Signalintegrität bei Mehrschichtigen PCBs: Ein Kompletter Leitfaden

Das Design von Mehrfach-Platinen klingt an der Oberfläche sehr einfach. Man entwirft eine Zusammenstellung mehrerer Platinen und verbindet sie mit Kabeln, Randverbindungen, Mezzanin-Steckverbindern, Pogo-Pins usw. Mehrfach-Platinen haben jedoch eine Reihe von Herausforderungen bezüglich der Signalintegrität, die in Systemen mit nur einer einzigen Platine nicht immer vorhanden sind. Ob man eine einzelne Platine oder eine Zusammenstellung mehrerer Platinen hat, die Signalintegrität muss aufrechterhalten werden, besonders in fortschrittlichen Systemen, die in Bereichen wie Militär, Luft- und Raumfahrt, HPC und KI zu finden sind.

Wo wendet man also die Prinzipien der Signalintegrität in einer Mehrfach-Platinen-Zusammenstellung an? Es gibt einige Bereiche, in denen die Signalintegrität aufrechterhalten und oft experimentell qualifiziert werden muss:

• Steckerbelegungen und Schnittstellen
• Kabel- und Kabelbaumdesigns
• Verbindungen zurück zu einem Gehäuse, z. B. einem metallisierten Gehäuse

Probleme mit der Signalintegrität in diesen Bereichen können sich auch zu EMI/EMC-Problemen entwickeln, und das gilt besonders für Mehrfach-Platinen.

In diesem Leitfaden werde ich versuchen zu veranschaulichen, wie man Komponenten auswählt und Verbindungen so gestaltet, dass die Signalintegrität über mehrere Platinen hinweg erhalten bleibt. Diese Schritte eliminieren jedoch nicht die Notwendigkeit der Signalintegrität auf der PCB selbst; beide Bereiche sind im System wichtig und helfen, EMI-Probleme zu verhindern.

Signale und Emissionen bei Mehrfach-Platinen-Verbindungen

Wenn wir von Mehrfach-Platinen-PCB-Design sprechen, übertragen wir offensichtlich Signale zwischen zwei PCBs, daher sollten wir etwas über die Signale und die potenziellen Emissionen, die sie erzeugen können, wissen. Diese Bezugnahme auf Emissionen ist einer der Kernpunkte, die EMI/EMC und Mehrfach-Platinen-PCB-Design miteinander verbinden.

Die Art der Emissionen und Störungen, die Sie erwarten können, hängt von der Art des Signals ab, das Sie zwischen zwei PCBs senden müssen:

• Differentielle Signale, die selbstreferenzierend sind
• Einzelendige Signale, die eine Referenz benötigen
• Sinusförmige oder schmalbandige Signale, die in der Regel einzelendig sind

Die Art des Signals und die Flankensteilheit bestimmen das Design Ihres Pinouts, vorausgesetzt, ein Pinout wurde nicht bereits für Sie festgelegt. Wenn Sie Ihr Pinout angemessen gestalten und den passenden Steckverbinder auswählen können, können Sie die Signalintegrität über die Steckverbinderschnittstelle hinweg sicherstellen.

Neben dem Design des Pinouts kann auch der Steckverbinder selbst für Probleme mit der Signalintegrität verantwortlich sein. Das Hauptproblem bei der Signalintegrität, das bei Board-zu-Board-Verbindungen auftreten kann, ist eine übermäßige Reflexion, die zu Strahlung führt. Im Nahfeld kann die Strahlung direkt auf den Steckverbinderkörper selbst zurückgeführt werden, insbesondere aufgrund des Fehlens eines konsistenten Massebezugs, der ein Signal enthalten würde. Schließlich kann ein bestimmter Stecker, obwohl er ein geeignetes Pinout hat und für eine bestimmte Datenrate ausgelegt ist, durch falschen Leiterbahneintritt in den Steckverbinderkörper oder verbleibende Stummel einen übermäßigen Verlust verursachen.

Zuerst schauen wir uns die Art von Steckverbindern an, die in Situationen benötigt würden, in denen die Signalintegrität ein großes Anliegen ist.

