Verbesserung der Signalintegrität im PCB-Design: Wichtige Überlegungen und Strategien

Bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten (PCBs) ist die Sicherstellung der Signalintegrität entscheidend, um eine zuverlässige und effiziente Leistung zu erreichen. Signalintegrität bezieht sich auf die Bewahrung der Qualität elektrischer Signale, während sie durch die PCB reisen, frei von Verzerrungen und Störungen. Mehrere Faktoren beeinflussen die Signalintegrität, einschließlich Via-Design, Erdungsstrategien und Design für die Fertigbarkeit (DFM). Dieser Artikel untersucht diese kritischen Aspekte und bietet Einblicke und Beispiele, um PCB-Designern zu helfen, ihre Entwürfe für eine überlegene Signalintegrität zu optimieren.

Verständnis von Vias und deren Auswirkung auf die Signalintegrität

Vias sind wesentliche Komponenten im PCB-Design und bieten elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten einer Mehrlagenplatine. Es gibt verschiedene Arten von Vias, wie Durchkontaktierungen, blinde Vias und vergrabene Vias, die jeweils spezifische Zwecke erfüllen. Jedoch können Vias, obwohl sie entscheidend für die Erstellung komplexer Verbindungen sind, die Signalintegrität erheblich beeinflussen, wenn sie nicht korrekt entworfen werden.

Auswirkungen der Via-Induktivität und -Kapazität

Vias führen parasitäre Induktivität und Kapazität in das PCB-Layout ein. Die Induktivität von Vias kann Signalreflexionen und -degradation verursachen, insbesondere bei hohen Frequenzen. Beispielsweise kann in Hochgeschwindigkeits-Digitaldesigns die Induktivität von Vias zu Signalüberschwingen oder Klingeln führen, was die Leistung der Datenübertragung negativ beeinflusst. Ähnlich kann die Kapazität von Vias Impedanzfehlanpassungen erzeugen, was weiter zur Signalverzerrung beiträgt. Betrachten Sie zum Beispiel eine Hochgeschwindigkeits-Datenleitung, die mit 10 Gbps arbeitet. Wenn die Vias auf dieser Leitung nicht optimiert sind, können die parasitäre Induktivität und Kapazität zu signifikanter Signaldegradation führen, was zu Datenfehlern und reduzierter Übertragungseffizienz führt.

Strategien zur Via-Optimierung

Um die negativen Auswirkungen von Vias auf die Signalintegrität zu mildern, können Designer mehrere Optimierungsstrategien anwenden:

• Via-Anzahl minimieren: Reduzieren Sie die Anzahl der Vias auf Hochgeschwindigkeitssignalpfaden, um parasitäre Effekte zu minimieren.
• Microvias verwenden: Microvias haben eine geringere parasitäre Induktivität und Kapazität im Vergleich zu traditionellen Durchkontaktierungen.
• Via-Stubs entfernen: Entfernen Sie Via-Stubs oder halten Sie sie so kurz wie möglich, um Signalreflexionen zu reduzieren.
• Optimierte Via-Platzierung: Platzieren Sie Vias symmetrisch und nahe an den Masseebenen, um Induktivität und Kapazität zu minimieren.

Verschiedene Arten von Vias können im Via-Typen-Tab des Altium Designer Layer Stack Managers definiert werden

Erdungsstrategien für Hochgeschwindigkeits-PCBs

Erdungsflächen spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Signalintegrität in Hochgeschwindigkeits-PCBs. Sie bieten einen Rückweg für Signale, reduzieren elektromagnetische Interferenzen (EMI) und gewährleisten eine konsistente Signalperformance. Eine gut entworfene Erdungsfläche kann die Gesamtleistung der PCB erheblich verbessern.

