Wie der Fasergewebe-Effekt die Signalintegrität bei hohen Frequenzen beeinflusst

Bei vielen Geräten, die mit hohen Datenraten arbeiten und RF-Funktionen integrieren, müssen Entwürfe auf einigen starren Substraten ein unangenehmes Phänomen berücksichtigen: den Fasergewebe-Effekt. Tatsächlich können aufgrund des Fasergewebes im PCB-Substrat mehrere Probleme mit der Signalintegrität auftreten.

Bei ausreichend niedrigen Flankensteilheiten (> 1 ns) und Signalbandbreiten oder Frequenzen (< 1 GHz) würden Sie wahrscheinlich nie Effekte durch Glasfasergewebestile bemerken. Der Glasfasergewebe-Effekt zeigt sich erst, wenn Signalfrequenzen und Bandbreiten hoch genug werden, um Anwendungen wie 100G/400G oder schnellere Verbindungen, mmWave-Geräte und ultra-schnelle SerDes zu ermöglichen. In einigen HF-Systemen, bei denen Phasenabstimmung erforderlich ist (z. B. bei Phased-Array-Antennen mit einem Referenzoszillator), ist der Glasfasergewebe-Effekt ebenfalls sehr wichtig, um die Systemzeitsteuerung sicherzustellen.

Wie man über den Fasergewebe-Effekt nachdenken sollte

Der gebräuchlichste Verweis auf den Fasergewebefeffekt ist die Verzerrung, die zwischen Leiterbahnen entsteht, die auf einem PCB-Substrat verlegt sind. Diese Zeitverzerrung könnte zwischen zwei Seiten eines Differentialpaares auftreten, was die beiden Signale aus dem Gleichgewicht bringen könnte, oder zwischen mehreren einzelnen Leiterbahnen in einem parallelen Bus (wie DDR). Dies entsteht durch die abwechselnde Glas-Harz-Struktur von PCB-Laminatmaterialien; da Glas und Harz unterschiedliche Dk-Werte haben, werden Signale in diesen Bereichen unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben.

Selbst die fortschrittlichsten harzbasierten Laminate sind inhomogene, anisotrope Materialien, was bedeutet, dass ihre dielektrischen Eigenschaften im Raum und in verschiedenen Richtungen variieren. Alle auf Harz/Glas basierenden PCB-Laminatmaterialien werden mit einem Webstuhl hergestellt, der verwendet wird, um ein Glasgewebe als Verstärkung in einem PCB-Substrat zu erzeugen. Neuere Materialien, die speziell für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzdesigns entwickelt wurden, wie kürzlich veröffentlichte Laminate von Rogers Corp. und Isola, werden optimiert, um geringe Verluste und wünschenswerte CTE-, Tg- und thermische Leitfähigkeitswerte zu haben. Für die Isola-Laminate sind sie typischerweise in einer Reihe von Glasgewebestilen verfügbar, einschließlich Spread Glass.

Faserwebarten. Lockere Webarten (links) erzeugen größere Schieflagen und Impedanzvariationen auf einer Platine im Vergleich zu einer engen Webart (rechts). Bildnachweis: Chen et al. (MDPI).

Als Designer gibt es einige Optionen, die helfen können, die Effekte von Faserwebungen zu reduzieren, obwohl das Problem nicht vollständig beseitigt werden kann, wenn die Verlegung auf einem offenen Glasgewebestil erfolgt. Sie können sicherlich eine gewünschte Ausrichtung für eine Spur in Bezug auf die Anordnung der Faserwebung angeben, aber die Größen der Spuren und die typischen Methoden der Verlegung auf einem PCB-Substrat machen es schwierig, genau vorherzusagen, wo Ihre Spuren entlang der Platine verlaufen werden. Für diese Hohlräume in der Platine haben wir zwei Perspektiven, um die durch Faserwebungen erzeugte Schieflage zu untersuchen:

