Was genau ist High-Speed-PCB-Design?

Der Begriff High-Speed-Design bezieht sich speziell auf Systeme, die digitale Hochgeschwindigkeitssignale verwenden, um Daten zwischen Komponenten zu übertragen. Die Trennlinie zwischen einem digitalen High-Speed-Design und einer einfachen Leiterplatte (mit langsameren digitalen Protokollen) ist dabei nicht immer ganz klar. Die allgemeine Messgröße zur Differenzierung von Designs ist die Flankenrate (oder Anstiegszeit); genauer, die Flankenrate der im System verwendeten digitalen Signale.

Die meisten digitalen Designs verwenden sowohl digitale Protokolle mit hoher Geschwindigkeit (schnelle Flankenrate) als auch mit niedriger Geschwindigkeit (langsame Flankenrate). In der heutigen Ära von Embedded Computing und IoT verfügen die meisten Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten über ein HF-Frontend für drahtlose Kommunikation und Vernetzung.

Obwohl alle Entwürfe mit einem Schaltplan beginnen, konzentriert sich ein großer Teil des High-Speed-PCB-Designs auf folgende drei Dinge: das Design von Verbindungen, das PCB-Stackup-Design und das Routing. Wenn Sie in den ersten beiden erfolgreich sind, dann sind Sie es sehr wahrscheinlich auch im dritten Bereich. Im Weiteren erfahren Sie, wie Sie mit Ihrem Hochgeschwindigkeitsdesign beginnen und welche wichtige Rolle Ihre PCB-Designsoftware dabei spielt.

Welche Probleme können bei High-Speed-Designs auftreten?

High-Speed-PCBs haben Risiken bezüglich der Signalintegrität. Tatsächlich bestehen diese Risiken heutzutage bei den meisten Leiterplatten. Deshalb liegt beim High-Speed-Design ein besonderer Fokus auf der Erstellung von Leiterplattendesigns, die weniger anfällig für Probleme mit der Signalintegrität, Leistungsintegrität und EMI/EMC sind.

Zwar wird kein Design jemals völlig frei sein von diesen Problemen; durch die Einhaltung spezifischer Designrichtlinien können diese jedoch soweit reduziert werden, dass sie nicht mehr wahrnehmbar sind und keine Leistungsprobleme im Endprodukt verursachen.

Sobald Sie Ihre Schaltpläne erstellt haben und zum PCB-Layout wechseln können, kommen PCB-Designwerkzeuge ins Spiel. Einige von deren Funktionen sind beispielsweise relevant, um das Layout und Routing korrekt zu gestalten. Ihre PCB-Designsoftware unterstützt Sie dabei in verschiedener Art und Weise: Sie können damit die Strom- und Masseflächenanordnung in Ihrem Lagenaufbau vorbereiten, Impedanzprofile für Ihre Leiterbahnen berechnen oder sich etwa PCB-Materialoptionen für Ihren Aufbau anzeigen lassen. Die meisten Aspekte des High-Speed-Designs drehen sich dabei um das PCB-Stackup-Design und Routing, um die korrekte Signal- und Leistungsintegrität zu gewährleisten. Die richtige ECAD-Software ist also von besonderer Bedeutung für den Erfolg Ihres Designs.

Planung eines High-Speed-PCB-Stackups und dessen Impedanz

Der PCB-Stackup einer High-Speed-PCB bestimmt deren Impedanz sowie die Anforderungen an das Routing. Alle PCB-Stackups enthalten dabei eine Reihe von Lagen, die speziell für Hochgeschwindigkeitssignale, Stromversorgung und Masseflächen vorgesehen sind. Es gibt daher mehrere wichtige Punkte, die bei der Zuweisung von Lagen in einem PCB-Stackup zu beachten sind:

• Größe der Leiterplatte und Anzahl der Netze: Sie müssen sich hier die Frage stellen, wie groß Ihre Leiterplatte sein soll und wie viele Netze Sie im Leiterplattenlayout verlegen wollen oder sogar müssen. Beachten Sie dabei: Bei größeren Leiterplatten haben Sie möglicherweise genug Platz, um das gesamte Layout mithilfe nur sehr wenigen Signallagen zu routen.
• Routing-Dichte: Wenn die Anzahl der Netze hoch, die Größe der Leiterplatte jedoch nur auf einen kleinen Bereich beschränkt ist, haben Sie möglicherweise nicht genügend Platz auf der Oberflächenlage für das gesamte Routing. Dann benötigen Sie mehrere interne Signallagen, wenn die Leiterbahnen näher zusammengeschoben werden. Merke: Der Wechsel zu einer kleineren Leiterplatte kann also eine höhere Routing-Dichte erforderlich machen.
• Anzahl der Schnittstellen: Manchmal ist es eine gute Strategie, nur eine oder zwei Schnittstellen pro Lage zu routen – je nach Breite des Busses (seriell vs. parallel) und der Größe der Leiterplatte. Merke: Wenn alle Signale einer digitalen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle auf derselben Schicht liegen, wird sichergestellt, dass alle Signale eine gleichbleibende Impedanz und Schräglage (Skew) aufweisen.
• Low-Speed- und RF-Signale: Wird es in Ihrem Design RF-Signale oder digitale Signale mit niedriger Geschwindigkeit geben? Wenn ja, nehmen diese möglicherweise einiges an Platz auf der Oberflächenlage ein. Platz, der für einen Hochgeschwindigkeitsbus oder andere Komponenten verwendet werden könnte. Sie können sogar so viel Platz beanspruchen, dass für die anderen Komponenten eine zusätzliche interne Lage erforderlich wird.
• Power-Integrität: Einer der Eckpfeiler der Power-Integrität ist das Vorhandensein einer großen Versorgungs- sowie Massefläche – und das für jeden Spannungspegel, der in Ihren großen ICs auftritt. Diese beiden Flächen sollten dabei auf benachbarten Lagen platziert werden. So können Sie sicherstellen, dass eine hohe Flächenkapazität vorhanden ist und eine stabile Leistung mittels Entkopplungskondensatoren unterstützt wird.

PCB-Materialoptionen, Anzahl der Lagen und Dicke

Bevor Sie Ihren PCB-Stackup entwerfen, sollten Sie die Anzahl der Lagen in ihrer Gesamtheit genau bedenken. Fragen Sie sich, wie viele Lagen nötig sind, um alle digitalen Signale in Ihrem Design aufzunehmen.

Es gibt für die Berechnung mehrere Möglichkeiten; die zugrundeliegenden Methoden bedürfen dabei ein gewisses Maß an Mathematik-Verständnis und etwas Erfahrung in der Entwicklung von High-Speed-PCBs. Zusätzlich zu den oben aufgeführten Punkten können auch große Hochgeschwindigkeits-ICs mit BGA/LGA-Footprints eine Rolle für die Bestimmung der erforderlichen Leiterplattengröße spielen.

Beim BGA-Fanout können Sie im Allgemeinen zwei Reihen pro Signallage einbauen. Bedenken Sie, dass Sie beim Lagenaufbau auch stets die Leistungs- und Masseflächenlagen bei der Anzahl der Lagen mitberücksichtigen müssen.

Materialien der Klasse FR4 können in einem digitalen High-Speed-Design in der Regel problemlos verwendet werden – solange die Leiterbahnen zwischen den Komponenten nicht zu lang sind. Denn sollten die Leiterbahnen zu lang werden, gibt es zu viele Verluste im High-Speed-Kanal. Komponenten auf der Empfängerseite des Kanals sind dann möglicherweise nicht mehr in der Lage Signale wiederherzustellen.

Eine der wichtigsten Materialeigenschaften bei der Materialauswahl ist der Verlustfaktor Ihrer PCB-Laminate. Die Kanalgeometrie selbst ist hier zwar auch relevant, aber bei kleineren Leiterplatten ist normalerweise die Wahl eines FR4-Laminats mit geringer Verlusttangente ein guter Ausgangspunkt.

Wenn Ihre Leiterbahnen zu lang sind, wird möglicherweise ein spezielles Material erforderlich, welches als Substrat für Ihre Hochgeschwindigkeitssignale fungiert. PTFE-basierte Laminate, gespreizte Glaslaminate oder andere spezialisierte Materialsysteme sind hier eine gute Wahl. Diese speziellen Materialien können bei größeren digitalen Hochgeschwindigkeitsleiterplatten unterstützen, wenn etwa die Wege sehr lang sind und eine geringe Einfügungsdämpfung gefragt ist.