Beste Steckverbinderarten für Signalintegrität

Die großen Steckverbinderhersteller haben mehrere Board-zu-Board-Verbindungssysteme entwickelt, die für die Verwendung bei sehr hohen Datenraten als bewährt gelten. Mit anderen Worten, diese Steckverbindersysteme haben sich als erfolgreich bis zu sehr hohen Kanalbandbreiten erwiesen, wie sie aus Geräteparametern bestimmt wurden. Einige Beispiele für diese Steckverbinderarten umfassen:

• Kantenmontierte Board-zu-Board-Steckverbinder mit gleitenden Stiftkontakten
• Blattsteckverbinder (vertikal und kantenmontiert)
• Durchsteckmontage-Schlitz- oder Blattsteckverbindersysteme, wie in VPX-Systemen
• Gleitstift-Steckverbindersysteme
• Koaxiale Steckverbinder für Steckverbinderarrays
• Hochdichte BGA-Montagesteckverbinder

Ein großartiges Beispiel für ein Teil, das diese sehr hohen Signalraten unterstützen kann, ist das Samtec 40-Pin QTE/QSE passende Steckverbindungs-Paar, das besser bekannt ist als der SYZYGY-Steckverbinder.

Teilenummer: Samtec QTE-020-01-F-D-A

Im Bereich der RF-Systeme, insbesondere bei mm-Wellensystemen, gibt es auch gebündelte Koaxialsteckverbinderprodukte, die auf einer PCB montiert werden können und mit einem Kabel verbunden werden. Zum Beispiel der unten gezeigte gebündelte SMPM-Steckverbinder.

Teilenummer: TE Connectivity 2441485-1

Schließlich präsentiere ich immer gerne ein Beispiel für einen Durchsteckverbinder, der in VPX-Backplanes zu finden ist, um die Nützlichkeit dieser Verbinder auch bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen zu veranschaulichen. Obwohl der Verbinder als Durchsteckkomponente montiert wird, verwendet die Board-zu-Board-Schnittstelle keine Pins, wie man sie bei einem Header finden würde. Stattdessen handelt es sich um Schiebekontaktverbinder, die mit sehr hohen Datenraten kompatibel sind.

Amphenol SpaceVPX VITA 78 Steckverbinder

Da dieser spezielle Verbinder durchgesteckt in eine Leiterplatte montiert wird, müsste man bei den Pins mit der höchsten Geschwindigkeit Rückbohrungen durchführen, oder man müsste quer durch den gesamten Stack-up routen. Eine andere Option wäre die Verwendung von Boomerang-Vias, aber typischerweise verwenden die Platinen, in denen dieser Typ von Verbinder eingesetzt wird, keine HDI-Aufbauschichten, aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit.

Daher, wenn Durchsteckmontageverbinder verwendet werden, um Signale in Hochgeschwindigkeits-Digitalkanälen zu übertragen, stellen Sie sicher, dass Sie die Routen sorgfältig planen, sodass Sie Signale quer durch den Stack-up routen können. Hier wird auch die Pinbelegungsplanung wichtig, wie wir gleich sehen werden.

Pinbelegungsdesign für Hochgeschwindigkeits-Mehrboard-Verbindungen

Pinbelegungen für Mehrfachplatinen-Verbindungen, die Hochgeschwindigkeitssignale unterstützen, müssen eine Erdungsreferenz über eine Platinen-zu-Platinen-Verbindung einschließen. Dies gilt sowohl für direkte Platinen-zu-Platinen-Verbindungen als auch für Platinen-zu-Kabel-Verbindungen. Genau wie bei einem PCB-Stack-up, wo wir bestimmte Schichten als Masseebenen zuweisen, möchten wir bestimmte Pins in einer Steckerbelegung als Masse zuweisen.

Eine sehr einfache Faustregel ist, Pins zwischen digitalen Signalen zu erden. Eines der gängigen Beispiele, die ich zeige, befindet sich in einem anderen Artikel über das Routing in Backplanes, speziell VPX-Backplanes. Das Bild unten zeigt das Routing von differentiellen Paaren in eine Pinbelegung, die mit mehreren Gigabit pro Sekunde läuft. Beachten Sie, dass dieser Stecker ein vertikal montiertes Durchsteckelement ist und die eingehenden Leiterbahnen nahe der hinteren Schicht liegen, um möglichst wenig überschüssigen Stummel zu hinterlassen.

Diese Gbps-differentiellen Pins verlaufen diagonal in dieser Pinbelegung und sie sind durch Masse voneinander getrennt. Obwohl man viele weitere Signale durch diesen Stecker führen könnte, ist die Zuweisung vieler Pins zu Masse wesentlich, um differentielle Übersprechen und abgestrahlte Emissionen zu unterdrücken.