• Bei in Massenproduktion hergestellten Produkten, wo lockerere Webarten aus Kostengründen wünschenswert sein können
• Bei fortschrittlichen Platinen oder RF-Platinen, wo ohnehin ein teureres Material benötigt werden könnte

Wie der Stil der Faserwebung die Schieflage beeinflusst

Da Hohlräume in der Faserwebung durch Lücken zwischen Glasbündeln gebildet werden, werden Spuren, die über diese Hohlräume verlegt werden, eine andere Dielektrizitätskonstante im Vergleich zu den Glasbündeln sehen. Der Unterschied in den Dielektrizitätskonstanten kann je nach den im Substrat verwendeten Materialien einen Faktor 2 erreichen.

Es ist möglich, die Verzögerung, die sich zwischen zwei gleich langen Leiterbahnen ansammelt, abzuschätzen, wenn die Dielektrizitätskonstanten der Glas- und Harzkomponenten bekannt sind. Diese werden nicht immer in Datenblättern angegeben, aber diese Daten könnten verwendet werden, um einen Worst-Case-Verzögerungswert zwischen zwei Leiterbahnen zu bestimmen. Unter Verwendung des Unterschieds in den Ausbreitungsverzögerungen über jedes Material würden wir feststellen, dass die Worst-Case-Zeitverzögerung ist:

Annäherung an die Worst-Case-Verzögerung

Auch sehen Sie sich diese kürzlich veröffentlichte Publikation an, um einige experimentelle Daten zu betrachten, die mit verschiedenen Faserwebarten gesammelt wurden. Ein typischer Zeitverzögerungswert für ein offenes Gewebe könnte so groß wie 4 ps/Zoll oder höher bei herkömmlichen Glasgeweben sein (siehe oben genannte Zitation für einige Daten). Bei großen Platinen könnte dieser Beitrag zur Gesamtjitter ausreichend sein, um zwei schnelle Signale zu desynchronisieren.

In Wirklichkeit ist die Verzögerung durch Fasergewebe unvorhersehbar, einfach weil man nicht weiß, wo Ihre Leiterbahn landen wird, sobald die Platine hergestellt ist. Es gibt einige einfache Optionen, um sie zu reduzieren (siehe unten), aber der erste Schritt ist zu bestimmen, ob Verzögerung in Ihrem speziellen Design wirklich eine Rolle spielt. Da Verzögerung ein Problem des Zeitversatzes ist

Wird Verzögerung in Ihrem System eine Rolle spielen?

Das Erste, was Sie tun sollten, ist zu bestimmen, ob die Faserverwebungsschrägstellung in Ihrem speziellen System überhaupt merkliche Probleme verursacht. Nehmen Sie als Beispiel zwei Leiterbahnen in einem differentiellen Paar. Die Signale auf jeder Leiterbahn müssen innerhalb eines bestimmten Zeitfensters bei einem Empfänger ankommen. Wenn die erlaubte Abweichung zwischen den Signalen (das Zeitfenster) viel größer ist als die erwartete Schrägstellung auf einer gegebenen Route, dann könnte die Schrägstellung effektiv ignoriert werden.

Die gleiche Art der Analyse kann auf längenabgeglichene parallele Busse angewendet werden. Das ist ein Grund, warum Sie vielleicht Ihre differentiellen Paare sehr genau zeitlich abgleichen möchten. Dies lässt viel Spielraum für Schrägstellungen, die durch die Faserverwebung, zufälliges Jitter oder andere Jitterquellen, die Schrägstellung verursachen könnten, entstehen. In dem Fall, wo die Schrägstellung durch die Faserverwebung vergleichbar mit der erlaubten Zeitabweichung sein wird, sollte ein offenes Gewebe nicht verwendet werden.

Da Datenströme schneller werden und die Anstiegszeiten kleiner, wird sich das oben genannte Zeitfenster schließen, und dies legt mehr Wert auf die Reduzierung des gesamten Jitters, der innerhalb des Zeitfensters existieren könnte. Das ist ein Grund, warum wir uns auf Jitter konzentrieren, der durch Rauschen der Stromversorgung, Bodenschwankungen und Übersprechen in schnellen Schnittstellen verursacht wird, da sie auch zum gesamten Jitter beitragen.

