Domanda:
Il disaccoppiamento dei condensatori su ciascun pin VDD su un minuscolo chip WLCSP / µBGA a 36/49 sfere è davvero necessario?
thefool
2017-06-20 21:00:09 UTC
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Ho cercato questa e molte altre fonti su Info sul disaccoppiamento del posizionamento dei condensatori, ma non sono riuscito a trovare alcuna informazione abbastanza specifica per il mio problema attuale.

Attualmente sto realizzando un layout PCB per un microcontrollore WLCSP minuscolo e con passo ultra fine. È 3x3 mm e ha 49 sfere (7x7) con un passo di 0,4 mm, e ne sto guardando un altro con 36 sfere (2,1x1,9 mm con un passo di 0,35 mm). Ci sono un paio di coppie di pin VDD e VSS, e sfortunatamente non tutte sulle sfere esterne. Ho provato a posizionare tutti i cappucci di disaccoppiamento consigliati il ​​più vicino possibile alle coppie di pin e collegarli con le tracce più corte possibili, come tutti consigliano. Tuttavia, sto riscontrando problemi di instradamento e mi sono reso conto che provare a mantenere un condensatore su ogni coppia di pin di alimentazione porta effettivamente a tracce molto più lunghe rispetto a quando collegassi solo alcuni dei pin tra loro, quindi alcuni dei i pin di alimentazione condividono un singolo condensatore.

Ho capito che ogni coppia di pin di alimentazione idealmente dovrebbe avere il proprio condensatore. Non sono sicuro al 100% di tutte le ragioni, ma la mia comprensione è principalmente per garantire tracce più brevi-> minore impedenza, e quindi migliore "stabilizzazione" (locale) della tensione di alimentazione. E ovviamente per separare l'analogico dal digitale, ma poiché il mio circuito è solo digitale, al momento non è la MIA preoccupazione.

Ora mi chiedo se questo sia ancora vero per dispositivi così piccoli, dove potrei, ad esempio, posizionare un singolo condensatore sul lato inferiore, proprio sotto il mio componente, e fare in modo che tutte le mie tracce Vdd e GND lo raggiungano con un singola via e traccia inferiore a 1 mm. 1) Perché dovrei metterne 2 o tre lì? 2) Sarebbe meglio o peggio se non ci fosse più spazio per dire il terzo tappo, e la mia prossima migliore opzione sarebbe quella di posizionare il terzo condensatore accanto al chip sullo strato superiore, ma richiede due vie e una traccia di 3 mm lunghezza per raggiungerlo, rispetto ad una singola via e 1mm tracciare il primo o il secondo Condensatore già sotto il PCB?

L'LDO di alimentazione con un condensatore più grande (2.2 o 4.7uF sarà forse 5 mm più lontano ...)

Grazie per qualsiasi informazione utile.

Dovrebbero essere presenti le note applicative del produttore sul layout PCB consigliato e sul fan-out di alimentazione / segnale.Pin Vdd diversi potrebbero alimentare internamente blocchi digitali diversi e potrebbero avere un rumore incrociato indesiderato se solo legati insieme.Ecco perché sono chiamati "disaccoppiamento".Quanti strati ci sono nel tuo progetto PCB?E i limiti maggiori non sono necessariamente migliori ai fini del disaccoppiamento delle linee elettriche.
Inoltre, quale livello di tecnologia stai già utilizzando?Stai usando microvias per evitare vias sotto la parte occupando spazio sul lato posteriore opposto alla parte?Stai usando condensatori 0201 o 01005?
Grazie per i vostri commenti ... Sono ancora su 0402 al momento, ma probabilmente andrò a 0201 se necessario, non a 01005 però.
Non sono riuscito a trovare un fanout consigliato.La parte è STM32F411CEY6, se sei interessato.Sì, capisco internamente il ragionamento tra i diversi blocchi digitali e quindi la raccomandazione per i singoli cappucci di disaccoppiamento.Tuttavia, tutti i pin vdd saranno legati insieme ad un certo punto, e questo è il nucleo della mia domanda: ha davvero senso usare due cappucci di disaccoppiamento separati, se le due linee Vdd sono legate insieme solo 1 mm più lontano (cioè probabilmente ci saràessere diafonia con o senza i tappi)?Progettazione PCB a 4 strati, btw.
Stai rompendo questa parte su un singolo strato o stai usando le vie all'interno dell'impronta per rompere le tracce sul retro?
Alcuni commenti specifici: "posiziona un singolo condensatore sul lato inferiore" - suona bene, ma se questo è il tuo unico limite, meglio renderlo un po 'più grande di 0.1uF (0.47 o 1uF ma ancora in un piccolo pacchetto), e mettere unpaio di vie accanto a ciascuno dei suoi pad."faccio in modo che tutte le mie tracce Vdd e GND lo raggiungano con una singola via" - che d'altra parte non è così eccezionale.Vuoi potenza e piani di terra per la capacità distribuita e vuoi più vie dai pin di alimentazione e di terra ai piani (per un'induttanza ridotta).
"Tracce Vdd e GND" - hmm aspetta, tracce?ok, davvero non sarebbe preferito.aerei sì, tracce no, a meno che tu non abbia davvero altra opzione.pin - via (proprio accanto al pin) - plane, questo è quello che vuoi
Cinque risposte:
B. Kraemer
2017-08-10 18:17:43 UTC
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Non è necessario posizionare i condensatori di disaccoppiamento il più vicino possibile (o anche direttamente) ai pin di alimentazione. Assicurati invece di utilizzare un piano VDD e VSS. Collegare i pin di alimentazione del microcontrollore il più direttamente possibile a questi piani utilizzando i via. Quindi, posiziona i condensatori di disaccoppiamento in un luogo vicino dove ti si addice meglio. Collega questi condensatori di disaccoppiamento direttamente ai piani usando di nuovo i vias.

