Explicação detalhada de problemas de fiação de PCB e integridade de sinal

Fiação PCB para sinais de alta velocidade

Hoje em dia, sempre que você abrir o Guia de Layout de PCB do SoC original de fábrica, ele mencionará a questão do ângulo de canto do roteamento de sinal de alta velocidade.Dir-se-á que os sinais de alta velocidade não devem ser encaminhados em ângulos rectos, mas sim num ângulo de 45 graus, e dir-se-á que utilizar um arco circular é melhor do que um canto de 45 graus.

É este o caso?Como deve ser definido o ângulo da fiação da PCB e é melhor seguir um arco de 45 graus ou circular?A fiação em ângulo reto de 90 graus é viável?

Todos começaram a lutar com o ângulo de canto da fiação do PCB, algo que aconteceu na última década.No início da década de 1990, a Intel, o player dominante na indústria de PCs, liderou a customização da tecnologia de barramento PCI.Parece que a partir da interface PCI, entramos em uma era de design de sistemas de “alta velocidade”.

O design eletrônico e a tecnologia de fabricação de chips estão avançando de acordo com a Lei de Moore.À medida que o processo de fabricação de ICs continua a melhorar, a velocidade de comutação dos transistores dos ICs também está ficando mais rápida, e a frequência de clock de vários barramentos também está ficando mais rápida.A questão da integridade do sinal também atrai constantemente pesquisas e atenção de todos.

No início, as bactérias de colocação de cabos PCB eram relativamente simples, simplesmente puxando e suavizando o circuito, limpo e bonito, sem se preocupar com vários problemas de integridade do sinal.Por exemplo, a placa de circuito do multímetro HP clássico HP3456A mostrada na figura abaixo tem um grande número de fiação em ângulo de 90 °, ângulos quase intencionalmente retos, e a grande maioria das áreas não é coberta com cobre.

O canto superior direito da placa PCB não apenas funciona em ângulo reto, mas também reduz a largura da linha após o giro, o que pode causar problemas de reflexão do sinal e afetar a integridade do sinal.

Este artigo discute a questão do roteamento de ângulos de canto para sinais de alta frequência/alta velocidade.Damos uma olhada nas vantagens e desvantagens de vários ângulos de canto de roteamento, desde ângulos agudos até ângulos retos, ângulos obtusos, arcos e até qualquer ângulo.

Por que os PCBs não podem ser conectados com cantos vivos?

A resposta para saber se o PCB pode ser conectado com ângulos agudos é negativa.Independentemente de o uso de fiação em ângulo agudo ter um impacto negativo nas linhas de transmissão de sinal de alta velocidade, apenas da perspectiva do PCB DFM, é necessário evitar a ocorrência de fiação em ângulo agudo.Isso ocorre porque na intersecção dos fios do PCB para formar ângulos agudos, pode causar um problema chamado armadilhas ácidas.No processo de fabricação de PCB, durante o processo de gravação do circuito PCB, pode ocorrer corrosão excessiva do circuito PCB nas 'armadilhas de ácido', levando ao problema de quebra virtual do circuito PCB.

Embora possamos usar o CAM 350 para auditoria DFF para detectar automaticamente possíveis problemas com 'armadilhas de ácido', evitando gargalos de processamento durante a fabricação de PCB.Se o pessoal do processo da fábrica de PCB detectar a presença de armadilhas ácidas, eles simplesmente colocarão um pedaço de cobre nessa lacuna.

Muitos engenheiros em fábricas de PCB não entendem realmente o layout.Eles apenas reparam armadilhas ácidas do ponto de vista do processamento de engenharia de PCB.No entanto, não está claro se este reparo pode trazer mais problemas de integridade do sinal.Portanto, ao fazer o layout, devemos tentar evitar ao máximo as armadilhas ácidas da fonte.

Como evitar cantos vivos durante a trefilação, que podem causar problemas de retenção de ácido no DFM?O software de design EDA moderno (como Cadence Allegro, Altium Designer, etc.) vem com opções abrangentes de roteamento de layout.Quando usamos essas opções auxiliares de maneira flexível no roteamento de layout, podemos evitar bastante a ocorrência do fenômeno de 'armadilha de ácido' durante o layout.O ângulo de saída da placa de solda é definido para evitar que o ângulo entre o fio e a placa de solda forme ângulos agudos, conforme mostrado no exemplo abaixo.