Pinbelegungsrichtlinien

Befolgen Sie diese einfachen Richtlinien für das Design von Pinbelegungen, um die Signalintegrität zu gewährleisten:

• Verwenden Sie, wo möglich, verschränkte Massepins
• Platzieren Sie einseitige Pins neben Massepins
• Bei differentiellen Paaren platzieren Sie die positiven und negativen Pins nebeneinander
• Vermeiden Sie das Überlappen von differentiellen Pins in mehreren Reihen
• Wenn es ungenutzte Pins gibt, verbinden Sie alle mit GND

Warum wir Masse bei Pins verschränken

In den obigen Beispielen können Sie sehen, dass die eingehenden Signalepins von Massepins umgeben sind. Dies wird aus drei Gründen gemacht:

• Um das Übersprechen von Pin zu Pin zu minimieren
• Um eine konsistente Eingangsimpedanz in den Stecker zu setzen
• Um abgestrahlte Emissionen von Signalen zu unterdrücken
• Um gemeinsamen Modus-Lärm auf differentiellen Pins zu enthalten

Dies sind die grundlegenden Gründe, warum wir Massepins sowohl bei einseitigen Verbindungen als auch bei differentiellen Verbindungen, die in einen Mehrpin-Stecker führen, einbeziehen. Der Hauptgrund ist, eine Masse für einseitige Signale bereitzustellen, was abgestrahlte Emissionen und unabhängiges Übersprechen reduzieren wird, besonders wenn ein Signal auf ein Kabel herausgeführt wird. Der zweite Grund ist, dass oft eine Masse in Kabeln benötigt wird, um die Kabelimpedanz festzulegen, was für standardisierte Kabel mit verdrillten Paaren, wie USB-Kabel, zutrifft.

Das Gleiche gilt für Steckverbinder und Kabel mit differentiellen Signalen. Obwohl differentielle Paare selbstreferenzierend sind, verändert die Anwesenheit von Masse das elektrische Feld um das differentielle Paar herum, und das ist der Grund, warum es das Potenzial für differentielle Übersprechen beeinflusst.

Leiterbahneinführungsrouting

Steckverbinder für Hochgeschwindigkeitssignale haben möglicherweise keine spezifischen Empfehlungen zur Leiterbahneinführung im Datenblatt des Bauteils, wenn die Leiterbahnen auf derselben Ebene wie die Steckverbinderstifte liegen. Der Steckverbinder hat eine gewisse Eingangsimpedanz, die in Ihr Kabel oder den passenden Steckverbinder hineinschaut, und diese muss an die Impedanz der Übertragungsleitung angepasst werden. Normalerweise handelt es sich hierbei einfach um eine 50-Ohm-Impedanz für einseitige Leiterbahnen oder eine 100-Ohm-Differentialimpedanz für differentielle Leiterbahnen.

Ein wichtiger Hinweis zu differentiellen Leiterbahnen: Eine 100-Ohm-Differentialimpedanz entspricht in diesem Fall wirklich einer 50-Ohm ungeraden Modusimpedanz. Wenn die Verbindung differentiell ist, stellen Sie sicher, dass Sie auf die differentielle Impedanz des Steckverbinders abgleichen.

Ein Beispiel für eine Leiterbahneinführung bei einem zweireihigen Hochdichtesteckverbinder finden Sie unten. Im Bild haben wir einseitige Leiterbahnen und differentielle Leiterbahnen.

In diesem Bild des Leiterbahneintrags sind die differentiellen Paare weit vom Stecker entfernt verteilt, aber die Leiterbahnen kommen näher zusammen, wenn sie in den Stecker eintreten. Es ist angebracht, diese näher zusammenzuführen, wenn die Route zu den Steckerstiften führt, genau wie Sie es tun würden, wenn Sie zu den Stiften auf einem integrierten Schaltkreis kommen. Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal dieses Steckers ist der zentrale Kontakt, der GND zugewiesen ist und die Verwendung mehrerer differentieller Paare innerhalb der Stiftgruppe ermöglicht.

Als Nächstes ist zu beachten, dass die Breiten der Leiterbahnen ähnlich der Größe der Pads sind. Es ist möglich, dass die Leiterbahn breiter als die Padgröße ist, aber Sie müssen möglicherweise die Leiterbahn verjüngen, wenn sie in das Pad kommt. Dies kann erforderlich sein, da die Leiterbahnen in der Nähe der Stifte zusammenkommen könnten, was zu einem Verstoß gegen Freiräume führen könnte, und eine Verjüngung wäre erforderlich. Denken Sie daran, dass es sich um Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz handelt, also wenn Sie schmalere Leiterbahnen benötigen, müssen Sie das Substrat dünner machen oder einen höheren Dielektrizitätskonstantenwert verwenden.

