PCB-Signale: Schlüsselelemente des Designs von Hochgeschwindigkeits-PCBs

• Verständnis der Herausforderung
  • Wie lang ist zu lang?
  • Die Impedanzen angleichen
  • Wo fließt die Rückkehr-Energie?
  • Differentielle Paare
  • Was ist mit Vias?
  • Nebensprechen
  • Im Takt tanzen
  • Das Board
    • Die Materialien
    • Die Schichten
    • Mögliche Schichtaufbauten
       

Verständnis der Herausforderung

Der Zweck dieses Artikels ist es, die Schlüsselelemente des Hochgeschwindigkeitsdesigns vorzustellen und dann zu diskutieren, wie jedes dieser Elemente in Altium Designer angegangen wird. Dieser Artikel versucht nicht, eine vollständige Diskussion über Hochgeschwindigkeitsdesign zu bieten; dafür gibt es eine Reihe von hocherfahrenen und gelehrten Designern und Ingenieuren, die ausgezeichnete Referenzpapiere und Bücher zu dem Thema geschrieben haben. Siehe den Referenzen Abschnitt für Links zu diesen Autoren und den Papieren, die während der Recherche für diesen Artikel verwendet wurden.

Was macht genau ein PCB-Design zu einem Hochgeschwindigkeitsdesign? Sicherlich geht es um Dinge, die schnell passieren, aber es geht nicht nur um die auf der Platine verwendete Taktrate. Ein Design ist ein Hochgeschwindigkeitsdesign, wenn es Geräte mit schnellen Kanten enthält - Geräte, die ihren Zustand so schnell wechseln, dass der Übergang abgeschlossen ist, bevor das Signal entlang der Route reisen und den Zielstift erreichen kann. In dieser Situation kann das Signal zum Quellstift zurückreflektiert werden, was die ursprünglichen Signaldaten verschlechtert oder zerstört. Ein Signal mit einer schnellen Kante kann auch von der Route abstrahlen und sich in benachbarte Routen einkoppeln oder weiter strahlen und elektromagnetische Interferenzen (EMI) werden, was dazu führt, dass das Produkt die obligatorischen Emissionsstandards nicht erfüllt.

Wenn ein Signal schnelle Kanten hat, ändert sich die Art und Weise, wie die Energie durch die Verdrahtung fließt. In einem Schaltkreis, in dem die Kantenraten langsam wechseln, kann man sich vorstellen, dass die Energie durch die Verdrahtung fließt wie Wasser durch ein Rohr. Ja, ein Teil der Energie geht aufgrund von Reibung verloren, wenn das Wasser durch das Rohr gedrückt wird, aber im Grunde kommt der größte Teil am anderen Ende an. Für einen Gleichstrom- oder Schaltkreis mit niedriger Schaltfrequenz können Sie den Widerstand der Route berechnen und sicherstellen, dass die Menge an Energie, die unterwegs verloren geht, die Schaltkreisleistung nicht beeinträchtigt.

Es ist nicht so einfach bei einem Hochgeschwindigkeitsdesign, denn neben der Energie, die als Elektronen durch das Routing-Kupfer fließt, reist bei einem schnell schaltenden Signal ein Teil dieser Energie auch als elektromagnetische Energie um das Routing-Kupfer herum. Jetzt entwirfst du nicht mehr nur Kupferwege für Elektronen; du entwirfst eine Reihe von Übertragungsleitungen, die in eine gedruckte Schaltkarte eingebettet sind.

Wie lang ist zu lang?

Wenn die Schaltgeschwindigkeit der Kante zunimmt, verhält sich die durch eine Route reisende Energie anders. Sie reist nicht mehr wie Wasser in einem Rohr. Stattdessen konzentriert sich die meiste Energie an der sehr Oberfläche der Route (bekannt als Skin-Effekt), wobei ein Teil der Energie tatsächlich als elektromagnetische Strahlung reist. Diese elektromagnetische Energie reist nicht durch den eigentlichen Leiter, sondern durch das Material, das die Route umgibt. Wie wenn man den Fuß durch Wasser zieht, verlangsamt sich das Signal tatsächlich, wenn Energie auf diese Weise reist. Jetzt sind es die Eigenschaften des Materials um die Route herum, die bestimmen, wie schnell das Signal reist und wie sehr seine Ankunft verzögert wird.