Winklige Verlegung oder Drehung des Panels

Wie in einer kürzlichen Veröffentlichung im Signal Integrity Journal gezeigt wurde, kann das Verlegen von Leitungen in einem leichten Winkel zum Webmuster die Zeitverzögerung (Standardabweichung) von ~7 ps/in. auf weniger als 1 ps/in. reduzieren. Beachten Sie, dass dies ausschließlich für die Verzögerung aufgrund des Fasergewebes gilt; andere Quellen der Verzögerung wie zufälliges Jitter und Verzögerungsungleichheiten in parallelen Bussen oder differentiellen Paaren müssen dennoch berücksichtigt werden. Die beteiligten Winkel waren jedoch nur ~0,04 rad, was ~2,3 Grad entspricht. Mit anderen Worten, die Standardabweichung der Verzögerung kann um etwa 3 ps/Grad reduziert werden, bis zu einer maximalen Reduktion von ~7 ps.

Verzögerungsreduzierung Bildnachweis: Bogatin et al. (Signal Integrity Journal).

Was dies zeigt, ist nicht, dass die Schieflage durch das Verlegen unter einem Winkel beseitigt wird, sondern dass die Standardabweichung bei der Zeitmessung kleiner wird. Dies ist ein Grund, warum eine Leiterplattenfertigung das Artwork auf einem Panel drehen könnte (vielleicht um 10 Grad), um der durch das Fasergewebe verursachten Zeitverzögerung entgegenzuwirken. Anstatt die Leiterbahnen manuell zu verlegen oder im Zickzack zu führen, ermöglicht das Drehen des Artworks auf dem Panel dem Designer, wie gewohnt in ihrer PCB-Designsoftware zu arbeiten. Der Nachteil ist, dass das Artwork auf einem Panel zusätzlichen Platz beansprucht, was die Fertigungskosten pro Platine erhöht.

Spread Glass

Glas verteilt sich beim Einlegen in den PCB-Stackup, was sicherstellt, dass Faserbündel den Raum in der PCB-Laminat füllen, der von Harz besetzt ist. Indem der Harzbereich mit Glas gefüllt wird, erscheint das Material bei praktischen Frequenzen, die in der heutigen Elektronik verwendet werden, homogener. Dies minimiert die Schieflage zwischen jeder Spur in einem differentiellen Paar oder zwischen einseitigen Spuren in parallelen Bussen.

Set Differential Pair Spacing = Glas Pitch

Wenn der Glasgewebepitch bekannt ist, kann dieser als Abstand zwischen differentiellen Paaren verwendet werden. Dies stellt sicher, dass die Leiterbahnen eines Paares immer nahezu identische Geweberegionen entlang einer geraden Route belegen, was die Intra-Paar-Schräglage reduzieren wird. Eine ähnliche Entwurfsregel könnte in parallelen Single-Ended-Bussen und parallelen differentiellen Bussen verwendet werden.

Unverstärkte Laminate für HF-Platinen

Eine weitere Option für fortgeschrittene HF-Platinen ist die Verwendung eines unverstärkten PTFE-basierten Laminats, das kein Glasgewebe aufweist. Der Nachteil dieser Laminate, abgesehen von den Kosten, ist die Tatsache, dass sie in der Fertigung schwer zu handhaben sein können. Da sie keine strukturelle Verstärkung haben, werden sie manchmal als "nasse Nudeln" bezeichnet, da sie sich leicht biegen lassen. Als Ergebnis könnten sie ein höheres Potenzial für Schicht-zu-Schicht-Fehlregistrierungen haben. Für HF-Platinen, die mit Phased-Array-Antennen verwendet werden, ist die Eliminierung von Schräglagen bei langen Verbindungen sehr nützlich, besonders wenn Ihr Systemhostcontroller keinen Mechanismus zur Schräglagenkompensation über ein Einschaltkalibrierungsverfahren hat.