Für kleine High-Speed-PCBs stellt etwa das 370 HR einen guten Einstiegssatz von Laminatmaterialien mit high-Tg dar. Für größere Leiterplatten sind beispielsweise Megtron- oder Duroid-Laminate eine gute Option. Bevor Sie mit Ihrem Design fortfahren, erkundigen Sie sich am besten zuerst bei Ihrem Hersteller, ob Ihre Materialauswahl sowie der vorgeschlagene Lagenaufbau überhaupt herstellbar sind.

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Impedanzkontrolle

Die Impedanz wird erst bestimmt, nachdem Sie einen vorgeschlagenen Lagenaufbau erstellt und diesen durch Ihr Fertigungsunternehmen validiert haben. Der Hersteller kann dabei Änderungen am PCB-Stackup vorschlagen, wie zum Beispiel alternative Optionen für das PCB-Material oder andere Lagendicken. Sobald Sie die Freigabe für den Lagenaufbau erhalten haben und die Lagendicken festgelegt sind, können Sie mit der Berechnung der Impedanzwerte beginnen.

Die Impedanz wird normalerweise mithilfe einer Formel oder eines Rechners mit integriertem Feldlöser berechnet. Die Impedanz Ihres Designs ist dabei ausschlaggebend für die Abmessungen Ihrer Übertragungsleitung und den Abstand zu nahe gelegenen Stromversorgungs- oder Masseflächenlagen. Die Breite der Übertragungsleitung kann dabei mithilfe folgender Werkzeuge bestimmt werden:

• IPC-2141 und Waddell-Gleichungen: Diese Formeln bieten einen guten Ausgangspunkt für Impedanzschätzungen und liefern bei niedrigen Frequenzen sogar recht genaue Ergebnisse. 
  Erfahren Sie hier mehr über die Verwendung jener Formeln zur Berechnung der Leiterbahnimpedanz.
• Dienstprogramme für 2D/3D-Feldlöser: Feldlöser werden verwendet, um Maxwell-Gleichungen innerhalb einer Übertragungsleitungsgeometrie zu lösen, welche von Ihnen zuvor für Ihr High-Speed-PCB definiert wurden. 
  Erfahren Sie hier mehr über den branchenweit besten Feldlöser – er ist natürlich im PCB-StackUp-Rechner von Altium schon direkt integriert.

Ein Lagenaufbau-Manager mit integriertem Feldlöser liefert dabei die genauesten Ergebnisse. Denn hier werden bei der Berechnung u.a. Kupferrauheit, Ätzung, asymmetrische Leitungsanordnungen und differentielle Paare berücksichtigt.

Sobald das Impedanzprofil für Ihre Leiterbahnen ermittelt ist, muss dieses auch als Designregel in Ihren Routing-Tools entsprechend angelegt werden. So stellen Sie sicher, dass Ihre Leiterbahnen auch wirklich die erforderliche Impedanz aufweisen.

Die meisten Hochgeschwindigkeits-Signalprotokolle, wie etwa PCIe oder Ethernet, verwenden differenzielles Paar-Routing. In diesen Fällen müssen Sie Ihr Design auf eine ganz bestimmte differenzielle Impedanz ausrichten. Dies tun Sie, indem Sie Leiterbahnbreite und -abstand berechnen.

Feldlöser-Werkzeuge sind dabei die besten Hilfsmittel – und zwar bei jeder Geometrie (Microstrip, Stripline oder koplanar). Ein weiteres relevantes Ergebnis Ihres Feldlöser-Tools ist die Ausbreitungsverzögerung; jene Verzögerung, die während des Hochgeschwindigkeits-Routings verwendet wird, um die Längenabstimmung zu erzwingen.

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Grundrissplanung einer High-Speed-PCB

Es gibt keine spezifischen Regeln oder Standards für die Platzierung von Komponenten in einem High-Speed-PCB-Layout. Im Allgemeinen ist es aber eine gute Idee, den größten IC-Zentralprozessor nahe der Leiterplattenmitte zu platzieren. Denn dieser muss normalerweise mit allen anderen Komponenten irgendwie auf der Leiterplatte verbunden werden.

Kleinere ICs, die direkt mit dem zentralen Prozessor verbunden sind, können um den zentralen IC herum platziert werden. So kann das Routing zwischen den Komponenten hier kurz und ohne Umwege gestaltet werden. Peripheriegeräte können dann auf der Leiterplatte platziert werden, um alle erforderlichen Funktionen bereitzustellen.

