Detaillierte Erläuterung der Probleme mit der Leiterplattenverkabelung und der Signalintegrität

Leiterplattenverkabelung für Hochgeschwindigkeitssignale

Wenn Sie heutzutage den PCB-Layout-Leitfaden der ursprünglichen SoC-Fabrik öffnen, wird dort das Problem des Eckwinkels der Hochgeschwindigkeitssignalführung erwähnt.Man wird sagen, dass Hochgeschwindigkeitssignale nicht im rechten Winkel, sondern im 45-Grad-Winkel geführt werden sollten, und man wird sagen, dass die Verwendung eines Kreisbogens besser sei als eine 45-Grad-Ecke.

Ist das der Fall?Wie sollte der Leiterplattenverdrahtungswinkel eingestellt werden und ist es besser, einem 45-Grad-Winkel oder einem Kreisbogen zu folgen?Ist eine rechtwinklige 90-Grad-Verkabelung möglich?

Jeder fing an, mit dem Eckwinkel der Leiterplattenverkabelung zu kämpfen, was im letzten Jahrzehnt oder so passiert ist.In den frühen 1990er Jahren war Intel, der dominierende Akteur in der PC-Branche, führend bei der kundenspezifischen Anpassung der PCI-Bus-Technologie.Es scheint, dass wir ausgehend von der PCI-Schnittstelle in eine Ära des „Hochgeschwindigkeits“-Systemdesigns eingetreten sind.

Das elektronische Design und die Chipherstellungstechnologie schreiten gemäß dem Mooreschen Gesetz voran.Da sich der Prozess der IC-Herstellung immer weiter verbessert, wird auch die Transistorschaltgeschwindigkeit von ICs schneller und die Taktfrequenz verschiedener Busse wird ebenfalls schneller.Auch das Thema Signalintegrität erregt ständig Forschung und Aufmerksamkeit bei allen.

In den Anfängen war das Verlegen von PCB-Kabeln relativ einfach: Einfach den Stromkreis ziehen und glätten, sauber und schön, ohne sich um verschiedene Probleme mit der Signalintegrität kümmern zu müssen.Beispielsweise verfügt die in der Abbildung unten gezeigte HP Classic HP3456A-Multimeterplatine über eine große Anzahl von 90°-Winkelverkabelungen, fast absichtlich gerade Winkel, und die überwiegende Mehrheit der Bereiche ist nicht mit Kupfer bedeckt.

Die obere rechte Ecke der Leiterplatte verläuft nicht nur im rechten Winkel, sondern verringert nach dem Drehen auch die Linienbreite, was zu Signalreflexionsproblemen führen und die Signalintegrität beeinträchtigen kann.

In diesem Artikel wird das Problem der Routing-Eckwinkel für Hochfrequenz-/Hochgeschwindigkeitssignale erörtert.Wir werfen einen Blick auf die Vor- und Nachteile verschiedener Fräseckwinkel, angefangen bei spitzen Winkeln über rechte Winkel, stumpfe Winkel, Bögen bis hin zu beliebigen Winkeln.

Warum können Leiterplatten nicht mit scharfen Ecken verdrahtet werden?

Die Antwort auf die Frage, ob Leiterplatten mit spitzen Winkeln verdrahtet werden können, ist negativ.Unabhängig davon, ob sich die Verwendung von scharfwinkligen Verkabelungen negativ auf Hochgeschwindigkeitssignalübertragungsleitungen auswirkt, ist es allein aus Sicht von PCB DFM notwendig, das Auftreten von scharfwinkligen Verkabelungen zu vermeiden.Dies liegt daran, dass an der Kreuzung von Leiterplattendrähten, die scharfe Winkel bilden, ein Problem entstehen kann, das als Säurefallen bezeichnet wird.Beim PCB-Herstellungsprozess kann es während des Ätzprozesses des PCB-Schaltkreises zu übermäßiger Korrosion des PCB-Schaltkreises an den „Säurefallen“ kommen, was zu dem Problem eines virtuellen Bruchs des PCB-Schaltkreises führt.

