Подробное объяснение проблем проводки печатной платы и целостности сигнала

Монтаж печатной платы для высокоскоростных сигналов

В настоящее время, когда вы открываете Руководство по разводке печатных плат оригинального завода SoC, в нем упоминается проблема углового угла высокоскоростной маршрутизации сигнала.Скажут, что высокоскоростные сигналы следует прокладывать не под прямым углом, а под углом 45 градусов, и скажут, что лучше использовать дугу окружности, чем угол в 45 градусов.

Так ли это?Как следует устанавливать угол разводки печатной платы и что лучше: 45 градусов или дугу окружности?Возможна ли проводка под прямым углом 90 градусов?

Все начали бороться с углом разводки печатной платы, что произошло примерно за последнее десятилетие.В начале 1990-х годов компания Intel, доминирующий игрок в индустрии ПК, возглавила разработку технологии шины PCI.Кажется, начиная с интерфейса PCI, мы вступили в эпоху проектирования «высокоскоростных» систем.

Электронный дизайн и технологии производства микросхем развиваются в соответствии с законом Мура.Поскольку процесс производства микросхем продолжает совершенствоваться, скорость переключения транзисторов микросхем также увеличивается, а тактовая частота различных шин также увеличивается.Вопрос целостности сигнала также постоянно привлекает внимание и исследования.

В первые дни бактерии для прокладки кабеля на печатной плате были относительно простыми: они просто вытягивали и сглаживали цепь, чисто и красиво, не беспокоясь о различных проблемах с целостностью сигнала.Например, плата мультиметра HP classic HP3456A, показанная на рисунке ниже, имеет большое количество проводов под углом 90°, почти намеренно прямые углы, а подавляющее большинство участков не покрыто медью.

Верхний правый угол печатной платы не только проходит под прямым углом, но и уменьшает ширину линии после поворота, что может вызвать проблемы с отражением сигнала и повлиять на целостность сигнала.

В данной статье обсуждается вопрос маршрутизации угловых углов для высокочастотных/высокоскоростных сигналов.Мы рассмотрим преимущества и недостатки различных углов фрезерования, начиная с острых углов, заканчивая прямыми, тупыми углами, дугами и вплоть до любого угла.

Почему нельзя соединять печатные платы с острыми углами?

Ответ на вопрос, можно ли соединить печатную плату с острыми углами, отрицательный.Независимо от того, окажет ли использование проводов под острым углом негативное влияние на высокоскоростные линии передачи сигналов, с точки зрения только печатной платы DFM необходимо избегать появления проводов под острым углом.Это связано с тем, что на пересечении проводов печатной платы образуются острые углы, что может вызвать проблему, называемую кислотными ловушками.В процессе изготовления печатной платы, во время процесса травления схемы печатной платы, в «кислотных ловушках» может возникнуть чрезмерная коррозия схемы печатной платы, что приводит к проблеме виртуального разрушения схемы печатной платы.

Хотя мы можем использовать CAM 350 для аудита DFF, чтобы автоматически обнаруживать потенциальные проблемы с «кислотными ловушками», избегая узких мест при обработке во время производства печатных плат.Если технолог завода печатных плат обнаружит наличие кислотных ловушек, они просто воткнут в этот зазор кусок меди.

Многие инженеры на заводах по производству печатных плат на самом деле не разбираются в компоновке.Они ремонтируют кислотные ловушки только с точки зрения инженерной обработки печатных плат.Однако неясно, может ли этот ремонт привести к дальнейшим проблемам с целостностью сигнала.Поэтому при раскладке следует стараться максимально избегать кислотных ловушек от источника.

Как избежать острых углов при волочении проволоки, которые могут вызвать проблемы с кислотоуловителем DFM?Современное программное обеспечение для проектирования EDA (например, Cadence Allegro, Altium Designer и т. д.) включает в себя комплексные возможности трассировки компоновки.Когда мы гибко используем эти вспомогательные параметры при разводке макетов, мы можем в значительной степени избежать возникновения явления «кислотной ловушки» во время разводки.Выходной угол площадки для пайки устанавливается так, чтобы угол между проводом и площадкой для припоя не образовывал острых углов, как показано в примере ниже.

