Board 4) s nepájivou maskou po obou vnějších stranách, včetně servisního potisku. Vyobrazená deska používá k výrobě technologií SBU (Sequential Build-Up) na konvenční stavbě dvouvrstvé desky. Skladba vrstev může obsahovat i jiné materiály, například stínicí polymery, materiál k vytvoření geometrické kapacity (Embedded Capacitor Layers) nebo jiného určení, které – v případě jejich užití – také zakreslíme do správných pozic.

Obr. 1 Výkres skladby vrstev čtyřvrstvé desky

Ve skladbě vrstev definujeme také typy otvorů v desce uplatněné – průchozí pokovené a nepokovené, slepé (blind, neprůchozí – spojují vnější stranu s vnitřními) a pohřbené (buried, neprůchozí skryté – spojují vnitřní motivy, nejsou z vnějších stran viditelné). Informaci o použitých typech otvorů uvádíme zpravidla v levé části skladby. V dobách, kdy se používaly pouze průchozí otvory, nebyla obvykle levá část skladby graficky zobrazována.

Dokumentace je klíčem konstrukčního a hlavně výrobního procesu. Skladba vrstev je součástí výrobního výkresu dodávaného s výrobními daty výrobci neosazené desky plošných spojů. Skladba vrstev popisuje také impedanční poměry na jednotlivých vrstvách, udává jejich hodnoty, tolerance a určuje, zda deska bude vyráběna s řízenou nebo neřízenou impedancí zadaného typu na definovaných vrstvách. Podle požadavků na výrobu neosazené desky přibývají ve skladbě další sloupce s šířkami vodičů a jim odpovídající impedance a také typy impedančního vedení na konkrétních vrstvách.

Ve výrobním výkresu skladby vrstev desky uvádíme výslednou tloušťku desky, tj. po laminačním procesu v toleranci ± 10 %. Vyobrazení na obr. 1 představuje její nejnutnější podobu; bylo zhotoveno v aplikaci Microsoft Office Excel. K obr. 1 se budeme v článku vícekrát vracet přidáváním dalších sloupců s definovanými parametry budoucí vícevrstvé desky plošných spojů tak, jak bude pokračováno v jeho výkladu.

Abychom dostali od výrobce neosazené vícevrstvé desky s požadovanými vlastnostmi, musíme skladbu vrstev desky správně navrhnout a zkonstruovat.

Grafické zobrazení skladby vrstev ani její forma nejsou určeny žádným předpisem. Musí být přehledné, věcně správné s požadovanými údaji; viz například obr. 1. Různé CAD prostředky zobrazují sestavení vrstev materiálů v rozdílném provedení, ale obsahově se stejnými údaji – někdy rozšířenějšími, podle vybavenosti konkrétního softwaru a požadavků na desku plošných spojů.

Dnes nejpoužívanější CAD systémy pro návrh plošných spojů nabízí podporu pro zhotovení skladby. Je možné použít i specializované softwarové aplikace, např. Multical 6.0 [1]; ICD Stackup Planner [2]; Speedstack PCB [3] zahrnuje Si 800 m.

Vždy je nutné nechat ověřit vyrobitelnost námi vytvořené struktury skladby u zamýšleného výrobce PCB.

Jaká jsou kritéria a fakta, která předchází výběru řazení vrstev a jejich množství? Řešíme dvě základní skupiny soustav – routovací a napájecí:

Routovací soustavu tvoří způsob vedení signálových spojů. Tato soustava se dále dělí na standardní spoje, na velmi rychlá spojení s dalšími specifickými vlastnostmi, kde zahrnujeme do konstrukční osnovy i zpoždění průchodu signálu v prostředí desky se spoji, kterých se to týká. Na budoucí spojový obrazec nahlížíme z pohledu LC sítě, kde indukčnost a kapacitu tvoří průchozí otvory i plošné vodiče. Takto snadněji dosadíme k výpočtům dílčí parametry spojovacího obrazce, který se tak blíží skutečným poměrům na vyrobené desce (Analogicky to platí i o napájecí soustavě, která bude diskutována dále.). Diferenční spojení, krátké spojky obecně a spojení blížící se k elektricky dlouhým spojům vyžadující doplňkové komponenty. Za elektricky dlouhý spoj považujeme takový, jehož zpoždění průchodem v prostředí, ve kterém je veden, vynásobeno dvěma je větší než doba trvání náběžné nebo sestupné hrany. Takový spoj musí být impedančně přizpůsoben přidáním komponentů na takovéto vedení. Routovací oblast je pak dále dělena na analogovou a digitální.