Periodische Belastung bei GHz-Frequenzen

Die Hohlräume in lockeren Fasergeweben sind im Wesentlichen teilweise offene Resonatoren, und Resonanzen, die in der Fasergewebestruktur eines PCB-Materials angeregt werden, sind in Simulationen oder Analysen nicht definiert oder beobachtet. Denken Sie daran, dass das elektromagnetische Feld nicht innerhalb einer Leiterbahn eingeschlossen ist, es existiert um die Leiterbahn herum und ist im umgebenden Medium eingeschlossen. Das bedeutet, dass ein hochfrequentes Signal oder ein digitales Signal mit großer Bandbreite eine oder mehrere Resonanzen in diesen Hohlräumen anregen kann. Diese Resonanzen können als Resonanzen in einem rechteckigen Kasten approximiert werden, und wir würden folgende Frequenzreihe erwarten:

Die niedrigste Ordnung der Fasergewebe-Resonanzfrequenz liegt typischerweise bei ~50 GHz für lockere Gewebe. Diese Resonanzen können dann subharmonische Hohlraumresonanzen durch resonante Kopplung anregen. Mit anderen Worten, die Fasergewebetaschen, benachbarte leitfähige Strukturen und die durch jede erzeugten Parasiten wirken als Quelle für abgestrahlte EMI. Dieses spezielle Problem wurde kürzlich im Signal Integrity Journal diskutiert.

Starke Resonanzen in diesen Hohlräumen können auch induktiv oder kapazitiv in benachbarte Schaltkreise einkoppeln. Diese Kopplung ist insbesondere bei RF-Signalketten ein Problem, die Leistungsverstärker, Hochleistungs-FET-Treiber und ähnliche Schaltungen umfassen, die starke RF-Felder erzeugen. Dieser Effekt zeigt sich als Abfall im Einfügungsdämpfungsprofil bei aufeinanderfolgenden Faserwebresonanzen. Sie können diesen Effekt messen, indem Sie die S-Parameter von einem Testcoupon mit einem Vektor-Netzwerkanalysator extrahieren.

Spektrumanalysator

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie, wenn Sie Probleme mit Resonanzen und Einbrüchen bei der Einfügungsdämpfung vermeiden möchten, nach dem engsten Glasgewebestil streben sollten, der Ihre Anforderungen an Verlust, CTE, Tg und Wärmeleitfähigkeit erfüllt. Ein engerer Gewebestil wird im Allgemeinen höhere Frequenzresonanzen haben, obwohl es definitiv Kompromisse geben wird, die ausbalanciert werden müssen. Eine genaue Berücksichtigung der Skew und die Sicherstellung einer kontrollierten Impedanz erfordert die Bestimmung der richtigen durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante, die in Ihren Impedanzberechnungen verwendet werden soll. Für den Fall, dass Hohlraumemissionen problematisch werden, könnten Sie in Erwägung ziehen, eine konforme Beschichtung als Abschirmmaterial zu verwenden.

Der Layer-Stack-Manager in Altium Designer^® ermöglicht es Ihnen, die durchschnittliche Dielektrizitätskonstante zu definieren, die Ihre Signale sehen werden, während sie entlang einer Signalleiterbahn reisen. Dies macht es zu einem idealen Werkzeug, um die Verzerrung durch den Fasergewebeeffekt auf Ihrer Platine auszugleichen. Die Tools zur Simulation nach dem Layout sind ebenfalls nützlich, um das Übersprechen zwischen Leiterbahnen, die Hochfrequenzsignale tragen, zu untersuchen und für die kontrollierte Impedanzverdrahtung. Sie haben Zugang zu einer umfangreichen Bibliothek von standardisierten Materialien und Gewebestilen, die Sie in Ihrem Stackup verwenden können.

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