زمانی از HDI استفاده کنید که ساختار متعارف PCB نتواند الزامات خروج مسیر از BGA، لایه‌ها، عملکرد الکتریکی و مونتاژ را در چارچوب یک فرایند تأییدشده توسط سازنده برآورده کند. تنها بر اساس گام گوی‌ها تصمیم نگیرید: گزینه‌های عملی مسیریابی را با یک نقشه پایه، مجموعه محدودیت‌های ساختار لایه‌ای و نیازهای راستی‌آزمایی یکسان مقایسه کنید.
این انتخاب هم بر هزینه ساخت و هم بر اتصالات قابل‌دستیابی بین لایه‌ها اثر می‌گذارد. برای جزئیات بیشتر، به هزینه PCB از نوع HDI و برنامه‌ریزی ویاهای کور و مدفون مراجعه کنید.
چرا گام گوی‌ها به‌تنهایی تکلیف استفاده از HDI را روشن نمی‌کند؟
گام گوی‌های BGA بخشی از فضای در دسترس برای مسیریابی را تعیین می‌کند، اما مسئله خروج مسیر را به‌طور کامل توضیح نمی‌دهد. دو پکیج با گام یکسان ممکن است از نظر تخصیص پایه‌ها، مسیرهای قابل‌استفاده، نیازهای تغذیه و زمین و محدودیت‌های الکتریکی متفاوت باشند.
نمونه چیدمان مسیریابی BGA. این تصویر به‌تنهایی ساختار ویاها یا چیدمان لایه‌های آن را مشخص نمی‌کند.
پیش از انتخاب ساختار ویا، این موارد را در نظر بگیرید:
- نقشه گوی‌ها و عملکرد پایه‌ها. گوی‌های سیگنال، تغذیه، زمین، بدون اتصال و رزروشده تعیین می‌کنند کدام مسیرها باید از محدوده پکیج خارج شوند و به کجا می‌توانند بروند.
- هندسه مسیریابی. پدها، فاصله‌های مجاز، عرض ترک‌ها و هرگونه کاهش عرض مجاز باید در فرایند ساخت موردنظر با یکدیگر سازگار باشند.
- کارکرد لایه‌ها. مسیری که مستلزم قربانی‌کردن صفحه مرجع یا توزیع تغذیه موردنیاز طراحی باشد، کارآمد نیست.
- رفتار الکتریکی. امپدانس، مسیرهای بازگشت، تداخل متقابل و گذارهای ویا ممکن است خروج مسیری را که از نظر هندسی امکان‌پذیر است محدود کنند.
- ساخت و مونتاژ. محل ویا، ساختار پد اتصال، لحیم‌پذیری و میزان مواجهه حرارتی باید با فرایندهای پیشنهادی سازگار باشند.
راهنمای مسیریابی خروجی AM62Lx شرکت Texas Instruments با شماره SPRADI2 نشان می‌دهد که برای یک قطعه و الگوی پایه مشخص می‌توان بدون میکروویا از سوراخ‌های متالیزه سرتاسری استفاده کرد. این شاهد مفیدی است که نشان می‌دهد بررسی خروج مسیر به روش متعارف ارزش دارد؛ اما ثابت نمی‌کند که یک BGA دیگر نیز به همان شکل عمل خواهد کرد.
راهنمای تعداد لایه‌ها در سند UG1099 شرکت AMD نیز پکیج، گام، چیدمان پایه‌ها، عرض مسیر و فناوری ساخت را از عوامل ورودی معرفی می‌کند. هرجا طراحی به کاهش عرض موضعی ترک نیاز دارد، به‌جای آنکه آن را راهکاری بی‌هزینه برای صرفه‌جویی در فضا بدانید، آن را هم با سازنده و هم با تیم یکپارچگی سیگنال بررسی کنید.
گزینه‌های خروج مسیر را با یک مجموعه الزام مقایسه کنید
هنگام مقایسه ساختارهای PCB، قطعه، نقشه پایه‌ها، الزامات الکتریکی و فرضیات مونتاژ را ثابت نگه دارید.
مقایسه فرضی
فرض کنید یک تیم طراحی در حال بررسی یک BGA با ابعاد پیرامونی محدود برد و چند سیگنال است که به مسیرهای مرجع تعریف‌شده نیاز دارند. تیم هنوز مشخص نکرده است که آیا خروج مسیرها به HDI نیاز دارد یا نه. این تیم سه گزینه آماده می‌کند:
- گزینه متعارف: سوراخ‌های متالیزه سرتاسری و مسیریابی روی لایه‌های سیگنال موجود.