Ao utilizar a função Enhanced Pad Entry do Cadence Allegro, podemos minimizar a formação de ângulos entre os fios e as almofadas de solda durante a fiação, evitando assim o problema DFM de 'armadilhas de ácido'.

Evite cruzar dois fios para formar ângulos agudos.

Alternar a opção 'alternar' ao aplicar a fiação Cadence Allegro de maneira flexível pode evitar ângulos agudos e ângulos ao puxar galhos de fios em forma de T e evitar causar problemas de DFM de 'armadilhas de ácido'.

O layout do PCB pode ser conectado a 90 °？

As linhas de transmissão de sinal de alta frequência e alta velocidade devem evitar rodar em cantos de 90 °, o que é um forte requisito em vários guias de design de PCB.As linhas de transmissão de sinal de alta frequência e alta velocidade precisam manter uma impedância característica consistente, e o uso do canto de 90 ° alterará a largura da linha no canto da linha de transmissão.A largura da linha no canto de 90° é cerca de 1,414 vezes a largura normal da linha.Devido à mudança na largura da linha, causará reflexão do sinal.Ao mesmo tempo, a capacitância parasita adicional no canto também terá um efeito de atraso na transmissão do sinal.

É claro que quando o sinal se propaga ao longo de uma linha de interconexão uniforme, não haverá reflexão ou distorção do sinal transmitido.Se houver um canto de 90° na linha de interconexão uniforme, isso causará uma alteração na largura da linha de transmissão da PCB no canto.De acordo com cálculos relevantes da teoria eletromagnética, isso certamente terá um impacto na reflexão do sinal.

O impacto do roteamento em ângulo reto nos sinais se reflete principalmente em três aspectos:

O canto pode ser equivalente a uma carga capacitiva na linha de transmissão, diminuindo o tempo de subida

A largura da linha no canto de 90° é aproximadamente 1,414 vezes a largura normal da linha, causando descontinuidade da impedância e resultando em reflexão do sinal

EMI gerada por uma ponta em ângulo reto, onde a ponta é propensa a emitir ou receber ondas eletromagnéticas, resultando em EMI

A capacitância parasita causada pelo ângulo reto da linha de transmissão pode ser calculada usando a seguinte fórmula empírica:

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

Na equação acima, C refere-se à capacitância equivalente no canto (em pF), W refere-se à largura da linha (em polegadas), Er refere-se à constante dielétrica do meio e ZO é a impedância característica do linha de transmissão.

Para sinais digitais de alta velocidade, um canto de 90° pode ter um certo impacto na linha de transmissão do sinal de alta velocidade.Para nossos atuais PCBs de alta densidade e alta velocidade, a largura geral da fiação é de 4-5mil e a capacidade elétrica de um canto de 90 ° é de cerca de 10fF.Após o cálculo, o atraso cumulativo causado por esta capacitância é de cerca de 0,25ps.Portanto, um canto de 90° em uma largura de fio de 5 mil não terá um impacto significativo no sinal digital atual de alta velocidade (tempo de subida de 100 psc).

Para linhas de transmissão de sinal de alta frequência, a fim de evitar danos ao sinal causados ​​​​pelo efeito pelicular, geralmente são usadas linhas de transmissão de sinal mais largas, como impedância de 50 Ω e largura de linha de 100 mil.A largura da linha no canto de 90° é de cerca de 141 mils e o atraso do sinal causado pela capacitância parasita é de cerca de 25 ps.Neste momento, o canto de 90° causará um impacto muito sério.

Ao mesmo tempo, as linhas de transmissão de microondas sempre esperam minimizar a perda de sinal.A descontinuidade da impedância no canto de 90 ° e a capacitância parasita externa podem causar erros de fase e amplitude em sinais de alta frequência, incompatibilidades de entrada e saída e possível acoplamento parasita, levando à deterioração do desempenho do circuito e afetando as características de transmissão dos sinais do circuito PCB.

Em relação ao roteamento do sinal de 90°, a opinião do próprio Lao Wu é tentar evitar ao máximo o roteamento de 90°.