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Wann wird dies also zum Problem, die Zeit, die das Signal benötigt, um sich entlang der Route bis zum Ziel-Pin zu verbreiten? Wie eine Welle, die auf eine Wand trifft, wird ein Teil der Energie im Signal reflektiert, wenn das Signal am Ziel-Eingangspin ankommt und zurück zum Quellpin geschickt. Wenn diese reflektierte Energie zurück zum Quellpin gelangt, während der ursprüngliche Signaledge noch im Übergang ist, wird das ursprüngliche Signal stark genug sein, um die Reflexion zu überwinden, da es seinen Übergang abschließt und Ihr Signal wird in Ordnung sein. Wenn jedoch der Edge-Übergang abgeschlossen ist, bevor die reflektierte Energie zurückkommt, wie ein Echo im Canyon, wird diese reflektierte Energie mit dem ursprünglichen Signal interagieren und es verändern, vielleicht so sehr, dass man nicht mehr herausfinden kann, was eigentlich in den Canyon hineingerufen wurde.

Um zusammenzufassen, wenn die Reisezeit entlang dieser Hin- und Rückstrecke gleich oder länger als die Anstiegszeit des Signals ist, steht die Integrität dieses Signals in Frage und Ihr Design ist nun ein Hochgeschwindigkeitsdesign! Die Länge dieser Route wird als kritische Länge bezeichnet - Routen, die kürzer als diese sind, sollten keine Probleme mit der Signalintegrität erfahren, während Routen, die länger als diese sind, möglicherweise welche haben könnten.

Um Ihr Design zu analysieren, wird häufig die Faustregel der ¹/₃ Anstiegszeit verwendet, die besagt, dass wenn die Leitung mehr als ¹/₃ einer Anstiegszeit lang ist, Reflexionen auftreten können. Wenn beispielsweise der Quellpin eine Anstiegszeit von 1 nSek hat, dann muss eine Leitung, die länger als 0,33 nSek ist - was ungefähr 2 Zoll in FR4 entspricht - als Übertragungsleitung betrachtet werden und ist daher ein Kandidat für Probleme mit der Signalintegrität.

Angenommen, die Dielektrizitätskonstante ε_R  von FR4 beträgt 4, dann wird die Geschwindigkeit eines Signals in FR4 wie folgt angegeben:

V_p(FR4) = (299,792458 / √4) mm/ns

              =149,89 mm/ns (ungefähr 6 Zoll/ns)

Für FR4 kann die Leitungslänge, bei der Übertragungsleitungseffekte berücksichtigt werden müssen, berechnet werden als:

L_R ≥ T_R × 49,965 mm

Wenn T_R = 1nS

L_R ≈ 50mm (2 Zoll)

Wenn T_R = 100pS

L_R ≈ 5mm (0,2 Zoll)!! Auf einer Platine, auf der Signale mit diesen Geschwindigkeiten schalten, werden die meisten Leitungen Übertragungsleitungen sein.

Die Impedanzen angleichen

Da es nicht möglich ist sicherzustellen, dass alle Leitungen kürzer als die kritische Länge sind, wie stellen Sie sicher, dass die in Ihren Signalen codierten Informationen korrekt empfangen werden und nicht durch Reflexionen überlagert werden? Sie tun dies, indem Sie die Menge der zurückreflektierten Energie minimieren. Idealerweise möchten Sie, dass die gesamte Energie, die am Ziel-Eingangspin ankommt, in diese Komponente übergeht und nichts zurückreflektiert wird. Wie erreichen Sie das?