Effektives Design von Erdungsflächen beinhaltet mehrere Techniken:

• Durchgehende Erdungsfläche: Reduzieren Sie die Anzahl der Vias auf Hochgeschwindigkeitssignalpfaden, um parasitäre Effekte zu minimieren.
• Mehrschichtige Erdungsflächen: Verwenden Sie in mehrschichtigen PCBs mehrere Erdungsflächen, um Bodenreflexionen zu reduzieren und die Signalintegrität zu verbessern.
• Angemessene Segmentierung der Erdungsfläche: Vermeiden Sie unnötige Segmentierungen der Erdungsfläche, da dies Impedanzdiskontinuitäten und Signalreflexionen erzeugen kann.

Beispielsweise kann in einem Hochfrequenz-RF-Design eine durchgehende Erdungsfläche unter den RF-Signalleitungen die Signalintegrität durch Bereitstellung eines stabilen Rückwegs und Minimierung von Rauschen unterstützen.

Erstellen von internen Ebenen mit dem Layer Stack Manager von Altium Designer

Design für die Fertigbarkeit (DFM) und Signalintegrität

Design für Herstellbarkeit (DFM) ist ein kritischer Aspekt des PCB-Designs, der sicherstellt, dass die Platine effizient und kostengünstig produziert werden kann, während die Signalintegrität erhalten bleibt. Hier sind drei wichtige DFM-Überlegungen speziell für Hochgeschwindigkeits-PCBs:

Zusammenarbeit mit Herstellern

Die frühe und fortlaufende Zusammenarbeit mit PCB-Herstellern ist entscheidend für den Erfolg jedes Hochgeschwindigkeits-PCB-Designprojekts. Diese Partnerschaft stellt sicher, dass das Design mit den Fertigungsmöglichkeiten und -beschränkungen des Herstellers übereinstimmt, was kostspielige Neugestaltungen und Produktionsverzögerungen verhindert. Hier ist, warum diese Zusammenarbeit so wichtig ist:

• Design Machbarkeit: Hersteller können Einblicke in das geben, was aufgrund ihrer Ausrüstung und Prozesse machbar ist. Dies hilft, das Design mit praktischen Fertigungsmöglichkeiten in Einklang zu bringen.
• Kosteneffizienz: Indem man die Fertigungsbeschränkungen und -fähigkeiten frühzeitig versteht, können Designer informierte Entscheidungen treffen, die die Kosten optimieren. Bestimmte Designmerkmale könnten beispielsweise teurer oder zeitaufwendiger in der Produktion sein.
• Qualitätssicherung: Hersteller können Feedback zu Designentscheidungen geben, die die Zuverlässigkeit und Leistung der PCB beeinflussen könnten, und sicherstellen, dass das Endprodukt Qualitätsstandards erfüllt.
• Prototyping und Testen: Enge Zusammenarbeit ermöglicht schnellere Iterationen während der Prototyping- und Testphasen. Hersteller können sofortiges Feedback zu Prototypen geben, was schnellere Designverfeinerungen ermöglicht.
• Konformität und Standards: Hersteller können sicherstellen, dass das Design den Branchenstandards und Vorschriften entspricht, was für die Produktzertifizierung und Marktzulassung entscheidend ist.

Altium 365 Fertigungsportal

Aspektverhältnis von Vias

Das Aspektverhältnis von Vias ist das Verhältnis der Länge (oder Tiefe) des Vias zu seinem Durchmesser. Dieses Verhältnis ist entscheidend, um die Herstellbarkeit und Zuverlässigkeit der Vias zu gewährleisten, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsdesigns, bei denen Vias eine geringe parasitäre Induktivität und Kapazität aufrechterhalten müssen.

Warum es wichtig ist:

• Herstellbarkeit: Hohe Aspektverhältnisse können schwer zuverlässig herzustellen sein, was zu potenziellen Defekten wie unvollständiger Beschichtung oder Hohlräumen führen kann.
• Signalintegrität: Vias mit angemessenen Aspektverhältnissen minimieren parasitäre Effekte, die sonst Signalintegritätsprobleme wie Reflexionen und Übersprechen verursachen können.

