Методы определения необходимого количества слоев многослойной печатной платы

Степанова Елизавета Андреевна

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

340

УДК 62137 Е. А. СТЕПАНОВА

Омский государственный университет путей сообщения

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНОЙ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

В данной статье описаны три подхода к определению необходимого количества слоев многослойной печатной платы. Рассмотрены достоинства предложенных методов и их недостатки. С помощью метода математической индукции доказаны утверждения и формулы, необходимые для расчета количества слоев. Представлены результаты, полученные опытным путем.

Ключевые слова: процессор, слой, микросхема, печатная плата, полное однослойное звено.

В настоящее время при разработке радиоэлектронных устройств чаще всего используют многослойные печатные платы [1]. Важным этапом проектирования многослойной печатной платы является определение необходимого количества слоев. Для минимизации числа слоев требуется выполнить верхнюю и нижнюю оценку этой величины. Основное количество слоев в многослойных печатных платах используется для разводки элементов в корпусах типа BGA. Как правило, это процессоры или ПЛИС, которые могут иметь до 500 и более планарных выводов.

Рассмотрим стандартный BGA-корпус. Для примера возьмём современный телекоммуникационный процессор NVCom-01 производства ГУП НПЦ «Элвис» (рис. 1) [2]. У микросхемы NVCom-01 имеется 400 (считаем эту величину за 100%) выводов на корпусе, 97 (24,25%) из которых предназначены под питание, 97 (24,25%) под землю, 6 (1,5%) под передачу частоты и 66 (16,5%) не используются. Для сравнения, микросхема ADSP-TS203S производителя Analog Devices содержит 576 (100%) выводов, 170 (29,5%) предназначены под питание, 158 (27,4%) под землю, 10 (1,7%) под передачу частоты и 60 (10,4%) не используются (рис. 2) [3]. Последний пример позволяет выявить некоторую закономерность в использовании выводов в BGA-корпусах.

Теперь рассмотрим закономерность увеличения числа слоев от увеличения количества выводов микросхемы (рис. 3). Методом полного перебора в случае микросхем, изображенных на рис. 3а и 3б для разводки потребовался всего один слой. В случае микросхем 3в, 3г, 3д и 3ж — два слоя, в случае микросхем 3з и 3и — три слоя, в случае микросхемы 3к — уже четыре слоя. Представим эту зависимость в виде табл. 1. Из рис. 3б видно, что максимальное количество выводов микросхемы, которое можно развести на одном слое — 4. Соответственно, микросхему 2x2 назовем полным, однослойным, звеном.

Из зависимости, представленной в табл. 1 видно, что, начиная с микросхемы 5x5 выводов, через каждые два шага происходит увеличение на один слой. Соответственно, для того, чтобы выполнить разводку процессора NVCom-01, который имеет структуру 20x20 выводов, необходимо девять слоев.

Из представленной в табл. 1 зависимости сформулируем следующее утверждение:

— количество слоев S платы, на которую устанавливается. микросхема в корпусе BGA с количе-

ством выводов nxn, рассчитывается как целая часть выражения

S -

n-1 ’ 2

(1)

при п>5.

Очевидно, что данное утверждение эквивалентно следующим двум утверждениям:

—количество слоев S платы., на которую устанавливается. микросхема в корпусе BGA с количеством. выводов пхп, рассчитывается, как целая часть выражения

S =

n-1 2

при нечетном п>5;

—количество слоев S платы, на которую устанавливается. микросхема в корпусе BGA с количеством. выводов пхп, рассчитывается, как целая часть выражения

S -

n - 2 2

(2)

при четном п>6.

Докажем эти утверждения при помощи метода математической индукции.

19,00 мм

,1,00 мм

ОФО

ООО

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ООО

оф

оо

21,00 мм

Рис. 1. Корпус микросхемы NVCom-01

Рис. 2. Корпус микросхемы ADSP-TS203S

Для случая л = 5 утверждение истинно, исходя из табл. 1. Предположим, что утверждение истинно и при п = к, т.е. количество слоев

5 = -

к-1 2

Тогда увеличение количества выводов к на 2 приведет к появлению одного дополнительного слоя. Иначе говоря,

5

к -1 (к + 2)-1

2

5=

к - 2 2

Тогда увеличение количества выводов к на 2 приведет к появлению одного дополнительного слоя. Иначе говоря,

5

к - 2 (к + 2) - 2

2

что полностью соответствует утверждению 1.