Um Reflexionen zu verhindern, müssen Sie die Route so planen und entwerfen, als wäre sie eine Übertragungsleitung. Warum? Weil eine Übertragungsleitung das besondere Verhalten aufweist, dass, wenn sie mit einer Impedanz abgeschlossen wird, die ihrer eigenen Impedanz entspricht, keine Energie reflektiert wird. Jetzt haben Sie eine Methode, um mit diesen Routen umzugehen, die länger als die kritische Länge sind; leiten Sie sie als eine Übertragungsleitung. Das bedeutet, dass Sie sie so verlegen, dass sie eine spezifische Impedanz haben, und sie dann mit derselben Impedanz abschließen.

Die Impedanz der Verlegung wird durch die Abmessungen der Verlegung (die Breite und Höhe des Rohres) und die Eigenschaften und Abmessungen der umgebenden Materialien definiert, die die umgebende Luft oder dielektrische Schichten sein werden. Um als Übertragungsleitung zu funktionieren, muss die Schicht, die an die Signalschicht angrenzt, eine Planarschicht sein. Durch sorgfältiges Anordnen der Schichten im Schichtstapel und Berechnen der Abmessungen und Eigenschaften kann eine spezifische Impedanz für die Verlegung erreicht werden. Dieser Ansatz für die Verlegung wird als kontrollierte Impedanzverlegung bezeichnet, bei der die Zielimpedanz konstant gehalten wird und die Materialabmessungen und -eigenschaften ausgewählt und angepasst werden, um diese zu erreichen.

Eine kontrollierte Impedanz auf einer PCB kann jedoch nicht allein durch Routing erreicht werden. Es gibt zwei Teile dieses Puzzles - die Kontrolle der Impedanz des Routings und die Anpassung dieser Impedanz an die Pins im Netz. Diese Anpassung erfordert oft das Hinzufügen von Abschlusskomponenten. Abschlüsse können nahe am Quellpin oder nahe am Zielpin hinzugefügt werden. Ein guter Ansatz, um herauszufinden, ob ein Hochgeschwindigkeitsnetz einen Abschluss benötigt, ist die Analyse des Designs mit einem Signalintegritäts-Simulator. Im Gegensatz zu einem Schaltungssimulator, der das Verhalten und die Interaktion der Komponenten modelliert und simuliert, modelliert ein Signalintegritäts-Simulator das Verhalten des Routings und seine Interaktion mit den Komponentenpins. Für die Signalintegritätssimulation werden die Komponenten nur hinsichtlich der I/O-Charakteristiken ihrer Pins modelliert.

Das Werkzeug zur Signalintegritätsanalyse muss:

• Netze identifizieren, die inakzeptable Reflexionsniveaus (Klingeln) aufweisen könnten
• Die potenziellen Reflexions- und Übersprechpegel als Wellenformen vorhersagen
• Eine What-if-Analyse potenzieller Abschlusskomponenten ermöglichen und bei der Auswahl geeigneter Abschlusskomponenten helfen

Eine Serie überlagerter Wellenformen, die das Verhalten eines Netzes darstellen, das über einen Bereich möglicher Abschlusswerte hinweg untersucht wird. Links ist unterminiert, rechts ist mit einem theoretischen 40Ω Serienabschluss.

Wo fließt die Rückkehr-Energie hin?

Aber warten Sie, es gibt noch mehr (oder sollte man sagen Moore?). Elektrische Energie fließt nur, wenn ein geschlossener Kreislauf vorhanden ist, daher muss die Energie, die entlang der Signalleitung fließt, auch einen Rückweg haben. Dieser Rückweg wird typischerweise durch die Erdungsleitungen bereitgestellt, die einen Rückweg für alle Signale im Design bieten müssen. Es gibt ein interessantes Phänomen, das bei Signalen mit schnellen Schaltkanten auftritt. Die zurückkehrende Energie eines Signals möchte entlang desselben gewundenen und drehenden Pfades zurückfließen, den die Signalleitung über die Platine genommen hat. Warum? Weil dies der Pfad mit der geringsten Impedanz für dieses Signal ist. Auch wenn es die kürzeste Distanz vom Zielkomponenten zurück zum Quellkomponenten fließen könnte, tut es das nicht.