- گزینه HDI محدود: استفاده از گستره‌های کوتاه‌تر ویاهای کور در نقاط لازم برای خروج مسیر، همراه با حفظ رویکرد متعارف در سایر بخش‌ها.
- گزینه HDI پیچیده‌تر: گذارهای بیشتر بین لایه‌ها، که در صورت برآورده‌نشدن الزامات توسط دو گزینه نخست، ممکن است شامل میکروویاهای روی‌هم‌چیده یا پلکانی باشند.
این‌ها گزینه‌های بررسی هستند، نه نتایج پیش‌بینی‌شده. برای هر گزینه، موارد زیر را ثبت کنید:
| مورد بررسی | آنچه باید مشخص شود |
|---|---|
| تکمیل مسیریابی | آیا همه اتصالات موردنیاز می‌توانند بدون نقض قواعد هندسی یا الکتریکی توافق‌شده از BGA خارج شوند و به مقصد برسند؟ |
| استفاده از لایه‌ها | چند لایه سیگنال لازم است و آیا لایه‌های تغذیه و مرجع موردنظر همچنان قابل‌استفاده‌اند؟ |
| اختلال در صفحات | آیا فاصله‌های اطراف ویا، آنتی‌پدها و گذارها مسیرهای بازگشت را قطع می‌کنند یا باعث تراکم ناخواسته می‌شوند؟ |
| گستره ویاها | اتصال بین کدام جفت‌لایه‌ها لازم است و آیا این گستره‌ها با ساختار لایه‌ای و توالی ساخت پیشنهادی سازگارند؟ |
| ساختار پد اتصال | آیا ویایی داخل پد لحیم‌پذیر قرار دارد؟ اگر چنین است، چه الزاماتی برای پرکردن، پوشاندن، پرداخت سطح و بازرسی اعمال می‌شود؟ |
| بررسی الکتریکی | آیا امپدانس، مسیرهای جریان بازگشت، گذارها و هرگونه کاهش عرض موضعی، الزامات طراحی را برآورده می‌کنند؟ |
| امکان‌پذیری و شواهد | آیا سازنده این ساختار را می‌پذیرد و چه شواهدی از بازرسی یا قابلیت اطمینانِ معرف موردنیاز است؟ |
پس از بررسی امکان ساخت توسط سازنده، گزینه‌ای را انتخاب کنید که با کمترین پیچیدگی لازم، الزامات را برآورده می‌کند. کمترین تعداد لایه همیشه بهترین انتخاب نیست: یک ساختار ممکن است تعداد لایه‌ها را کاهش دهد، اما باعث گسست‌های غیرقابل‌قبول در صفحه مرجع یا باقی‌ماندن ریسک‌های حل‌نشده مونتاژ شود.
از نقشه گوی‌ها به معماری لایه‌ها برسید
در یک بررسی اولیه خوب، اتصالات بر اساس عملکرد از هم تفکیک می‌شوند. مشخص کنید کدام گوی‌ها به مسیریابی نیاز دارند، کدام‌ها به تغذیه یا زمین متصل‌اند و کدام‌ها طبق مستندات قطعه رزرو شده‌اند یا محدودیت دیگری دارند. پیش از تعیین ساختار لایه‌ها، بررسی کنید آیا برای پکیج، راهنمای توصیه‌شده‌ای درباره خروج مسیر یا جانمایی وجود دارد یا نه.
سپس یک طرح اولیه برای لایه‌ها تهیه کنید:
- کارکردهای احتمالی سیگنال، مرجع و تغذیه را به لایه‌ها اختصاص دهید.
- مشخص کنید سیگنال‌های مهم در کدام بخش‌ها به مسیرهای مرجع پیوسته نیاز دارند.
- گذارهای موردنیاز بین لایه‌ها را مشخص کنید.
- بررسی کنید آیا خروج مسیر از BGA فضایی را اشغال می‌کند که قطعات، صفحات یا مسیرهای دیگر به آن نیاز دارند یا نه.
- معماری حاصل را با سازنده برد بررسی کنید.
