12 minute read
Красильников А. А., Лузин С. Ю, Лузин. М. С., Сорокин С. А
from radioprom022020
by bortnikova
ISSN 2413–9599 (Print) ISSN 2541–870Х (Online)
DOI: 10.21778/2413-9599-2020-30-2-55-61 УДК 681.3.06
Advertisement
www.radioprom.org
1 ЗАО «НПФ «Доломант», Санкт-Петербург, Россия 2 ООО «ЭРЕМЕКС», Санкт-Петербург, Россия 3 ООО «Алтиум Лимитед», Санкт-Петербург, Россия 4 АО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. Россия М. А. Карцева», Москва,
Соединение (сшивка) эквипотенциальных областей металлизации, расположенных на различных слоях печатной платы, осуществляется с помощью межслойных переходов. Цели сшивки могут быть различными: отвод тепла от теплонагруженных компонентов, уменьшение термического сопротивления платы (снижение риска коробления платы при воздействии термических нагрузок), уменьшение петли возвратного тока высокоскоростных сигналов, в том числе дифференциальных, снижение уровня перекрестных электромагнитных помех. В работе рассматривается задача подключения с помощью межслойных переходов максимального числа неподключенных островков на полностью разведенной двухслойной плате, с обеих сторон которой размещены полигоны земли. Предложен итерационный алгоритм, основанный на определении области пересечения проекций изолированных (неподключенных) островков с областью металлизации на противоположной стороне платы и подключении островков, если в области пересечения помещается межслойный переход. Алгоритм гарантирует подключение максимального числа неподключенных островков.
Ключевые слова: печатная плата, область металлизации, межслойный переход
Для цитирования: Сшивка эквипотенциальных областей металлизации на двухслойной печатной плате / А. А. Красильников, С. Ю. Лузин, М. С. Лузин, С. А. Сорокин // Радиопромышленность. 2020. Т. 30, № 2. С. 55–61. DOI: 10.21778/2413-9599-2020-30-2-55-61
© Красильников А. А., Лузин С. Ю, Лузин. М. С., Сорокин С. А., 2020
A.A. Krasilnikov 1 , S. Yu. Luzin 2 , M.S. Luzin 3 , S.A. Sorokin 4
1 CJSC NPF Dolomant, Saint Petersburg, Russia 2 Eremex Ltd, Saint Petersburg, Russia 3 Altium Ltd, Saint Petersburg, Russia 4 M. A. Kartsev Scientific and Research Institute of Computing Systems, Moscow, Russia
The linking (stitching) of equipotential metallization areas located on different layers of the printed circuit board is carried out using layer-to-layer vias. The purposes can be different, e. g.: heat removal from heat-loaded components, reduction of the thermal resistance of the board (reducing the risk of warping the board when exposed to thermal loads); reduction of the return current loop of high-speed signals, including differential ones; reduction of the level of electromagnetic interference. The paper reviews the problem of connecting the maximum number of unconnected copper islands on the fully routed twolayer board, which has ground planes on both sides with the help of vias. An iterative algorithm is proposed based on determining the area of the projections of isolated islands with the metallization area on the opposite sideboard, if a via can be placed in the intersection area. The algorithm guarantees the connection between the maximum number of islands.
Keywords: printed circuit board, metallization area, layer-to-layer via
For citation: Krasilnikov A. A., Luzin S. Yu., Luzin M. S., Sorokin S. A. Stitching equipotential metallization areas on the double-sided printed circuit board. Radio industry (Russia), 2020, vol. 30, no. 2, pp. 55–61. (In Russian). DOI: 10.21778/2413-9599-2019-30-2-55-61
Введение
Для снижения уровня перекрестных электромагнитных помех в печатных платах обычно используются металлизированные слои земли и питания. На многослойных платах сплошных слоев земли и питания может быть несколько. На двухслойных платах один из слоев обычно отводится под полигон земли или, если плотность монтажа не позволяет высвободить целый слой, по обе стороны платы кладутся земляные полигоны.
Наличие сигнальных проводников и контактов в области металлизации нарушает целостность полигона, что часто приводит к появлению изолированных участков заливки (островков).