Wenn ein Hochgeschwindigkeitssignal eine Trennung in einer Ebene überquert, wird eine Schleife erzeugt, was dazu führt, dass dieses Signal EMI erzeugt.

Also müssen Sie neben dem Denken an den Routingpfad für das Signal auch sicherstellen, dass es einen ununterbrochenen Pfad für den Rückstrom unmittelbar unter der Signalleitung gibt. Wenn die Rückenergie von unterhalb des Signalpfads abweichen muss, um ein Hindernis, wie ein Loch in der Ebene (einen Durchbruch), zu umgehen, dann wird eine Schleife erstellt. Die Schleife ist der Abstand zwischen den beiden Pfaden, wenn Sie in die Platine hinunterblicken, und die Fläche dieser Schleife steht im Verhältnis zur Menge der Energie, die nun von diesem Signal abgestrahlt wird. Wenn es einen unvermeidbaren Durchbruch in der Ebene gibt, erwägen Sie, die Signalleitung neu zu verlegen, um dem Rückweg zu entsprechen, da die Reduzierung der Schleifenfläche im Allgemeinen als wichtiger erachtet wird als die Minimierung der Leitungslänge.

Differentialpaare

Moderne Signaling-Technologien, wie Differentialpaare, helfen den Bedarf an einer hochwertigen Rückleiterebene zu reduzieren, indem sie den Signalweg und den Rückweg gemeinsam als Paar führen, wobei sichergestellt wird, dass sie sowohl in der Trennung als auch in der Gesamtlänge eng gekoppelt sind. Neben der starken Kopplung und der reduzierten Abhängigkeit von einem hochwertigen Referenzerdungsboden bieten Differentialpaare einen weiteren großen Vorteil - eine ausgezeichnete Immunität gegenüber Störungen.

Die elektromagnetische Energie, die als Teil jedes Signals um die Route herumreist, koppelt nicht vollständig in den Ziel-Eingangspin ein; ein Teil davon entweicht und stört benachbarte Signale. Diese entwichene Energie wird als elektromagnetische Interferenz (EMI) bezeichnet, und wenn sie in ein benachbartes Signal einkoppelt, entsteht das, was man Nebensprechen nennt. Differenzpaare sind gut darin, mit Nebensprechen umzugehen, weil die abgestrahlte Energie sowohl in das ausgehende Signal als auch in das Rücksignal koppelt und das, was man Gleichtaktstörung nennt (das Rauschen ist beiden Signalwegen gemeinsam), erzeugt. Wenn es nur ein einzelnes Signal gäbe, würde dieses Nebensprechen zu diesem Signal hinzugefügt und es verzerren. Aber die Eingangspins des Differenzpaares sind so konzipiert, dass sie den Unterschied zwischen den Pins im Paar betrachten und somit in der Lage sind, die Gleichtaktstörung abzulehnen.

Diese zwei Eigenschaften - die Fähigkeit, die Längen des Signals und seines Rückwegs genau abzugleichen, und die Fähigkeit, den Auswirkungen von Nebensprechen standzuhalten - machen Differenzpaare zur bevorzugten Lösung für Hochgeschwindigkeitssignale, die Datenraten von über 10 Gb/s auf einer PCB unterstützen können.

Was ist mit Vias?

Wenn das sorgfältige Steuern der Impedanz und das Sicherstellen eines hochwertigen Rückleiterpfades die ersten beiden Kanten des Dreiecks des Hochgeschwindigkeitsdesigns sind, dann sind Vias die dritte Kante dieses Dreiecks. Bei niedrigen Frequenzen hat ein Via wenig Einfluss auf die Signalqualität und kann ohne Berücksichtigung seiner Auswirkungen auf die Schaltungsleistung verwendet werden. Wenn Ihr Design jedoch als Hochgeschwindigkeitsdesign funktioniert, können die Vias die Schaltungsleistung und die Signalqualität beeinflussen.