Используя функцию Enhanced Pad Entry в Cadence Allegro, мы можем свести к минимуму образование углов между проводами и площадками припоя во время проводки, тем самым избегая проблемы DFM с «кислотными ловушками».

Избегайте пересечения двух проводов с образованием острых углов.

Переключение опции «переключатель» при гибком применении проводки Cadence Allegro позволяет избежать острых углов и углов при выдергивании Т-образных ответвлений проводов, а также избежать возникновения проблем с «кислотными ловушками» DFM.

Можно ли разместить разводку печатной платы под углом 90 °?

Высокочастотные и высокоскоростные линии передачи сигналов не должны проходить под углами 90°, что является строгим требованием в различных руководствах по проектированию печатных плат.Высокочастотные и высокоскоростные линии передачи сигналов должны поддерживать постоянный характеристический импеданс, а использование поворота на 90 ° приведет к изменению ширины линии в углу линии передачи.Ширина линии под углом 90° примерно в 1,414 раза превышает нормальную ширину линии.Из-за изменения ширины линии это приведет к отражению сигнала.В то же время дополнительная паразитная емкость на углу также будет оказывать влияние на задержку передачи сигнала.

Разумеется, при распространении сигнала по однородной межблочной линии отражения или искажений передаваемого сигнала не будет.Если на единой линии межсоединения имеется угол 90°, это приведет к изменению ширины линии передачи печатной платы в этом углу.Согласно соответствующим расчетам теории электромагнетизма, это определенно повлияет на отражение сигнала.

Влияние маршрутизации под прямым углом на сигналы в основном отражается в трех аспектах:

Угол может быть эквивалентен емкостной нагрузке на линии передачи, замедляя время нарастания.

Ширина линии в углу 90° примерно в 1,414 раза превышает нормальную ширину линии, что приводит к разрыву импеданса и отражению сигнала.

ЭМП, создаваемые наконечником под прямым углом, где наконечник склонен излучать или принимать электромагнитные волны, что приводит к ЭМП.

Паразитную емкость, вызванную прямым углом линии передачи, можно рассчитать по следующей эмпирической формуле:

С=61Вт (Эр) 1/2/ЗО

В приведенном выше уравнении C относится к эквивалентной емкости в углу (в пФ), W относится к ширине линии (в дюймах), Er относится к диэлектрической проницаемости среды, а ZO — характеристическое сопротивление линии. линия передачи.

Для высокоскоростных цифровых сигналов угол 90° может оказывать определенное влияние на высокоскоростную линию передачи сигнала.Для наших нынешних высокоскоростных печатных плат высокой плотности общая ширина проводки составляет 4-5 мил, а электрическая емкость угла 90 ° составляет около 10 фФ.После расчета совокупная задержка, вызванная этой емкостью, составляет около 0,25 пс.Следовательно, угол 90° на проводе шириной 5 мил не окажет существенного влияния на текущий высокоскоростной цифровой сигнал (время нарастания 100 пс).

Для линий передачи высокочастотных сигналов, чтобы избежать повреждения сигнала, вызванного скин-эффектом, обычно используются более широкие линии передачи сигнала, например, с сопротивлением 50 Ом и шириной линии 100 мил.Ширина линии в углу 90° составляет около 141 мил, а задержка сигнала, вызванная паразитной емкостью, составляет около 25 пс.В это время угол 90° окажет очень серьезное воздействие.

В то же время линии микроволновой передачи всегда стремятся минимизировать потери сигнала.Разрыв импеданса в углу 90° и паразитная емкость снаружи могут вызвать ошибки фазы и амплитуды высокочастотных сигналов, несоответствия входных и выходных сигналов, а также возможную паразитную связь, что приводит к ухудшению характеристик схемы и влияет на характеристики передачи сигналов схемы печатной платы.