Вихревые токи в больших неподключенных областях металлизации могут являться источником перекрестных электромагнитных помех. Такие островки металлизации обычно удаляют, а если их проекции на противоположный слой пересекаются с подключенными областями металлизации той же цепи, то с помощью установки межслойных переходов в области пересечения такие островки присоединяют к области металлизации другого слоя. Сшивающие межслойные переходы (англ. stitching vias) в идеале должны образовать сетку с размером ячейки не более заданного.
Следует отметить, что:
Пересечение проекций островков металлизации само по себе не гарантирует подключение их 2.
3.
4. к цепи при сшивке переходными отверстиями, поскольку островок на противоположном слое может быть также не подключен к цепи. Нет смысла присоединять островки малой площади, сравнимой с площадью межслойного перехода. Если нет возможности обеспечить подключение каких-либо островков, следует либо удалить их, либо, для обеспечения баланса меди [1], заполнить площадь этих островков небольшими медными «пятачками», не подключенными ни к какой цепи. Следует не только подключить крупные неподключенные островки, но и по возможности обеспечить сетку сшивающих переходов с определенным размером ячейки. Это означает, что переходы необходимо ставить не только для неподключенных островков, но и для сшивки каждого островка пересечения проекций.
Отметим, что выполнение подобных операций вручную довольно трудоемко.
Традиционный подход
Опишем простейший алгоритм сшивки эквипотенциальных областей металлизации:
1. 2. С обеих сторон платы положить полигоны земли. Установить межслойные переходы в заданной сетке.
Удалить переходы, установленные с нием зазоров. наруше
Такой подход реализован в ряде систем автоматизированного проектирования [2], однако он не гарантирует подключения максимально возможного числа эквипотенциальных островков.
Переход устанавливается без нарушений, если он не выходит за границы ни одного из сшиваемых островков. Если сетка глобальная, то участки металлизации с шириной, большей, чем диаметр перехода, но меньшей, чем сумма шага сетки и диаметра перехода, могут оказаться неподключенными. Так, на рис. 1 межслойные переходы выходят за границы полигона в верхнем (сером) слое, следовательно, они должны быть удалены, соответственно, эквипотенциальные области не будут сшиты. При этом видно, что без привязки к сетке установка сшивающих переходов без нарушений возможна.
На рис. 2а показан фрагмент реальной двухслойной платы с результатом расстановки сшивающих переходов в системе автоматизированного проектирования Altium Designer (серый цвет – верхний слой, черный – нижний). Из-за глобальной сетки не расставлено довольно много переходов и не сшито много островков. После удаления неподключенных островков (рис. 2б) заметны значительные пустоты на обоих слоях.
Отметим, что локальное смещение сетки или подбор шага не является гарантией успеха, поскольку может улучшить ситуацию в одной области и при этом ухудшить в другой. Следует также отметить, что подобный подход может приводить к созданию изолированных (неподключенных) групп сшитых островков.
Отказ от глобальной сетки и определение возможности размещения перехода или группы переходов в области пересечения проекций эквипотенциальных островков позволяет сшить максимальное число островков, возможное без изменения топологии или геометрии проводников. Так, на рис. 3а расставлены сшивающие переходы, максимальное число островков подключено, и рис. 3б с удаленными неподключенными островками мало отличается от рис. 3а (в отличие от рис. 2б).
Подключение максимального числа изолированных островков металлизации
Пусть на полностью разведенной двухслойной плате с обеих сторон положены полигоны земли (или питания). Требуется с помощью расстановки межслойных переходов обеспечить подключение максимального числа изолированных островков.
Рисунок 1. Сшивающие переходы установлены с нарушениями Figure 1. Stitching vias installed with violations
а)
б)
Рисунок 2. Сшивка областей металлизации: а – переходы не установлены из-за нарушений; б –неподключенные островки удалены Figure 2. Stitching of metallization areas: а – vias are not installed due to violations; б – unconnected islands are deleted
а)
б)
Рисунок 3. Сшивка областей металлизации: а – переходы установлены вне глобальной сетки; б – неподключенные островки удалены Figure 3. Stitching of metallization areas: а – vias are installed outside the global grid; б – unconnected islands are deleted
Алгоритм
Сформировать список подключенных островков. Пока список не пуст { «Новый список» пуст. Для каждого островка списка { Если проекция островка списка пересекается с эквипотенциальным островком на другом слое, то Если в области пересечения помещается межслойный переход { Установить переход (группу переходов).
Если островок не был подключен, поместить подключенный островок в «Новый список». } }
Исключить островки Нового списка из неподключенных.