Аналогично докажем утверждение 2. Для случая п=6 утверждение истинно, исходя из табл. 1. Предположим, что утверждение истинно и при п = к, т.е. количество слоев

что полностью соответствует утверждению 2.

Что и требовалось доказать.

Из доказанного выше утверждения, можно сделать вывод, что создание микросхем, в виде квадрата с четным, количеством, выводов на стороне является. более рациональным. Действительно, как видно из табл. 1, при разводке микросхемы 9x9 и 10x10 потребуется четыре слоя.

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

ООО

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ООО

ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО о о_о ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО

-------н

0 0 0 0-0 о о о olo о о о о;о о о о ою о о о о!о о о о о!о

ООО 0|0 ООО 0-0

ООО olo о_о о_о:о OOGLO'O OOGODiO О О Glv >!о о о сЕ >|о о о eft >-о о о <г> >1о о о сЕ >:о о о бГфю оо? о о

ж

ООО

о о о ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО

ООО

о о_о ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО

ООО

Таблица 1 Зависимость количества слоев от числа выводов

I

Переходное отверстие - Проводник

Рис. 4. Определение необходимого количества слоев на примере микросхемы NVCom-01

Число выводов в столбце X строке Количество слоев

1х1 1

2х2 1

3х3 2

4х4 2

5х5 2

6х6 2

7х7 3

8х8 3

9х9 4

10х10 4

20х20 9

Исходя из анализа конструкции корпуса микросхемы типа BGA, выполненной в виде квадрата, можно сделать вывод, что при. расчете необходимого количества слоев будет, достаточно учитывать лишь % часть корпуса (рис. 4).

Итак, если разделить весь корпус микросхемы на четыре части, получим квадрат 10x10. Получилось, что на одну сторону микросхемы нужно развести 10 выводов.

В подавляющем большинстве современных микросхем типа BGA выводы GND располагаются в центре, соответственно, для разводки представленной выше микросхемы понадобится менее 10 слоёв.

Под землю и питание всегда закладываются по отдельному слою. В рассматриваемой микросхеме используются два напряжения питания 3,3 и 1,2 В, как правило, для каждого напряжения питания быть предусмотрен отдельный слой.

Для передачи сигналов частоты (тактовые сигналы, подключение резонатора и т.п.) также используется отдельный слой.

Число слоев земли (GND) определяет количество сигнальных слоев. Всего микросхема NVCom-01 содержит 134 сигнальных вывода.

С учетом всех сделанных замечаний, для определения количества слоев многослойной печатной платы с микросхемами в корпусе BGA, а также доказанных выше утверждений 1 и 2 и формул 1 и 2, можно составить следующую формулу:

SIG

-1

■ + lgnd + lpwr + lfreq ,

(3)

для нечетного -JPsig * 5

L yiPSia - 2 + L + L + L

L =------2-----+ LGND + lpwr + lfreq -

(4)

Следует заметить, что при выводе данной формулы мы полагаем, что выводы земли, питания и неза-действованные выводы микросхемы располагаются равномерно на всей площади корпуса. Также предполагается, что задействованы все сигнальные выводы. Если это не так, то значение Р следует корректировать.

Если посчитать по этой формуле количество сло-ёв для микросхемы 20x20 (без учета LGNDl LPWR и LFRE0), то получим:

1 =

JPsiG л/20-20

= 10 .

для четного 4PSSIG * 6

где PSIG — общее количество сигнальных выводов микросхемы; LGND — количество слоев земли; LpWR — количество слоев питания; L^„™ — число слоев под

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

' FREQ ^

передачу сигналов частоты.

В табл. 1 микросхеме 20x20 соответствует девять слоев. Разница объясняется тем, что эта формула не учитывает вариативности в способе разводки, и она является нижней оценкой.

Определим необходимое количество слоёв для микросхемы NVCom-01 исходя из количества сигнальных выводов. Количество слоев земли возьмем 2

.

2

Получилось, что для NVCom-01 необходимо 11 слоев. Данное значение является верхней оценкой этого способа расчета.

Этот способ не учитывает вариативность в способах проведения проводников (рис. 3) так, как учитывают значения, полученные опытным путем в табл. 1.

Как правило, выводы земли расположены в центре микросхемы в виде квадрата или прямоугольника, часть выводов питания так же расположены в центре (рис. 2). Если обратиться к данным по процессорам NVCom-01 и ADSP-TS203S представленным выше, то видно, что выводы земли составляют примерно 27% от всех и выводы питания — примерно 26%. То есть рассматриваемое значение п сократится на

.