Vias erscheinen sowohl als kapazitive als auch als induktive Diskontinuitäten, daher beeinflusst ihre Anwesenheit die Impedanz der Signalroute. Neben der Beeinflussung der Impedanz präsentiert sich ungenutzte Via-Barrellänge als Stummel, der Reflexionen erzeugen kann. Quantitative Studien haben gezeigt, dass ihre Auswirkungen durch die Adressierung jedes der folgenden Bereiche reduziert werden können:

• Verkleinerung der Größe des Ringes, an dem die Signalleitung mit der Durchkontaktierung verbunden ist.
• Entfernen ungenutzter Ringe auf Schichten, mit denen die Durchkontaktierung nicht verbunden ist.
• Erhöhung des Abstands vom Durchkontaktierungsbarrel zu benachbarten Planarschichten.
• Platzierung von Stitching-Durchkontaktierungen neben Signaldurchkontaktierungen, um einen Pfad für den Rückstrom des Signals zu bieten, damit dieser die Planarschichten wechseln kann.
• Sorgfältige Platzierung von Entkopplungskondensatoren neben der Durchkontaktierung, wenn eine andere Spannungsebene verwendet wird, um den Rückstrom des Signals zu führen.
• Entfernung von Durchkontaktierungsstummeln (dem extra, ungenutzten Teil der Durchkontaktierung, der über die Schicht hinausragt, die die Signalleitung nutzt, um auf die Durchkontaktierung zuzugreifen). Dies geschieht durch:
  • Durchkontaktierungsdesign und sorgfältige Schichtzuweisungen, die auf den Fertigungsprozess abgestimmt sind, und
  • kontrolliertes Tiefenbohren (Rückwärtsbohren), um den ungenutzten Teil des Durchkontaktierungsbarrels zu entfernen.

Mit einem kontrollierten Tiefenbohrprozess, oft als Rückwärtsbohren bezeichnet, können ungenutzte Durchkontaktierungsbarrels entfernt werden.

Ein anderer Ansatz, um die Auswirkungen von Vias in einem Hochgeschwindigkeitsdesign zu minimieren, ist die Verwendung von Mikrovias. Ein Mikrovia ist ein kleines Via. IPC-Standards (IPC/JPCA-2315 und IPC-2226) definieren Mikrovias als blinde oder vergrabene Vias mit einem Durchmesser von 6 Mil (0,15 mm) oder weniger. Ein Durchmesser von 6 Mil ist an der Grenze für mechanisches Bohren, daher werden Mikrovias typischerweise mit Lasern gebohrt. Es werden auch hybride Lasermodifizierte + kontrollierte Tiefenmechaniklochbohrungen Techniken verwendet, wie in diesem Papier dargelegt, was Vorteile in der Fertigung bietet.

Mikrovias bieten eine Reihe von Vorteilen:

• Reduzierte parasitäre Effekte (in der Größenordnung eines Zehntels eines gebohrten Durchgangsloch-Vias), was zu einer geringeren Induktivität führt.
• Kleinere Geometrien, die zu einem kleineren Ringdurchmesser führen.
• Reduzierte Größe des Ausblasens auf den Ebenen, durch die sie hindurchgehen.
• Entfernung oder Reduzierung der Stummellänge. Da sie als Teil des Schichtstapelprozesses während der Fertigung konstruiert werden, können sie zwischen spezifischen Start- und Endschichten verbinden. Obwohl sie nicht jede beliebige Schichtpaarung überbrücken können, kann eine sorgfältige Auswahl der Signallagen, die für Hochgeschwindigkeitssignale verwendet werden, sicherstellen, dass diese Lagen Zugang zu einer Mikrovia-Start-/Stoppschicht haben.