Список: = Новый список. }
Пример
На рис. 4 приведен фрагмент двухслойной печатной платы (а – верхний слой, б – нижний слой). Фрагмент содержит семь эквипотенциальных островков металлизации (четыре – на верхнем слое и три – на нижнем). Подключенным к соответствующей цепи является только островок № 1 (на нем имеется прямоугольный контакт).
Согласно приведенному алгоритму на первой итерации в список подключенных помещается островок № 1 и проверяется наличие пересечений проекции островка № 1 снеподключенными островками нанижнем слое. Проекция островка № 1 на нижний слой
1 2 5
4
3
7
а)
б) Рисунок 4. Фрагмент двухслойной печатной платы: а – верхний слой; б – нижний слой Figure 4. Fragment of a two-layer printed circuit board: а – top layer; б – bottom layer
6
пересекается с островком № 5 и с островком № 7 (на рис. 5а области пересечения заштрихованы), однако в области пересечения с островком № 7 не помещается межслойный переход. В области пересечения с островком № 5 размещается межслойный переход. Островок № 5 помещается в «Новый список». Островки «Нового списка» (островок № 5) исключаются из списка неподключенных и становятся островками текущего списка.
На следующей итерации проверяется наличие пересечений проекции островка № 5 с неподключенными островками на верхнем слое. Пересечение есть только с островком № 2 (на рис. 5б область пересечения заштрихована).
а) Рисунок 5. Подключение островков № 5 (а) и № 2 (б) Figure 5. Connection of islands no. 5 (а) and no. 2 (б)
б)
а) Рисунок 6. Подключение островков № 6 и 7 (а), островка № 3 (б) Figure 6. Connection of islands no. 6 and 7 (а), island no. 3 (б)
б)
а)
б) Рисунок 7. Соединение островков № 7 и 3 (а), подключение островка № 4 (б) Figure 7. Connection of islands no. 7 and 3 (а), the connection of islands no. 4 (б)
Рисунок 8. Островки, образованные внутренней эквидистантой к невыпуклому контуру Figure 8. Islands formed by the internal equidistant to a non-convex contour
Далее с островком № 2 соединяются островки № 6 и 7 (рис. 6а), с островком № 6 – островок № 3 (рис. 6б), с островком № 3 соединяется островок № 7 (рис. 7а), с островком № 7 – островок № 4 (рис. 7б). Все островки подключены.
Рассмотрим особенности проверки условия «если в области пересечения помещается межслойный переход» и собственно расстановки межслойных переходов.
Последовательный алгоритм размещения переходов в островке [3]
Построить внутреннюю эквидистанту [4] к контуру островка, отстоящую от контура на радиус межслойного перехода. Теперь установка перехода с центром в любой точке полученного островка (коллекции островков) будет осуществляться без нарушений. Отметим, что, если контур невыпуклый, может быть получена коллекция островков, так, на рис. 8 получено два треугольных островка (выделены серым цветом).
Пока островок (коллекция островков) не пуст (не пуста) {
Определить на контуре островка точку (коллекцию точек) для центра (центров) перехода (например, точка контура с минимальной или максимальной абсциссой, при равенстве координат точек – точку с минимальной или максимальной ординатой).
Вычесть из островка окружность с центром в данной точке и с радиусом, равным заданному шагу установки переходов. }
Островки, оставшиеся неподключенными, удалить, либо, для сохранения баланса меди, отключив островок от цепи, заполнить его область небольшими медными «пятачками» заданного размера с заданным зазором.
1.
2.
3.
4.
5.