L

2

Если учесть эту особенность, формулы 1 и 2 можно модифицировать следующим образом:

S =-

n -Д-1

S=

2

n -Д-2 2

(5)

(6)

Учтем количество слоев земли, питания, число слоев под передачу сигналов частоты

S

n -Д-1

2

■ + lgnd + lpwr + lfreq

(7)

n - Д-2 2

■ + lgnd + lpwr + lfreq (8)

Подставим значение n для процессора NVCom-01 в формулу 8

S =

п-Д-2

2

20 0,6-2

+ Lgnd + Lpwr + Lfreq '■

+ 2 + 2 + 1 = 10.

Очевидно, что при учете особенности распределения выводов на корпусе микросхемы можно значительно сократить расчетное значение количества слоев. Для микросхемы NVCom-01 количество слоев составило 10, вместо ранее рассчитанных 11-ти.

Итак, выше были рассмотрены три подхода к определению необходимого количества слоев многослойной печатной платы.

Первый или опытный путь представлен табл. 1. Его достоинством является то, что все значения экспериментально проверены методом полного перебора и доказаны с помощью метода математической индукции. Недостаток этого метода заключается в том, что он предполагает использование всех имеющихся выводов микросхемы, и к полученному значению еще следует прибавить слои земли, питания и частоты.

Второй способ предполагает выполнять расчет количества слоев с учетом расположения выводов земли и питания на корпусе микросхемы. Достоинством такого расчета является то, что расчетное количество слоев получается значительно меньше, а недостаток заключается в том, что требуется индивидуально учитывать особенности расположения выводов для конкретной микросхемы.

Третий расчетный метод учитывает количество использованных выводов микросхемы- слои предназначенные под землю- питание и частоту. Недостаток его заключается в том- что он предполагает, что все выводы (сигнальные- питание, земля, частота) расположены равномерно на всей поверхности микросхемы.

Также представлен подход по расчету необходимого количества слоев с учетом лишь % части микросхемы. Достоинством этого подхода является то- что рассматриваемое количество выводов уменьшается. Недостаток же у него в том- что количество направлений вывода проводников сокращается с 4 до 2.

В результате были получены формулы для расчета количества слоев многослойной печатной платы для четного и нечетного n (формула 7- 8)- которые учитывают все вышеперечисленные подходы.

Следует отметить- что представленная методика служит лишь для получения оценочных значений-так как невозможно учесть индивидуальность подхода каждого разработчика к процессу разводки. Конечное количество слоев зависит от способа разводки- расположения и типа микросхем- количества слоёв земли- питания- расположения выводов на конкретном корпусе.

Библиографический список

1.Картер- Б. Техника разводки печатных плат. — EDA Expert. 2004. № 8. С. 63 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.eurointech.ru/EDA_Expert/EDA_Expert_8_ 63_70.pdf (дата обращения: 15.01.2012).

2.Микросхема интегральная NVCom-01. Руководство пользователя / ГУП НПЦ «Элвис». версия 217009. С. 353 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://multicore.ru (дата обращения: 15.01.2012).

3.ADSP-TS203S. Data Sheet Rev C- 12/2006/ [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.analog.com/static/ imported-files/data_sheets/ADSP-TS203S.pdf (дата обращения: 15.01.2012).

СТЕПАНОВА Елизавета Андреевна- аспирантка кафедры системы передачи информации.

Адрес для переписки: e-mail: lizadumnova@mail.ru

Статья поступила в редакцию 20.02.2012 г.

Книжная полка

621.382/Б43

Белоус, А. И. Основы схемотехники микроэлектронных устройств [Текст] / А. И. Белоус, В. А. Емельянов, А. С. Турцевич ; авт. предисл. Ж. И. Алферов. - М. : Техносфера, 2012. - 471 с. : рис., табл. - (Мир электроники).

В книге представлен анализ особенностей работы, методы проектирования и основы практического применения цифровых микросхем в составе современных микроэлектронных устройств, предложен большой набор эффективных схемотехнических решений базовых элементов, приведено детальное описание принципов работы и правил применения современных базовых элементов в составе микроэлектронных устройств.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Степанова Елизавета Андреевна

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Степанова Елизавета Андреевна

The calculation methods of the number of layers of multilayered printed-circuit board

Текст научной работы на тему «Методы определения необходимого количества слоев многослойной печатной платы»