ساختار لایه‌ای چیزی بیش از تعداد لایه‌هاست. آرایش مس و دی‌الکتریک، مواد، ضخامت‌ها، اهداف امپدانس و گستره ویاها بر یکدیگر اثر می‌گذارند. تغییری که برای ایجاد یک مسیر خروجی دیگر انجام می‌شود، ممکن است محیط الکتریکی یا توالی ساخت امکان‌پذیر را نیز تغییر دهد. راهنمای طراحی ساختار لایه‌های PCB نقطه شروعی برای مستندسازی این تصمیم‌های مربوط به لایه‌ها فراهم می‌کند.
برای پرسیدن اینکه آیا ساختار لایه‌ای قابل‌ساخت است، تا پایان مسیریابی صبر نکنید. ممکن است سازنده ساختار دیگری پیشنهاد دهد یا جزئیاتی را شناسایی کند که به تغییر چیدمان نیاز دارد. این پرسش‌ها را زمانی مطرح کنید که گزینه‌های جایگزین خروج مسیر هنوز عملی باشند.
گستره ویا را بر اساس اتصال انتخاب کنید، نه عنوان آن
گستره ویا مشخص می‌کند یک اتصال به کدام لایه‌ها می‌رسد. این اطلاعات در درخواست استعلام قیمت (RFQ) مفیدتر از آن است که صرفاً یک «برد HDI» درخواست کنید.
سوراخ‌های متالیزه سرتاسری
سوراخ متالیزه سرتاسری از میان ضخامت برد اتصال برقرار می‌کند. هرگاه آرایش پدها، کانال‌های مسیریابی، طرح لایه‌ها و الزامات الکتریکی اجازه دهند، می‌تواند گزینه‌ای عملی برای خروج مسیر از BGA باشد.
حضور آن در تمام ضخامت برد پیامدهایی نیز دارد. فاصله‌های لازم اطراف سوراخ سرتاسری در لایه‌هایی که سیگنال ممکن است از آن‌ها استفاده نکند فضا اشغال می‌کنند و این گذار ممکن است بخشی استفاده‌نشده از ویا باقی بگذارد که برای طراحی الکتریکی مهم است. این اثرات را در چارچوب سیگنال و ساختار لایه‌ای واقعی ارزیابی کنید؛ فرض نکنید هر سوراخ سرتاسری لزوماً بی‌ضرر یا نامناسب است.
ویاهای کور و مدفون
ویای کور یک لایه بیرونی را به یک لایه داخلی متصل می‌کند. ویای مدفون بدون رسیدن به سطح بیرونی، لایه‌های داخلی را به هم وصل می‌کند. استفاده مناسب از آن‌ها می‌تواند در لایه‌هایی که در غیر این صورت سوراخ سرتاسری اشغال می‌کرد، فضا آزاد کند.
این مزیت با تصمیم‌هایی درباره ساخت همراه است. گستره‌های درخواستی باید با ترتیب لایه‌ها سازگار باشند و ترکیب‌های مختلف گستره می‌توانند بر نحوه ساخت برد اثر بگذارند. هر جفت‌لایه موردنیاز را صریحاً نشان دهید. اگر یک گزینه برای تکمیل یک اتصال به چند گذار متکی است، به‌جای فهرست‌کردن جداگانه سوراخ‌ها، مسیر کامل را درج کنید.
میکروویاهای روی‌هم‌چیده و پلکانی
برخی خروج مسیرها ممکن است به گذار از بیش از یک فاصله بین لایه‌ای نیاز داشته باشند. بسته به ساختار، میکروویاها می‌توانند روی یکدیگر یا با جابه‌جایی نسبت به هم قرار گیرند.
هیچ‌یک از این دو آرایش، پاسخ همگانی به مسئله قابلیت اطمینان نیست. هندسه، مواد، فرایند ساخت و مواجهه حرارتی اهمیت دارند. از سازنده بخواهید پیکربندی واقعی را بررسی کند و شواهد توافق‌شده و متناسب با کاربرد را ارائه دهد. اگر چیدمان امکان استفاده از بیش از یک آرایش را دارد، پیش از تصمیم‌گیری اثرات آن‌ها را بر مسیریابی، صفحات و ساخت مقایسه کنید.