Tangente oblíqua de 45 graus

Além de sinais de RF e outros sinais com requisitos especiais, a fiação em nossa PCB deve preferencialmente ser executada a 45°.Deve-se observar que ao operar em um ângulo de 45 ° com comprimento igual, o comprimento da fiação no canto deve ser de pelo menos 1,5 vezes a largura da linha, e a distância entre o enrolamento de linhas de igual comprimento deve ser de pelo menos 4 vezes. a largura da linha.Como as linhas de sinal de alta velocidade sempre transmitem ao longo do caminho de impedância, se o espaçamento entre os enrolamentos de linhas de igual comprimento for muito próximo, devido à capacitância parasita entre as linhas, os sinais de alta velocidade podem tomar atalhos, resultando em comprimento impreciso.As regras de enrolamento do software EDA moderno podem facilmente definir regras de enrolamento relevantes.

Roteamento de arco com arco

Se não for explicitamente exigido pelas especificações técnicas o uso de linhas curvas ou linhas de transmissão de micro-ondas RF, eu pessoalmente acredito que não é necessário usar linhas curvas devido ao layout de PCBs de alta velocidade e alta densidade, um grande número de curvas as linhas são muito difíceis de reparar no estágio posterior, e um grande número de linhas curvas também consomem tempo.Para sinais diferenciais de alta velocidade como USB3.1 ou HDMI2.0, acredito que arcos circulares ainda podem ser usados.

É claro que, para linhas de transmissão de sinal de microondas de RF, ainda é preferível usar arcos circulares, ou mesmo usar linhas de 'corte oblíquo externo de 45 °' para roteamento.

Conclusão

Com o desenvolvimento da tecnologia de comunicação sem fio 4G/5G e a atualização contínua de produtos eletrônicos, a atual taxa de transmissão da interface de dados PCB atingiu 10 Gbps ou 25 Gbps ou superior, e a taxa de transmissão do sinal está constantemente se movendo em direção à alta velocidade.Com o desenvolvimento da transmissão de sinal de alta velocidade e alta frequência, requisitos mais elevados são apresentados para controle de impedância de PCB e integridade de sinal.

Para sinais digitais transmitidos em placas PCB, muitos materiais dielétricos usados ​​na indústria eletrônica, incluindo o FR4, foram considerados uniformes durante a transmissão de baixa velocidade e baixa frequência.

Mas quando a taxa do sinal eletrônico no barramento do sistema atinge o nível de Gbps, essa suposição de uniformidade não é mais válida.Neste momento, a variação local na constante dielétrica relativa da camada dielétrica causada pelas lacunas entre os feixes de fibra de vidro entrelaçados no substrato de resina epóxi não pode ser ignorada.A perturbação local da constante dielétrica fará com que o atraso e a impedância característica da linha sejam correlacionados espacialmente, afetando assim a transmissão de sinais de alta velocidade.

Os dados de teste baseados no substrato de teste FR4 mostram que, devido à diferença de posição relativa entre as linhas de microfita e os feixes de fibra de vidro, a constante dielétrica efetiva medida da linha de transmissão flutua muito, com uma diferença de até Δ ε r=0,4.Embora estas perturbações espaciais pareçam pequenas, afectarão seriamente a linha de transmissão diferencial com uma velocidade de dados de 5-10 Gbps.

Em alguns projetos de design de alta velocidade, a fim de abordar o impacto do efeito da fibra de vidro nos sinais de alta velocidade, podemos usar a tecnologia de roteamento em zigue-zague para mitigar o impacto do efeito da fibra de vidro.

Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 e versões subsequentes trouxeram suporte para o modo de fiação zig zag.

No menu Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015, selecione 'Route ->Unsupported Prototype ->Fiber Weave Effect' para abrir a função de roteamento zig zag.

Vinte anos atrás, nosso layout de PCB não precisava se preocupar se seguiria linhas curvas ou com o impacto das fibras de vidro em sinais de alta velocidade.Não existe uma regra fixa de layout de PCB e, com o aprimoramento da tecnologia de fabricação de PCB e da velocidade de transmissão de dados, é possível que as regras corretas agora não sejam mais aplicáveis ​​no futuro.