Выводы
Подключение максимального числа изолированных островков металлизированных областей одной цепи, расположенных на разных слоях печатной платы, позволяет существенно уменьшить тепловое сопротивление платы и снизить риск коробления при воздействии термических нагрузок. Сшивка эквипотенциальных областей металлизации с использованием глобальной сетки межслойных переходов, применяемая в ряде систем автоматизированного проектирования печатных плат, не обеспечивает подключение максимального числа изолированных островков. Отказ от глобальной сетки и определение возможности размещения перехода или группы переходов в области пересечения проекций эквипотенциальных островков позволяют сшить максимальное число островков, возможное без изменения топологии или геометрии проводников. Наряду с подключением неподключенных островков достаточно большого размера следует по возможности обеспечить сетку сшивающих переходов с определенным размером ячейки. Это означает, что переходы необходимо ставить не только для подключения неподключенных островков, но также и для сшивки пересечения проекций подключенных островков. В отличие от методики с использованием глобальной сетки межслойных переходов, предлагаемый подход гарантирует сшивку эквипотенциальных областей металлизации вне зависимости от величины шага установки переходов, если в области пересечения проекций эквипотенциальных островков металлизации помещается межслойный переход.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Бегер Е. Практические способы уменьшения деформаций печатных плат на этапе конструирования // Компоненты и технологии. 2009. № 1. С. 116–119. Якубенко А. Применение инструментов Via Stitching и Via Shielding в среде Altium Designer // САПР и графика. 2016. № 8. С. 54–58. Расстановка фанаутов в области BGA с нерегулярным расположением контактов / К. А. Кноп, С. Ю. Лузин, М. С. Лузин, С. А. Сорокин, Ю. Т. Лячек // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2017. № 4. C. 31–34.
Разумовский А. И. Создание алгоритма эквидистанты с применением методов контекстной среды // Материалы международной конференции CAD/CAM/PDM-2009. М.: ИПУ РАН. C. 208–212.
REFERENCES
1.
2.
3.
4. Beger E. Practical ways to reduce deformation of printed circuit boards at the design stage. Components and Technologies, 2009, no. 1, pp. 116–119. (In Russian). Yakubenko A. Use of Via Stitching and Via Shielding tools in Altium Designer environment. CAD and Graphics, 2016. no. 8. pp. 54–58. (In Russian). Knop K. A., Luzin M. S., Luzin S. Yu., Sorokin S. A. Placement fanouts in the field of BGA with irregular arrangement of contacts. Izvestija LETI –Proceedings of the Saint Petersburg State Electrotechnical University, 2017, no. 4, pp. 31–34. (In Russian). Razumovskij A. I. Creating an equidistant algorithm using the contextual environment. Proc. In: CAD/CAM/PDM-2009 Conference. Moscow, Institute of Control Scienses, pp. 208–212. (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Красильников Алексей Александрович, ведущий инженер-конструктор, ЗАО «НПФ «Доломант», 198095, СанктПетербург, ул. Ивана Черных, д. 29 «А», тел.: +7 (812) 448-04-44, e-mail: krasilnikov@fastwel.ru. Лузин Сергей Юрьевич, д. т. н., технический директор, ООО «ЭРЕМЕКС», 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 29 «А», тел.: +7 (812) 448-03-37, e-mail: luzin@eremex.com. Лузин Михаил Сергеевич, к. т. н., ведущий программист, ООО «Алтиум Лимитед», 191011, Санкт-Петербург, наб. р. Фонтанки, д. 13, тел.: +7 (812) 635-06-79, e-mail: mikhail.luzin@altium.com. Сорокин Сергей Александрович, д. т. н., генеральный конструктор, АО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М. А. Карцева», 117437, Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, тел.: +7 (495) 330-09-29, e-mail: sorokin@niivk.ru.
AUTHORS
Aleksey A. Krasilnikov, senior designer, CJSC NPF Dolomant, 29 “A”, ulitsa Ivana Chernyh, Saint Petersburg, 198095, Russia, tel.: +7 (812) 448-04-44, e-mail: krasilnikov@fastwel.ru. Sergey Yu. Luzin, D. Sc. (Engineering), technical director, Eremex Ltd, 29 “A”, ulitsa Ivana Chernyh, Saint Petersburg, 198095, Russia, tel.: +7 (812) 448-03-37, e-mail: luzin@eremex.com. Mihail S. Luzin, Ph.D. (Engineering), senior software developer, Altium Ltd, 13, Naberezhnaya reki Fontanki, Saint Petersburg, 194044, Russia, tel.: +7 (812) 635-06-79, e-mail: michael.luzin@gmail.com. Sergey A. Sorokin, D.Sc. (Engineering), general designer, M. A. Kartsev Scientific and Research Institute of Computing Systems, 108, Profsoyuznaya ulitsa, Moscow, 117437, Russia, tel.: +7 (495) 330-09-29, e-mail: sorokin@niivk.ru.
Поступила 28.11.2019; принята к публикации 28.02.2020; опубликована онлайн 03.06.2020. Submitted 28.11.2019; revised 28.02.2020; published online 03.06.2020.