Obwohl wir CAM 350 für DFF Audit verwenden können, um potenzielle Probleme mit „Säurefallen“ automatisch zu erkennen und so Verarbeitungsengpässe bei der Leiterplattenherstellung zu vermeiden.Wenn das Prozesspersonal der PCB-Fabrik das Vorhandensein von Säurefallen erkennt, steckt es einfach ein Stück Kupfer in diesen Spalt.

Viele Ingenieure in Leiterplattenfabriken verstehen das Layout nicht wirklich.Sie reparieren Säurefallen nur aus Sicht der PCB-technischen Verarbeitung.Es ist jedoch unklar, ob diese Reparatur zu weiteren Problemen mit der Signalintegrität führen kann.Daher sollten wir bei der Auslegung versuchen, Säurefallen an der Quelle so weit wie möglich zu vermeiden.

Wie vermeidet man beim Drahtziehen scharfe Ecken, die zu Problemen mit dem Säureabscheider beim Drahtziehen führen können?Moderne EDA-Designsoftware (wie Cadence Allegro, Altium Designer usw.) verfügt über umfassende Layout-Routing-Optionen.Wenn wir diese Hilfsoptionen beim Layout-Routing flexibel nutzen, können wir das Auftreten des „Säurefallen“-Phänomens während des Layouts weitgehend vermeiden.Der Austrittswinkel des Lötpads ist so eingestellt, dass der Winkel zwischen dem Draht und dem Lötpad keine scharfen Winkel bildet, wie im Beispiel unten gezeigt.

Durch die Nutzung der Enhanced Pad Entry-Funktion von Cadence Allegro können wir die Bildung von Winkeln zwischen Drähten und Lötpads während der Verdrahtung minimieren und so das DFM-Problem von „Säurefallen“ vermeiden.

Vermeiden Sie es, zwei Drähte zu kreuzen, um scharfe Winkel zu bilden.

Durch das Umschalten der Option „Umschalten“ bei flexibler Anwendung der Cadence Allegro-Verkabelung können scharfe Winkel und Winkel beim Herausziehen von T-förmigen Kabelzweigen vermieden und DFM-Probleme mit „Säurefallen“ vermieden werden.

Kann das PCB-Layout im 90°-Winkel verdrahtet werden?

Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Signalübertragungsleitungen sollten den Verlauf in 90°-Ecken vermeiden, was in verschiedenen PCB-Designhandbüchern eine starke Anforderung ist.Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssignalübertragungsleitungen müssen eine konsistente charakteristische Impedanz aufrechterhalten, und die Verwendung einer 90°-Eckenverlegung ändert die Leitungsbreite an der Ecke der Übertragungsleitung.Die Linienbreite an der 90°-Ecke beträgt etwa das 1,414-fache der normalen Linienbreite.Aufgrund der Änderung der Linienbreite kommt es zu einer Signalreflexion.Gleichzeitig wirkt sich die zusätzliche parasitäre Kapazität an der Ecke auch verzögert auf die Signalübertragung aus.

Wenn sich das Signal entlang einer einheitlichen Verbindungsleitung ausbreitet, kommt es natürlich zu keiner Reflexion oder Verzerrung des übertragenen Signals.Wenn es auf der einheitlichen Verbindungsleitung eine 90°-Ecke gibt, führt dies zu einer Änderung der Breite der PCB-Übertragungsleitung an der Ecke.Nach einschlägigen Berechnungen der elektromagnetischen Theorie wird dies durchaus Auswirkungen auf die Signalreflexion haben.