Perché funziona? Alle frequenze di funzionamento del controller, l'impedenza di alimentazione dovrebbe essere bassa. I condensatori sono a bassa impedenza nell'intervallo di ca. Da 100 kHz a 20 MHz. (Comunque, a circa alcune decine di MHz, la capacità del piano sta lentamente prendendo il sopravvento.) Ma questo funziona solo se i condensatori sono collegati tramite un percorso a bassa induttanza. L'idea alla base del posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento accanto ai pin di alimentazione è di ridurre l'induttanza tra loro e i pin di alimentazione. Ora, l'aereo non ha quasi nessuna induttanza. Il posizionamento dei condensatori non ha quasi alcun impatto se si utilizzano aerei. Abbiamo utilizzato con successo "isole dei condensatori" ben definite, invece dello scattering dei condensatori, su PCB relativamente grandi.

Un altro suggerimento: prova a posizionare le vie VDD e VSS del condensatore l'una vicino all'altra, poiché ciò riduce l'induttanza dal condensatore al piano.

Anche con un aereo, un disaccoppiatore a 10 mm di distanza da un pin potrebbe non * sembrare esistere * a seconda dei segnali coinvolti.
Cursorkeys
2019-02-06 17:58:30 UTC
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Aggiungerei cautela a @B.Risposta di Kraemer.Sebbene possa funzionare se implementato correttamente, ho riscontrato personalmente problemi di compatibilità elettromagnetica con gli strati del piano di alimentazione che sono stati risolti spostando i condensatori di disaccoppiamento più localmente per ridurre l'area del loop.

Sto aggiustando il progetto di un'altra persona attualmente in cui sono stati utilizzati piani parziali e un po 'di disaccoppiamento non era locale (circa 15 mm) alle coppie di pin Vdd / Vss su un microcontrollore.Il pin Vdd interessato stava scendendo da 3v3 a ~ 700mV in soli 7ns quando il pin "suonava", causando sporadici ripristini Brown-Out.Il disaccoppiamento locale ha risolto questo problema.

Alex I
2019-02-06 19:24:13 UTC
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In breve: no, ogni pin di alimentazione in questo BGA non necessita del proprio condensatore.

Sospetto che tu stia ottimizzando eccessivamente questo aspetto. I microcontrollori STM32 sono abbastanza indulgenti in termini di disaccoppiamento necessario; in pratica 2-3 condensatori posti agli angoli opposti dell'IC, ovunque entro 3-5 mm dai pin di alimentazione (che tendono anche ad essere agli angoli), funzionano bene.

Considera questa scheda Nucleo64:

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Guarda quanto non sono vicini al chip i condensatori: per la scala, si tratta di un chip TQFP64 con un corpo di 10x10 mm.

I cappucci di disaccoppiamento sono C23, C24, C27, C28, tutti a 100nF nel pacchetto 0603. Si trovano a circa 4-5 mm dai pin di alimentazione / massa più vicini. Avrebbero potuto facilmente essere a 1 mm dai perni, ma apparentemente la ST non pensava che fosse importante; inoltre non pensavano che fosse importante utilizzare l'induttanza inferiore 0402.

C22 e C26 sono disponibili quando si bypassa il regolatore interno e si alimenta direttamente il nucleo, tipicamente a 1.2V. Questa capacità è disponibile solo su alcuni chip STM32, vedere AN4488 della ST, sezione 2.1.2. In questa scheda sono omessi. Alcune schede Nucleo popolano solo C26.