Nebensprechen

Da ein Teil der Energie eines Hochgeschwindigkeitssignals durch das Material um die Leiterbahn herum übertragen wird, ist es unvermeidlich, dass ein Teil dieser Energie in benachbarte Leiterbahnen eingekoppelt wird. Dieses Phänomen, bekannt als Nebensprechen, verschlechtert die Qualität dieses Signals. In der Sprache der Signalintegrität wird das Signal, das die Energie abstrahlt, als Aggressor-Netz bezeichnet, und das Signal, das die Nebensprechenergie empfängt, als Opfer-Netz. Wie kann man also die Menge der vom Aggressor abgegebenen Energie reduzieren und wie kann man verringern, wie viel dieser Energie in das Opfer eingekoppelt wird? Der grundlegende Ansatz besteht darin, die Menge der vom Aggressor abgegebenen Energie durch Impedanzanpassung und korrektes Design des Signalrückführungspfades zu reduzieren und potenzielle Opfer-Netze von Aggressoren fernzuhalten.

Taktsignale und andere periodische Signale sind die Hauptquellen für Übersprechen in einem Design. Eine oft verwendete Faustregel ist sicherzustellen, dass potenzielle Aggressoren, wie Uhren, von potenziellen Opfern dreimal der Breite der Verdrahtung (von Mitte zu Mitte gemessen) getrennt sind. Dies ist als die 3-W-Regel bekannt. Oder in Begriffen von Kante zu Kante muss der Abstand mindestens zweimal die Breite der Verdrahtung betragen. Dies ist ein großer Freiraum, daher müssen Sie selektiv sein, bei welchen Netzen dies angewendet wird. Hochbedrohliche Aggressoren, wie Uhren, sind eine Gruppe. Die andere Hauptgruppe, die berücksichtigt werden sollte, sind die empfindlicheren potenziellen Opfer, wie Differenzialpaare; diese Gruppe profitiert auch von einem Paar-zu-anderem-Signal-Abstand von 3-W.

 
Vorhergesagtes Klingeln auf einer unterminierten Aggressor-Leitung (grüne Wellenform) und das resultierende Übersprechen in der benachbarten Opferleitung (blaue Wellenform). Beachten Sie, dass jede Grafik einen anderen Spannungsmaßstab hat.

Im Takt Tanzen

Zuletzt gibt es noch die Zeit, die ein Signal benötigt, um seinen Ziel-Eingangspin zu erreichen. Generell existiert ein Signal nicht isoliert. Es arbeitet in Harmonie mit einer Vielzahl anderer Signale. Ein einfaches Beispiel wären die 8 Bits in einem Byte Daten. Nicht nur muss das gesamte Byte innerhalb der erlaubten Zeit ankommen, auch müssen alle Bits des Bytes gleichzeitig ankommen. Die Zeit, die ein Signal benötigt, um von einem Ausgang zu einem Eingang zu gelangen, wird als Flugzeit bezeichnet, und jegliche Unterschiede in den Ankunftszeiten der Bits werden als Signalverzerrung bezeichnet.

Die Schlüsselfaktoren, die sowohl die Flugzeit als auch die Verzerrung beeinflussen, sind:

• Die Länge der Signalwege, d.h. wie weit die Signale reisen müssen.
• Die Materialien, durch die die Signale reisen; dies beeinflusst, wie schnell die Signale reisen.

Die Verwaltung dieser erfordert Berücksichtigung von:

• Komponentenplatzierung - eine gute Platzierung der Komponenten ist ein Schlüsselelement für ein erfolgreiches Hochgeschwindigkeitsdesign. Verwenden Sie die Manhattan-Länge, um die anfängliche Platzierung verschiedener Komponenten zu leiten, die ähnliche Routenlängen benötigen, zum Beispiel DDR3-Speichergeräte, die in einer T-Branch-Topologie konfiguriert sind.
• Materialauswahl - das Material, aus dem die PCB hergestellt wird, ist ein kritischer Faktor in einem Hochgeschwindigkeitsdesign. FR4 hat der PCB-Industrie jahrzehntelang gute Dienste geleistet, aber seine Verwendung wird in Hochgeschwindigkeitsdesigns zu einem begrenzenden Faktor, da die inkonsistente Dielektrizitätskonstante von FR4 Skew erzeugt. Material wird im folgenden Abschnitt näher besprochen.
• Gesamtroutenlänge - neben der Beeinflussung der Flugzeit sind die Gesamtlängen auch wichtig beim Routing von Sets verwandter Netze. Zum Beispiel spezifizieren DDR-Timing-Anforderungen, dass die Clock-Route länger als die Adress- und Steuerrouten ist. Diese Anforderungen werden durch Längen-Designregeln verwaltet.
• Abgeglichene Routenlängen - Skew wird durch das Angleichen von Routenlängen verwaltet. Es ist die längste Route in einem Set von Signalen, die die Routenlänge für jedes Netz in diesem Set bestimmt. Längen werden durch das Definieren von Abgeglichenen Längen-Designregeln angeglichen, indem jede kürzere Route verlängert wird, um die spezifizierte Länge zu erreichen.

Differentialpaare - die Längen sind innerhalb der Paare abgeglichen und auch zwischen den Paaren (Bild mit freundlicher Genehmigung von FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com).

Die Platine

All dies geschieht auf der gedruckten Schaltplatine. Seit ihrer ersten Erstellung in den 1940er Jahren hat die bescheidene PCB enorme Verfeinerungen in der Fertigungstechnologie und den Materialien erfahren. Dies hat zu enormen Reduzierungen in der Größe der Merkmale geführt, einschließlich der Verdrahtung und der Vias. Leiterbahnen werden nicht mehr mit 20 mil Breite hergestellt. Jetzt können sie so klein wie 2 mil breit sein; und ein kleines Via ist nicht mehr 30/18 mil (Land/Loch) - es ist 12/6 mil. Ein neuer Name wurde geschaffen, um Designs zu beschreiben, die Merkmale dieser Größe verwenden - High-Density Interconnect (HDI) Techniken. Obwohl es mehr kostet, die kleineren Merkmale auf HDI-Platinen zu erstellen, bedeutet ihre kleinere Größe, dass das fertige Design weniger Schichten verwenden kann, kürzere Routen hat und eine verbesserte Signalintegrität aufweist, was letztendlich zu einer Platine führen kann, die nicht unbedingt mehr kostet (aber viel schwerer zu testen und zu reparieren sein kann).

Die Materialien

Ein großer Teil der Herausforderung bei einem Hochgeschwindigkeitsdesign besteht darin, das Medium zu verwalten, durch das die Signale übertragen werden. Traditionelles FR4 hat jahrzehntelang ein kostengünstiges und effektives Substratmaterial für Platinen bereitgestellt, aber die nicht homogene Struktur des in Harz eingebetteten Glasfasergewebes wird zu einem begrenzenden Faktor für Hochgeschwindigkeitsdesigns. Das Harz hat eine andere dielektrische Konstante (≈3) als das Glasfasergewebe (≈6), und da das Glasfasergewebe eine gewebte Struktur mit Lücken im Gewebe ist, sieht das Signal eine sich ändernde dielektrische Konstante, während es über die Platine reist. Deshalb gibt es eine Reihe von FR4-Materialien. Bessere Materialien haben eine engere Gewebestruktur, die eine konsistentere dielektrische Konstante bietet. Die dielektrische Konstante von FR4 ändert sich auch mit der Temperatur um bis zu ± 20%.

Es gibt überlegene Materialien für die PCB-Herstellung, wie Teflon oder Keramik, aber diese kommen zu einem Preis. Das Material, aus dem die Platine hergestellt wird, muss früh im PCB-Designprozess in Absprache mit dem Hersteller ausgewählt und berücksichtigt werden. Um die Materialauswahl gegen die Materialkosten abzuwägen, erlauben viele PCB-Hersteller eine Mischung von Materialien, sodass die teuren Materialien nur für die Schichten verwendet werden, die die Hochgeschwindigkeitssignale tragen.