Der Einfluss des rechtwinkligen Routings auf Signale spiegelt sich hauptsächlich in drei Aspekten wider:

Die Ecke kann einer kapazitiven Last auf der Übertragungsleitung entsprechen und die Anstiegszeit verlangsamen

Die Linienbreite an der 90°-Ecke beträgt ungefähr das 1,414-fache der normalen Linienbreite, was zu einer Impedanzdiskontinuität und einer Signalreflexion führt

Von einer rechtwinkligen Spitze erzeugte EMI, wobei die Spitze dazu neigt, elektromagnetische Wellen auszusenden oder zu empfangen, was zu EMI führt

Die durch den rechten Winkel der Übertragungsleitung verursachte parasitäre Kapazität kann mit der folgenden empirischen Formel berechnet werden:

C=61W (Er) 1/2/ZO

In der obigen Gleichung bezieht sich C auf die äquivalente Kapazität an der Ecke (in pF), W bezieht sich auf die Breite der Linie (in Zoll), Er bezieht sich auf die Dielektrizitätskonstante des Mediums und ZO ist die charakteristische Impedanz des Mediums Übertragungsleitung.

Bei digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen kann eine 90°-Ecke einen gewissen Einfluss auf die Hochgeschwindigkeitssignalübertragungsleitung haben.Bei unseren aktuellen Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten mit hoher Dichte beträgt die allgemeine Verdrahtungsbreite 4–5 mil und die elektrische Kapazität einer 90°-Ecke beträgt etwa 10 fF.Nach der Berechnung beträgt die durch diese Kapazität verursachte kumulative Verzögerung etwa 0,25 ps.Daher hat eine 90°-Ecke bei einer Drahtbreite von 5 mil keinen wesentlichen Einfluss auf das aktuelle Hochgeschwindigkeits-Digitalsignal (Anstiegszeit von 100 psc).

Bei Hochfrequenz-Signalübertragungsleitungen werden zur Vermeidung von Signalschäden durch Skin-Effekt üblicherweise breitere Signalübertragungsleitungen verwendet, beispielsweise eine Impedanz von 50 Ω und eine Leitungsbreite von 100 mil.Die Linienbreite an der 90°-Ecke beträgt etwa 141 mil und die durch parasitäre Kapazität verursachte Signalverzögerung beträgt etwa 25 ps.Zu diesem Zeitpunkt wird die 90°-Ecke einen sehr schwerwiegenden Aufprall verursachen.

Gleichzeitig hoffen Mikrowellenübertragungsleitungen immer darauf, den Signalverlust zu minimieren.Impedanzdiskontinuität an der 90°-Ecke und parasitäre Kapazität außerhalb können Phasen- und Amplitudenfehler in Hochfrequenzsignalen, Eingangs- und Ausgangsfehlanpassungen und mögliche parasitäre Kopplungen verursachen, was zu einer Verschlechterung der Schaltungsleistung führt und die Übertragungseigenschaften von PCB-Schaltungssignalen beeinträchtigt.

In Bezug auf die 90°-Signalführung ist Lao Wu der Meinung, dass man versuchen sollte, eine 90°-Signalführung so weit wie möglich zu vermeiden.

45 Grad schräge Tangente

Neben HF-Signalen und anderen Signalen mit besonderen Anforderungen sollte die Verkabelung auf unserer Leiterplatte vorzugsweise im 45°-Winkel verlegt werden.Es ist zu beachten, dass bei einer Verlegung im 45°-Winkel mit gleicher Länge die Länge der Verkabelung an der Ecke mindestens das 1,5-fache der Leitungsbreite und der Abstand zwischen den Wicklungen gleichlanger Leitungen mindestens das 4-fache betragen sollte die Linienbreite.Da Hochgeschwindigkeitssignalleitungen immer entlang des Impedanzpfads übertragen werden, kann es bei Hochgeschwindigkeitssignalen zu Abkürzungen kommen, wenn der Abstand zwischen den Wicklungen gleich langer Leitungen aufgrund der parasitären Kapazität zwischen den Leitungen zu gering ist, was zu ungenauen Längen führt.Mit den Wickelregeln moderner EDA-Software können relevante Wickelregeln problemlos festgelegt werden.