Sobald die Komponenten platziert sind, können Sie Ihre PCB-Designtools so einrichten, dass Sie mit dem Routing Ihres Designs schnell beginnen können. Dies ist ein sensibler Teil des Designs digitaler Hochgeschwindigkeitsschaltungen, da ein falsches Routing die Signalintegrität ruinieren kann. Wenn die vorherigen Schritte jedoch ordnungsgemäß ausgeführt wurden, kann die korrekte Signalintegrität einfacher erreicht werden.

Sie sollten dabei das Impedanzprofil in Ihren PCB-Designregeln so einstellen, dass alle Leiterbahnen im Design mit der richtigen Breite und dem richtigen Abstand platziert werden. So kann die Impedanz während des gesamten Routings kontrolliert und aufrechterhalten werden.

Routing, Signalintegrität und Leistungsintegrität

Die Definition der richtigen Signalintegrität beginnt mit dem Entwurf eines spezifischen Impedanzwertes auf Ihrer Leiterplatte und der Einhaltung diesen Wertes während des gesamten Layouts und Routings. Die richtige Signalintegrität kann unter anderem auch durch folgende Strategien gewährleistet werden:

• Streben Sie möglichst kurze Wege zwischen den Komponenten an, um Hochgeschwindigkeitssignale sicher gewährleisten zu können.
• Versuchen Sie das Routing durch Vias zu verringern, indem Sie idealerweise nur zwei Vias in einer internen Lage für den Ein- und Austritt nutzen.
• Eliminieren Sie Stichleitungen auf Ultrahochgeschwindigkeitsleitungen (z. B. 10G+ Ethernet) durch Backdrilling.
• Achten Sie darauf, ob möglicherweise Abschlusswiderstände erforderlich sind, um Signalreflexionen zu verhindern. Sehen Sie dazu in den Datenblättern nach, ob eine „On-Die-Termination“ gegeben ist.
• Wenden Sie sich an Ihren Hersteller, um zu erfahren, welche Materialien und Prozesse Ihnen am besten dabei helfen können, Faserwebeffekte zu vermeiden.
• Verwenden Sie eine grobe Cross-Talk-Kalkulation oder -simulation, um den geeigneten Abstand zwischen den Netzen in Ihrem Leiterplattenlayout zu ermitteln.
• Führen Sie eine Liste aller Busse und Netze, für die eine Längenanpassung erforderlich ist, so dass Abstimmungsstrukturen zur Beseitigung von Versatz angewendet werden können.

All diese wichtigen Punkte lassen sich auch als Designregeln für Ihre Routing-Tools kodieren. So können Sie sicherstellen, dass die Best-Practices für Hochgeschwindigkeitsdesigns auch bei Ihrem Design stets eingehalten werden.

High-Speed-PCB-Routing

Die von Ihnen festgelegten Designregeln stellen also sicher, dass Sie die Vorgaben für die Impedanz, die Abstände und die Längen einhalten – und das schon während Sie Ihr Design routen. Außerdem können so auch wichtige Regeln für das Routing von differentiellen Paaren durchgesetzt werden; insbesondere die Minimierung von Längenfehlanpassungen, um Versatz zu vermeiden sowie erzwungene Abstände zwischen Leiterbahnen, um sicherzustellen, dass die Ziele für die differentielle Impedanz erreicht werden. Hervorragende Routing-Tools ermöglichen es Ihnen dabei, eigene spezifische Grenzwerte für die Leiterbahngeometrie als Designregeln zu kodieren und so die Leistung sicherzustellen.

Einer der wichtigsten Punkte beim Routing von High-Speed-PCBs ist die Platzierung von Masseflächen in der Nähe Ihrer Leiterbahnen. Der Lagenaufbau sollte dabei so konstruiert sein, dass Masseflächen in Lagen neben Impedanz-gesteuerten Signalen liegen. Denn so kann eine konsistente Impedanz aufrechterhalten werden und im PCB-Layout ist gleichzeitig ein klarer Rückweg definiert. Leiterbahnen sollten dabei nicht über Lücken oder Spalten in Masseflächen geleitet werden; sonst kann es zu einer Impedanzunterbrechung kommen, die möglicherweise EMI-Probleme verursacht. Die Platzierung der Massefläche ist dabei nicht nur relevant für die Gewährleistung der Signalintegrität, sondern spielt auch eine wichtig Rolle bei der Power-Integrität – hier sorgt sie für eine stabile Stromversorgung.