C30 è per l'alimentazione analogica, può anche essere omesso sebbene con un rumore analogico peggiore. Ci sono alcuni altri limiti qui, ma non sono da aggirare.

Questi sono tutti i tappi che ci sono: niente sul lato opposto del PCB! Sorprendentemente, questo è probabilmente sufficiente per un utilizzo nel caso peggiore come l'attivazione di tutti i pin contemporaneamente (che presumo ST avrebbe testato su una scheda di riferimento). Per un utilizzo non nel peggiore dei casi, potresti fare molto meno.

Probabilmente non c'è niente di speciale nello stesso chip in un pacchetto più piccolo; in realtà è probabile che sia molto meglio a causa della minore induttanza del pacchetto / pin (1). Le probabilità sono eccellenti che se metti il ​​tuo WLCSP al centro dello stesso layout del TQFP64, funzionerà perfettamente.

In pratica: basta mettere 3-4 condensatori nel pacchetto 0603 o più piccolo (0402 è perfetto), valore 100nF o maggiore , entro pochi mm dal tuo piccolo WLCSPmicrocontrollore, stesso lato o opposto della scheda.Usa ground e power plane, assegna a ciascun pad BGA il proprio tramite direttamente all'alimentazione o alla terra se possibile (o uno via per coppia di pad) e non preoccuparti, funzionerà.

Oppure, se vuoi davvero essere sicuro: collega una buona sonda per oscilloscopio differenziale ad alta velocità sul retro delle vie di alimentazione / massa sotto il chip e verifica se ci sono difetti abbastanza grandi da essere un problema.

(1) ok, alcuni pacchetti hanno dei condensatori incorporati e questo potrebbe variare con la dimensione del pacchetto, ma è abbastanza improbabile per un semplice microcontrollore

FWIW: C22, C25 e C26 potrebbero non essere condensatori di disaccoppiamento.Alcuni microcontrollori STM32 hanno regolatori interni;quei condensatori possono essere posizionati condizionatamente per quelle parti per stabilizzare il regolatore.
@duskwuff Sì, ben individuato!Devono stabilizzare il regolatore, ma puoi anche fornire 1.2V direttamente al nucleo, nel qual caso lo bypassano.Non ho visto una bacheca con tutti loro popolati;Ne ho visti solo un paio con C25.
Probabilmente non ce ne sono con ogni posizione popolata, no.La ST utilizza un unico design PCB "Nucleo-64" per tutte le parti TQFP64, con parti posizionate selettivamente per configurarlo per stranezze di pinout specifiche per parte.
mehmet.ali.anil
2019-02-06 19:37:36 UTC
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Potrebbe essere eccessivo o meno a seconda dei requisiti PDN del tuo chip. Per calcolare, ho utilizzato con successo questo strumento di Altera (ora Intel) per scopi pratici.

https://www.intel.com/content/www/us/en/programmable/support/support-resources/support-centers/signal-power-integrity/power-distribution-network.html

Per i casi che richiedono maggiore attenzione (direi% 1 dei casi, però) si potrebbe usare un simulatore FEM come COMSOL o un altro.

ThreePhaseEel
2019-02-07 06:39:26 UTC
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Mantieni i limiti extra, ma trasformali in una banca parallela

La regola pratica di "un condensatore di disaccoppiamento per pin di alimentazione", anche se suona, non dice nulla su come dovrebbero essere disposti sul PCB. La soluzione normale per i pacchetti tipo BGA / BGA è posizionare il disaccoppiamento sul lato opposto della scheda rispetto al pacchetto, in modo che sia elettricamente il più vicino possibile ai pin di alimentazione e di terra. Tuttavia, dati i vincoli di progettazione imposti dai passi del pacchetto proposti, avrai bisogno di microvie o via tappate / placcate (cioè corretta via nel pad) per rompere le tracce su qualsiasi strato diverso dal top. / p>

Ciò significa che dovrai avere i tuoi disaccoppiatori sul perimetro del pacchetto. Sebbene non sia l'ideale, è comunque uno stato di cose tollerabile per un design a bassa velocità. Tuttavia, i vincoli di breakout possono significare che non è possibile suddividere individualmente tutte le coppie di alimentazione / terra sui propri disaccoppiatori. In questo caso, quello che puoi fare è collegare i pin in parallelo, quindi collegare questo banco parallelo di pin a un banco parallelo corrispondente di disaccoppiatori sul perimetro del pacchetto, attenendoti alla regola "un tappo per pin di alimentazione".



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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