Bogenrouting mit Bogen

Obwohl es in den technischen Spezifikationen nicht ausdrücklich vorgeschrieben ist, gekrümmte Leitungen oder HF-Mikrowellenübertragungsleitungen zu verwenden, bin ich persönlich der Meinung, dass die Verwendung gekrümmter Leitungen aufgrund des Layouts von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten mit hoher Dichte und einer großen Anzahl gebogener Leitungen nicht erforderlich ist Die Reparatur von Linien ist im späteren Stadium sehr mühsam und eine große Anzahl gekrümmter Linien ist auch zeitaufwändig.Für Hochgeschwindigkeits-Differenzsignale wie USB3.1 oder HDMI2.0 glaube ich, dass Kreisbögen immer noch verwendet werden können.

Natürlich wird für HF-Mikrowellensignalübertragungsleitungen immer noch die Verwendung von Kreisbögen oder sogar die Verwendung von Leitungen mit „äußerem 45°-Schrägschnitt“ für die Verlegung bevorzugt.

Abschluss

Mit der Entwicklung der drahtlosen 4G/5G-Kommunikationstechnologie und der kontinuierlichen Verbesserung elektronischer Produkte hat die aktuelle Übertragungsrate der PCB-Datenschnittstelle 10 Gbit/s oder 25 Gbit/s oder mehr erreicht, und die Signalübertragungsrate bewegt sich ständig in Richtung Hochgeschwindigkeit.Mit der Entwicklung der Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Signalübertragung werden höhere Anforderungen an die Impedanzkontrolle und Signalintegrität von Leiterplatten gestellt.

Für die Übertragung digitaler Signale auf Leiterplatten gelten viele in der Elektronikindustrie verwendete dielektrische Materialien, einschließlich FR4, bei der Übertragung mit niedriger Geschwindigkeit und niedriger Frequenz als einheitlich.

Aber wenn die elektronische Signalrate auf dem Systembus das Gbit/s-Niveau erreicht, gilt diese Annahme der Einheitlichkeit nicht mehr.Zu diesem Zeitpunkt kann die lokale Variation der relativen Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht, die durch die Lücken zwischen den im Epoxidharzsubstrat verwobenen Glasfaserbündeln verursacht wird, nicht ignoriert werden.Die lokale Störung der Dielektrizitätskonstante führt dazu, dass die Verzögerung und die charakteristische Impedanz der Leitung räumlich korrelieren, wodurch die Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen beeinträchtigt wird.

Die auf dem FR4-Testsubstrat basierenden Testdaten zeigen, dass aufgrund der relativen Positionsdifferenz zwischen Mikrostreifenleitungen und Glasfaserbündeln die gemessene effektive Dielektrizitätskonstante der Übertragungsleitung stark schwankt, mit einer Differenz von bis zu Δ ε r=0,4.Obwohl diese räumlichen Störungen gering erscheinen, beeinträchtigen sie die Differenzübertragungsleitung mit einer Datengeschwindigkeit von 5–10 Gbit/s erheblich.

In einigen Hochgeschwindigkeits-Designprojekten können wir zur Bewältigung der Auswirkungen des Glasfasereffekts auf Hochgeschwindigkeitssignale die Zick-Zack-Routing-Technologie verwenden, um die Auswirkungen des Glasfasereffekts abzuschwächen.

Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 und nachfolgende Versionen bieten Unterstützung für den Zick-Zack-Verdrahtungsmodus.

Wählen Sie im Menü von Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 „Route ->Unsupported Prototype ->Fiber Weave Effect“, um die Zick-Zack-Routing-Funktion zu öffnen.

Vor zwanzig Jahren musste sich unser PCB-Layout keine Gedanken darüber machen, ob es gekrümmten Linien oder den Auswirkungen von Glasfasern auf Hochgeschwindigkeitssignale folgen sollte.Es gibt keine festen Regeln für das PCB-Layout, und mit der Verbesserung der PCB-Herstellungstechnologie und der Datenübertragungsgeschwindigkeit ist es möglich, dass die richtigen Regeln in Zukunft möglicherweise nicht mehr anwendbar sind.