Stromversorgungs-Integrität

Stromversorgungs-Integrität ist ein umfangreiches Thema, welches im High-Speed-PCB-Design von großer Relevanz ist. Denn die Sicherstellung einer stabilen Stromversorgung von High-Speed-Komponenten ist im PCB-Design von entscheidender Bedeutung. Probleme mit der Power-Integrität können dabei als Probleme mit der Signalintegrität getarnt sein.

Die Power-Integrität selbst konzentriert sich auf die rauscharme Stromversorgung der Komponenten. Die wichtigsten Faktoren, die den Grad der Power-Integrität in einem digitalen Design bestimmen, sind der PCB-Lagenaufbau und das Layout des Spannungsversorgungssystems (PDN). Wenn diese beiden Faktoren richtig umgesetzt sind, kann Strom an schnelle digitale Komponenten mit geringem Rauschen und sehr schwachen transienten Schwingungen auf Stromschienen geliefert werden.

Das Design einer High-Speed-PCB mit guter Power-Integrität sorgt folglich für niedrige Emissionen, eine rauscharme Stromversorgung und die Beseitigung einiger SI-Probleme, die schon mal gerne bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen auftreten.

• Erfahren Sie mehr über die Power-Integrität in digitalen Systemen

Erweiterte Tools für High-Speed-Design und Layout

Sie sollten nicht dazu gezwungen sein, separate Workflows zu verwenden, um verschiedene Design-Herausforderungen zu bewältigen. Die beste High-Speed-PCB-Designsoftware vereint daher all diese Funktionen in einer einzigen Anwendung. Designer von High-Speed-PCB-Layouts müssen viel Arbeit am Frontend leisten, denn sie müssen darauf achten, dass Signalintegrität, Power-Integrität und elektromagnetische Kompatibilität stets gewährleistet sind. Mit den richtigen High-Speed-Layout-Tools können Sie Ihre Ergebnisse direkt als Designregeln implementieren und sicherstellen, dass das Design wie erwartet funktioniert.

Fortgeschrittene PCB-Designsoftware verbindet sich über Schnittstellen mit Simulationsanwendungen. Die Software kann Sie daher u.a. bei der Durchführung branchenüblicher Analysen unterstützen. Einige Simulationsprogramme sind sogar speziell auf die Bewertung von spezifischen Parametern ausgerichtet – etwa die Bewertung der Signalintegrität und Power-Integrität in einem neuen Design oder die Untersuchung der EMI in einem PCB-Layout.

Simulationen sind bei High-Speed-Designs sehr nützlich, da sie Benutzern dabei helfen können, spezifische SI/PI/EMI-Probleme zu lokalisieren, noch bevor ein Design in die Fertigung übernommen wird. Einige Beispiele umfassen: die Nachverfolgung des Rückwegs, das Auffinden einer Impedanzunterbrechung in Leiterbahnen sowie die ideale Platzierung von Entkopplungskondensatoren zur Vermeidung von EMI.

Sie wollen fortschrittliche digitale Hochgeschwindigkeitssysteme designen? Dabei wollen Sie sicherstellen, dass die Signalintegrität und Power-Integrität stets erhalten bleiben? Dann sollten Sie nur die besten High-Speed-Design- und Layout-Werkzeuge verwenden. Denn diese sind auf einer regelgesteuerten Design-Engine aufgebaut und ermöglichen Ihnen eine hohe Flexibilität – ganz gleich, ob Sie einen kompakten Einzelplatinen-Computer oder ein komplexes Mixed-Signal-PCB entwerfen möchten.

Schaltkreisentwickler, Layoutdesigner und SI/PI-Techniker, sie alle vertrauen auf die fortschrittlichen Design-Tools in Altium Designer®; und dies sowohl bei High-Speed-Designs als auch deren Layouts. Wenn ein Design abgeschlossen ist und für die Fertigung freigegeben werden soll, kann dies ganz einfach und schnell mittels der Altium 365™-Plattform geschehen. Die cloudbasierte Plattform ermöglicht dabei nicht nur das Teilen von Daten, sondern auch eine effektive Zusammenarbeit verschiedener Teams und gemeinsame Bearbeitung Ihrer Projekte – und das schon während des eigentlichen Designprozess.

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