مقاله Microvia Reliability Failure Modes که در وب‌سایت IPC منتشر شده است، سازوکارهای خرابی وابسته به ساختار و کوپن‌های معرف را بررسی می‌کند. این مقاله برای طرح پرسش‌های بهتر، منبع زمینه‌ای مفیدی است، اما مقاله سال 2009 به‌خودی‌خود یک استاندارد اجباری و جاری IPC نیست.
ویا در پد را تصمیمی مربوط به ساخت و مونتاژ بدانید
قراردادن ویا در پد اتصال BGA می‌تواند در نقاط کم‌فضا گزینه‌های مسیریابی ایجاد کند. این کار الزامات پد لحیم‌پذیر را نیز تغییر می‌دهد. طراح، سازنده برد و مونتاژکار باید درباره سطح موردنظر و فرایندهایی که پس از آن انجام می‌شوند، درک مشترکی داشته باشند.
برای هر محل ویا در پد، این موارد را مستند کنید:
- هندسه پد اتصال و ویا، از جمله گستره لایه‌ای آن.
- ساختار موردنیاز برای پرکردن و پوشاندن ویا، مطابق توافق با سازنده.
- الزامات پرداخت سطح و پد لحیم‌پذیر.
- معیارهای بازرسی و پذیرش ویژگی تکمیل‌شده.
- میزان مواجهه حرارتی موردانتظار PCB در مونتاژ.
فرض نکنید یادداشتی با عبارت «ویا در پد» ساختار را به‌طور کامل تعریف می‌کند. همچنین نوع پرکردن یا پوشاندن را صرفاً از روی عادت مشخص نکنید؛ ابتدا تأیید کنید که با پد اتصال، ساختار لایه‌ای و فرایند مونتاژ سازگار است. راهنمای برنامه‌ریزی ویا می‌تواند به تبدیل این انتخاب‌ها به اطلاعات صریح برای ساخت کمک کند.
هنگام ایجاد فضای مسیریابی، از مسیرهای سیگنال محافظت کنید
ممکن است خروج مسیر روی یک لایه مسیریابی کامل به نظر برسد، اما در جای دیگری مشکل الکتریکی ایجاد کند. ترک، مرجع آن، هر گذار و مقصد را به‌صورت یک مجموعه بررسی کنید.
به‌ویژه به این موارد توجه کنید:
- پیوستگی مرجع. بررسی کنید وقتی سیگنال از پکیج خارج می‌شود و لایه را تغییر می‌دهد، چه اتفاقی برای مسیر بازگشت می‌افتد.
- گسست صفحات. فاصله‌های اطراف ویا و نواحی متراکم خروج مسیر را از نظر ایجاد بریدگی یا مسیرهای باریک در صفحات مرجع و تغذیه بررسی کنید.
- امپدانس. اهداف و تلرانس‌های موردنیاز را برای ساختارهای مربوطه مشخص کنید و بررسی کنید آیا ساختار لایه‌ای پیشنهادی از آن‌ها پشتیبانی می‌کند یا نه.
- کاهش عرض موضعی. محل و هندسه آن‌ها را مشخص کنید و در صورت نیاز، تأیید سازنده و تیم یکپارچگی سیگنال را بگیرید.
- گذارها. اثر الکتریکی مسیر واقعی ویا و هر بخش استفاده‌نشده از سوراخ سرتاسری را در نظر بگیرید.
- مسیرهای کوپل‌شده. اطمینان حاصل کنید سیگنال‌های تفاضلی یا سایر سیگنال‌های کوپل‌شده می‌توانند هندسه موردنیاز خود را در خروج مسیر و گذارها حفظ کنند.
اگر کوپن امپدانس یا گزارش TDR بخشی از برنامه راستی‌آزمایی توافق‌شده است، باید آن را در برابر ساختار لایه‌ای تعریف‌شده و شرایط آزمون تفسیر کرد. این گزارش به‌طور خودکار ثابت نمی‌کند که همه مسیرها یا محصول نهایی الزامات خود را برآورده می‌کنند. به نحوه خواندن گزارش TDR کوپن امپدانس مراجعه کنید.
راستی‌آزمایی را بر اساس ساختار واقعی برنامه‌ریزی کنید
نقشه‌ای که از نظر فنی قابل‌قبول به نظر می‌رسد، معادل شواهدی نیست که نشان دهد یک ساختار مشخص برای کاربردش مناسب است. پیش از انتشار طرح برای ساخت، درباره مواردی که بررسی می‌شوند و شواهد موردنیاز توافق کنید.