Что касается маршрутизации сигнала под углом 90°, то, по мнению Лао Ву, следует стараться максимально избегать маршрутизации под углом 90°.

Косая касательная под углом 45 градусов

Помимо радиочастотных сигналов и других сигналов с особыми требованиями, проводку на нашей печатной плате желательно прокладывать под углом 45°.Следует отметить, что при прокладке под углом 45° при одинаковой длине длина проводки на углу должна быть не менее чем в 1,5 раза больше ширины линии, а расстояние между намоткой линий одинаковой длины - не менее чем в 4 раза. ширина линии.Поскольку высокоскоростные сигнальные линии всегда передаются по импедансному пути, если расстояние между обмотками линий одинаковой длины слишком мало из-за паразитной емкости между линиями, высокоскоростные сигналы могут сокращаться, что приводит к неточной длине.Правила намотки современного программного обеспечения EDA позволяют легко установить соответствующие правила намотки.

Дуговая трассировка с помощью дуги

Если техническими условиями явно не предусмотрено использование кривых линий или ВЧ-линий передачи СВЧ, то я лично считаю, что нет необходимости использовать кривые линии из-за компоновки высокоскоростных и высокой плотности печатных плат, большого количества криволинейных линий. линии очень сложно ремонтировать на более позднем этапе, а большое количество кривых линий также отнимает много времени.Я считаю, что для высокоскоростных дифференциальных сигналов, таких как USB3.1 или HDMI2.0, все еще можно использовать дуги окружности.

Конечно, для линий передачи радиочастотного сигнала по-прежнему предпочтительно использовать для трассировки дуги окружности или даже использовать линии «внешнего косого разреза 45°».

Заключение

С развитием технологии беспроводной связи 4G/5G и постоянным обновлением электронных продуктов текущая скорость передачи данных по интерфейсу печатной платы достигла 10 Гбит/с или 25 Гбит/с или выше, а скорость передачи сигнала постоянно движется в сторону высокоскоростного направления.С развитием высокоскоростной и высокочастотной передачи сигналов выдвигаются более высокие требования к контролю импеданса печатной платы и целостности сигнала.

Для цифровых сигналов, передаваемых на печатных платах, многие диэлектрические материалы, используемые в электронной промышленности, включая FR4, считаются однородными при низкоскоростной и низкочастотной передаче.

Но когда скорость электронного сигнала на системной шине достигает уровня Гбит/с, это предположение об однородности перестает выполняться.В настоящее время нельзя игнорировать локальное изменение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя, вызванное зазорами между пучками стекловолокна, вплетенными в подложку из эпоксидной смолы.Локальное нарушение диэлектрической проницаемости приведет к пространственной корреляции задержки и характеристического сопротивления линии, тем самым влияя на передачу высокоскоростных сигналов.

Данные испытаний на тестовой подложке FR4 показывают, что из-за разницы относительного положения микрополосковых линий и жгутов стекловолокна измеренная эффективная диэлектрическая проницаемость линии передачи сильно колеблется, с разницей до Δε r=0,4.Хотя эти пространственные помехи кажутся небольшими, они серьезно повлияют на дифференциальную линию передачи со скоростью передачи данных 5–10 Гбит/с.

В некоторых проектах высокоскоростного проектирования, чтобы устранить влияние эффекта стекловолокна на высокоскоростные сигналы, мы можем использовать технологию зигзагообразной маршрутизации, чтобы смягчить влияние эффекта стекловолокна.

В Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 и последующих версиях реализована поддержка режима зигзагообразной проводки.

В меню Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 выберите «Маршрут -> Неподдерживаемый прототип -> Эффект переплетения волокна», чтобы открыть функцию зигзагообразной трассировки.

Двадцать лет назад при разводке печатной платы не нужно было беспокоиться о том, следовать ли изогнутым линиям или влиянию стеклянных волокон на высокоскоростные сигналы.Не существует фиксированного правила компоновки печатных плат, и с усовершенствованием технологии изготовления печатных плат и скорости передачи данных вполне возможно, что правильные правила, действующие сейчас, могут больше не применяться в будущем.