Die Schichten

Wie bei vielen Aspekten des Designs von Leiterplatten ist die Bestimmung der optimalen Anzahl von Lagen sowohl Kunst als auch Mathematik. Das Fanout und das Escape-Routing von dichten BGAs haben einen starken Einfluss auf die Anzahl der Routing-Lagen. Ein Test-Fanout und Escape-Routing für die dichteste BGA im Design durchzuführen, kann helfen zu überprüfen, ob genügend Signallagen vorhanden sind. Ein anderer Ansatz, empfohlen von Barry Olney von In-Circuit Design, besteht darin, einen Test-Autoroute auf der Platine durchzuführen. Er schlägt vor, dass, wenn mindestens 85% der Routen abgeschlossen werden, die Platine mit dem aktuellen Lagenaufbau manuell geroutet werden kann.

Das Hinzufügen und Zuweisen von Lagen erfolgt paarweise. Allgemein hat man entweder ein Paar von Planlagen für jedes Paar von Signallagen oder ein Paar von Planlagen für je zwei Paare von Signallagen. So wird eine Vier-Lagen-Platine zwei Plan- und zwei Signallagen haben; eine Sechs-Lagen-Platine wird zwei Plan- und vier Signallagen haben, eine Acht-Lagen-Platine wird vier Plan- und vier Signallagen haben, und eine Zehn-Lagen-Platine wird vier Plan- und sechs Signallagen haben. Beachten Sie, dass dies nur eine Richtlinie ist; das übergeordnete Ziel ist es, sicherzustellen, dass jede Hochgeschwindigkeitssignallage an eine Planlage angrenzt.

Nicht alle Signale sind Hochgeschwindigkeitssignale, und nicht alle Schichten können als Hochgeschwindigkeits-Routing-Schichten konfiguriert werden. Daher ist es üblich, die Hochgeschwindigkeitssignale auf bestimmten Schichtpaaren zuzuweisen und zu verlegen. Jedes Signallagenschichtpaar sollte eine Schicht für das vertikale Routing und die andere für das horizontale Routing zugewiesen bekommen, und dies sollte so gut wie möglich befolgt werden, um das Übersprechen zwischen den benachbarten Schichten zu reduzieren. Das Hochgeschwindigkeitspaar kann entweder auf einer Seite einer Planarschicht oder zwischen zwei Planarschichten positioniert werden.

Die Dicke des Dielektrikums zwischen den Hochgeschwindigkeitssignalschichten und der Referenzplanarschicht wird so eingestellt, dass die erforderliche charakteristische Impedanz erreicht wird; typischerweise wird dies weniger als 10 mils (0,25 mm) sein. Um die insgesamt erforderliche Plattendicke aus mechanischen Gründen zu erreichen, justieren Sie die Dicke einer Dielektrikumschicht(en), die nicht an eine Hochgeschwindigkeitssignalschicht angrenzt, zum Beispiel die Kernmittelschicht.

Mögliche Schichtstapelungen

Die untenstehende Tabelle zeigt eine Reihe möglicher Schichtstapelungen und Schichtzuweisungen. Die Anordnung von Hochgeschwindigkeitspaaren und allgemeinen Zweckpaaren kann geändert werden, zum Beispiel, wenn Ihr Sechsschicht-/Durchkontaktierungsdesign die Hochgeschwindigkeitssignale auf der obersten Schicht routen kann, ist dies eine gute Option, wenn dies bedeutet, dass die Hochgeschwindigkeitssignale keine Vias verwenden müssen. Halten Sie jede Hochgeschwindigkeitsschicht neben einer Planarschicht und die umgebenden Dielektrikum-Dicken für die Hochgeschwindigkeitsschichten gleich.

Vorgeschlagene Lagenaufbauten für 4-, 6-, 8-, 10- und 12-Lagen-Platinen.

Nun, da Sie die Herausforderungen des High-Speed-PCB-Designs verstehen, erfahren Sie mehr:

• Altium Designer Funktionen für High-Speed-Design
• Dokumentation über das direkte Angehen dieser Herausforderungen in Altium Designer