در محدوده ساخت PCB، از سازنده بخواهید امکان‌پذیری ساختار لایه‌ای، گستره‌ها، ساختار پدهای اتصال و هندسه‌های مرتبط پیشنهادی را تأیید کند. درباره الزامات بازرسی و پذیرش ویژگی‌های مهم برای طراحی توافق کنید. هرجا به شواهد قابلیت اطمینان نیاز است، بپرسید این شواهد تا چه اندازه نماینده ساختار لایه‌ای، ساختار ویا، مواد و سابقه حرارتی موردانتظار واقعی هستند.
مونتاژ مجموعه دیگری از شرایط را اضافه می‌کند. میزان مواجهه حرارتی موردانتظار و الزامات پد لحیم‌پذیر را اعلام کنید و جزئیات ساخت را با فرایند مونتاژ هماهنگ سازید. نتیجه بازرسی ساخت به‌تنهایی موفقیت مونتاژ را ثابت نمی‌کند.
تأیید صلاحیت سیستم نهایی فعالیتی جداگانه است. پذیرش PCB یا مونتاژ به‌تنهایی عملکرد محصول را در کاربرد و محیط موردنظر آن اثبات نمی‌کند. تیم پروژه باید هرگونه تأیید صلاحیت در سطح سیستم را که برای آن کاربرد لازم است، تعریف کند.
هرجا استانداردها یا مستندات قطعه بخشی از معیارهای پذیرش هستند، سند و ویرایش قابل‌اعمال را در الزامات پروژه مشخص کنید. به‌جای ساختار تأییدشده توسط سازنده و اعتبارسنجی ویژه پروژه، از یک حد همگانی فرضی برای میکروویا، تعداد لایه‌های روی‌هم‌چیده یا تعداد چرخه‌ها استفاده نکنید.
یک RFQ تهیه کنید که سازنده بتواند با آن طرح را ارزیابی کند
یک RFQ قابل‌اقدام برای HDI هم برد و هم تصمیم‌هایی را که هنوز نهایی نشده‌اند توصیف می‌کند. موارد زیر را در صورت کاربرد درج کنید:
- اطلاعات پکیج: مشخصات قطعه، نقشه پکیج، نقشه گوی‌ها و توصیه‌های مرتبط با قطعه.
- داده‌های طراحی: فایل‌های فعلی چیدمان و ساخت، همراه با مشخص‌کردن نواحی بحرانی و هر گزینه حل‌نشده برای خروج مسیر.
- معماری لایه‌ها: ساختار لایه‌ای پیشنهادی، کارکرد لایه‌ها، الزامات ضخامت برد و الزامات مواد.
- اطلاعات ویا: گستره‌های لایه‌ای موردنیاز، محل‌های ویا در پد، آرایش‌های پیشنهادی روی‌هم‌چیده یا پلکانی و الزامات پرکردن و پوشاندن.
- الزامات الکتریکی: اهداف و تلرانس‌های امپدانس، ساختارهای مربوطه و هر ناحیه‌ای که به بررسی ویژه گذار یا کاهش عرض موضعی نیاز دارد.
- سطح و تعداد: پرداخت سطح، تعداد و سایر الزامات سفارش که برای ارزیابی ساخت لازم‌اند.
- مواجهه در مونتاژ: سابقه حرارتی موردانتظار مونتاژ و نیازهای پد لحیم‌پذیر.
- پذیرش: اسناد و ویرایش‌های قابل‌اعمال، الزامات بازرسی و هرگونه شواهد قابلیت اطمینان موردنیاز برای کاربرد.
از سازنده بخواهید بازخورد امکان‌پذیری، ساختار پیشنهادی خود، تغییرات لازم در طراحی و موارد بازرسی و شواهد معرف قابل‌توافق برای پروژه را ارائه کند. اگر درباره الزامی هنوز تصمیمی گرفته نشده است، به‌جای آنکه سازنده را به حدس‌زدن واگذار کنید، آن را به‌عنوان پرسش باز مشخص کنید.
وقتی مقایسه گزینه‌های خروج مسیر و بسته RFQ آماده شد، می‌توانید با ارائه ساختار پیشنهادی و پرسش‌های باز، از APTPCB استعلام قیمت بگیرید یا با APTPCB تماس بگیرید. برای آشنایی کلی با این دسته از بردها، به PCB از نوع HDI مراجعه کنید.