Umsetzung:

• Optimale Aspektverhältnisse: Halten Sie das Aspektverhältnis des Vias innerhalb der Fähigkeiten des Herstellers, typischerweise bei 10:1 oder weniger. Beispielsweise sollte ein Via mit einer Tiefe von 1 mm einen Durchmesser von mindestens 0,1 mm haben.
• Via-Typen: Verwenden Sie Mikrovias oder vergrabene Vias, wo hohe Aspektverhältnisse unvermeidlich sind. Mikrovias haben geringere parasitäre Effekte und lassen sich in kleinen Maßstäben leichter herstellen.

Zum Beispiel kann bei einer mehrschichtigen Hochgeschwindigkeits-PCB die Verwendung von Mikrovias mit einem niedrigeren Aspektverhältnis die Induktivität und Kapazität reduzieren, was die Signalintegrität verbessert.

Stack-Up-Design

Das Stack-Up-Design bezieht sich auf die Anordnung der verschiedenen Schichten der PCB, einschließlich Signallagen, Stromversorgungsebenen und Masseebenen. Ein optimiertes Stack-Up ist entscheidend für die Unterstützung von Hochgeschwindigkeitssignalen und die Reduzierung von Übersprechen zwischen Leiterbahnen.

Warum es wichtig ist:

• Signalintegrität: Ein ordnungsgemäßes Stack-Up-Design stellt sicher, dass Signalleitungen angemessene Referenzebenen haben, was den Signalverlust minimiert und die Signalintegrität aufrechterhält.
• Übersprechreduzierung: Ein gut entworfenes Stack-Up kann Signallagen effektiv isolieren, elektromagnetische Interferenzen (EMI) und Übersprechen zwischen benachbarten Signalleitungen reduzieren.

Implementierung:

• Schichtenanordnung: Platzieren Sie Signallagen neben durchgehenden Masse- oder Stromversorgungsebenen, um einen stabilen Rückweg für Hochgeschwindigkeitssignale zu bieten.
• Masseebenen: Verwenden Sie mehrere Masseebenen im Stack-Up, um Bodenreflexionen zu reduzieren und eine robuste EMI-Abschirmung zu bieten.
• Symmetrie: Entwerfen Sie das Stack-Up symmetrisch, um Verwerfungen während der Herstellung zu verhindern.

Beispielsweise könnte bei einer Hochgeschwindigkeits-PCB für ein Datenkommunikationsgerät ein typischer Stack-up abwechselnde Signal- und Masseebenen umfassen, um sicherzustellen, dass jede Signalebene eng mit einer Referenzebene gekoppelt ist, um Übersprechen zu minimieren und die Signalintegrität zu erhalten.

Schlussfolgerung

Die Erreichung und Aufrechterhaltung der Signalintegrität im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design erfordert einen umfassenden Ansatz, der Via-Design, Masseebenenstrategien und DFM-Überlegungen umfasst. Durch das Verständnis der Auswirkungen jedes Elements und die Anwendung von Best Practices können Designer zuverlässige und leistungsstarke PCBs erstellen, die den Anforderungen moderner elektronischer Anwendungen gerecht werden.

Der kommende Signal Analyzer von Keysight, integriert in Altium Designer, wird von unschätzbarem Wert sein, um Probleme der Signalintegrität anzugehen. Dieses Werkzeug wird die Fähigkeiten der Designer durch Bereitstellung fortgeschrittener Analyse- und Simulationsfunktionen innerhalb der Altium-Umgebung verbessern. Es wird detaillierte Bewertungen der Signalintegrität ermöglichen, frühzeitige Problemerkennung und effektive Lösungen, um optimale Leistung zu gewährleisten. Die nahtlose Integration wird den Arbeitsablauf vereinfachen, was es einfacher macht, die Signalintegrität aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Design- und Fertigungsanforderungen zu erfüllen. Diese Zusammenarbeit markiert einen bedeutenden Schritt nach vorne, um überlegene Signalintegrität im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design zu erreichen.