Schließlich können wir den Leiterbahneintritt durch Vias haben, und dies könnte als Via im Pad oder ein Übergang weiter zurück von den Steckerstiften erfolgen. Abhängig vom Stiftabstand müssen Sie möglicherweise die Vias auseinanderrücken, um einen DRC-Fehler wegen zu geringem Abstand zu vermeiden.

Denken Sie daran, dass wir es mit einem Steckverbinder zu tun haben, der für Hochgeschwindigkeitssignale ausgelegt ist, daher muss auch der Übergang über die Durchkontaktierung absichtlich gestaltet werden. Ziel ist es, die charakteristische Impedanz der Durchkontaktierung an die Eingangsimpedanz des Steckerpins anzupassen, mit dem Ergebnis, dass die kombinierte Eingangsimpedanz, die an der Durchkontaktierung gesehen wird, Ihrer Übertragungsleitungs-Impedanz entspricht. Das bedeutet, die folgenden Größen richtig zu dimensionieren:

• Antipad-Größe
• Durchmesser der Durchkontaktierung
• Größe des Landepads der Durchkontaktierung
• Anwesenheit oder Entfernung von NFPs
• Position und Anzahl der Stitching-Durchkontaktierungen

Dies ist im Allgemeinen der Ansatz, den Sie wählen würden, wenn Sie mit einem einseitigen oder differentiellen Übergang zu tun haben, der eine hohe Kanalbandbreite erfordert. Es beginnt wichtig zu werden, wenn Sie oberhalb von etwa 3 GHz arbeiten, was ich in einem anderen Artikel detailliert gezeigt habe.

Analysieren von Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit Steckverbindern unter Verwendung von S-Parametern

Genau wie bei anderen Hochgeschwindigkeitsverbindungen können S-Parameter verwendet werden, um Übertragungsleitungen mit Steckverbindern und Kabeln als Teil der Verbindung zu analysieren. Natürlich ist es möglich, eine gesamte Verbindungsgeometrie unter Verwendung eines 3D-Modells des Steckergehäuses und sogar eines 3D-Modells des Kabels zu erstellen; dann würden Sie einen 3D-elektromagnetischen Feldlöser verwenden, um die S-Parameter für die gesamte Verbindung zu bestimmen. Offensichtlich ist dies eine sehr zeitaufwändige Aufgabe, die viel Rechenleistung sowie spezialisierte Software erfordert.

Glücklicherweise stellen Steckverbinderhersteller, die ihre Produkte für die Verwendung in Hochgeschwindigkeits-Digitalverbindungen oder Hochfrequenz-RF-Verbindungen vermarkten, oft S-Parameter-Daten für ihre Produkte in Touchstone-Dateien zur Verfügung. Sie können dann die Daten des Steckverbinderherstellers verwenden, um ein lineares Netzwerkmodell für die Verbindung zu erstellen und dann die kaskadierten S-Parameter zu bestimmen.

Analysewerkzeuge wie Simbeor, MATLAB und Keysight ADS können dann die kaskadierten S-Parameter für dieses Modell bestimmen. Dies teilt Ihnen die Leistungsübertragung und Verluste entlang der gesamten Verbindung mit. Sie können nun vorhersagen, wie die Verbindung funktionieren wird, basierend auf anderen Parametern in Ihrem Design, die Sie steuern können, insbesondere das Design der Übertragungsleitung und das Design des Steckereingangs. In diesem Netzwerk müssen die S-Parameter für jeden einzelnen Abschnitt bekannt sein, und dann kann der Simulator das kaskadierte Netzwerk und seine S-Parameter berechnen.

Was ist mit dem umgekehrten Problem, bei dem Sie die S-Parameter des Steckers nicht kennen? In diesem Fall müssten Sie Messungen verwenden, um die S-Parameter für den Stecker zu de-embedden. In diesem Fall bildet der Stecker das DUT im linearen Netzwerk, und Ihre Stecker-S-Parameter werden aus den kaskadierten Netzwerk-S-Parametern mittels De-Embedding bestimmt. Die gleichen Analyseprogramme, die oben aufgeführt sind, können auch verwendet werden, um die S-Parameter für den Stecker zu de-embedden, solange die S-Parameter für die anderen Komponenten im linearen Netzwerk bekannt sind.

Um mehr zu erfahren, schauen Sie sich das folgende Video von Ben Jordan an.