Napájecí soustavu, PDS (Power Distribution System), tvoří rozvod napájení. Napájecí soustava musí mít impedanci menší než 2 mΩ. PDS vyžaduje velkou pozornost a dopředu správně nastavené parametry. Pro velmi vysoké spínací rychlosti (gigabity) je třeba také zaměřit pozornost na rezonanční frekvenci PDS.

K těmto dvěma základním skupinám musíme vyřešit EMC systém, který nám zajistí, aby zvenčí nepřicházely do obvodových struktur rušivé až zničující elektrické rozruchy, včetně elektromagnetického pole (EMI). Stejně tak EMC/EMI systém, v desce správně provedený, zajistí minimální rušení mimo desku plošných spojů, ať již vyzařováním, nebo šířením po kabelových svazcích. Zvláštní pozornost je třeba věnovat bočnímu vyzařování z desky, a to jeho správným ošetřením.

Společnou vlastností k očekávaným výsledkům je impedanční naladění – přizpůsobení. Výsledná impedance vedení závisí na čtyřech parametrech. Jsou to: tloušťka dielektrika mezi vrstvami, šířka plošného vodiče, permitivita prostředí a tloušťka vodiče.

Jaký je procentuální podíl těchto čtyř parametrů na výslednou impedanci elektrického vedení? V desce se nám vytváří varianty plošných spojů typu microstrip a stripline.

Tabulka 1 Vliv parametrů desky na výslednou impedanci spojů

Tato malá znalost z tabulky 1 nám umožňuje rychlou orientaci v tom, jak dosáhnout našich záměrů a jaký vliv ten který parametr na výslednou impedanci vedení má.

Používáním technologií vícevrstvých desek se snažíme dosáhnout pěti důležitých cílů:

• Signálové vrstvy by měly být naladěny (impedančně) ke své napájecí vrstvě.
• Signálové vrstvy tvoří se svými napájecími vrstvami uzavřené dvojice.
• Napájecí vrstvy Power a Ground Plane tvoří spolu uzavřené dvojice.
• Rychlé signály by měly být routovány na vnitřních vrstvách mezi napájecími vrstvami.
• Násobné napájecí vrstvy jsou velmi výhodné pro svou nízkou impedanci v deskách, je tak redukováno vyzařování (EMI).

Při návrhu skladby je potřeba respektovat šest důležitých faktorů:

• Počet vrstev desky.
• Konstrukci PDS, počet párů napájecích vrstev a typy napájecích vrstev.
• Stanovení a sekvence vrstev desky se signály; použité frekvence a dobu přeběhu, signálovou integritu.
• Stanovení mezer: tloušťku dielektrika mezi vrstvami, mezeru mezi vodiči, šířku vodičů
• Emise: třída A nebo B?
• Bude deska plošných spojů ve stíněném nebo nestíněném prostředí?

Vložením geometrické kapacity (Embedded Capacitor Layers) do PDS (Power Distribution System) do skladby vrstev zajistíme nejen vynikající vlastnosti napájecí soustavy, ale také redukujeme množství diskrétních kondenzátorů z vnějších vrstev, uvolňujeme tak plochy k integraci jiných funkcí realizovaných v desce, snižujeme montážní časy a hlavně zvyšujeme spolehlivost elektronického zařízení. Dodavateli jsou například Hadco (BC2000), 3M (C-Ply), DuPont (HiK), FaradFlex (BC24, BC16, BC12, BC8, BC12TM, BC16T), Matsushita (ZBC100, ZBC2000, MBC2000).

Tabulka 2 Doporučené varianty skladby vrstev

Doporučené varianty skladby vrstev (tabulka 2)

Na začátku rozvahy můžeme použít dokument [4] od PCB Libraries–NEW DIMENSION FOR EDA s názvem Layer Configuration.doc, který je volně dostupný na webové stránce (listopad 2004).

Konfigurace 04E dává za běžných podmínek nejlepší výsledky vzhledem k požadavkům platné legislativy. (Poznámka: S/P = Sig/PWR).

Běžná složitost obvodového řešení a počet součástek v něm obsažených umožnuje úspěšné vyřešení úkolu již na šesti vrstvách. Nejlépe jsou k tomu uzpůsobeny varianty 06E a 06F, která je vlastně obdobou k 06E.

Teprve se stavbou skladby na MLB8 můžeme v plné míře uplatnit potřeby ke splnění všech cílů diskutovaných v předchozí části. Zajímavých výsledků dosáhneme také s variantami 08K a 08F, kde můžeme implementovat do PDS materiály pro vytvoření geometrické kapacity.

Zdroj [4] uvádí varianty řazení vrstev až do MLB16. Pro náš účel není třeba tyto dále rozvádět. Jak pokračovat, je zřejmé již z uvedených příkladů a materiál je stále dostupný na webové stránce. Máme možnost vybrat si z uvedených příkladů ten, který nejlépe vyhovuje našim cílům.