Cómo el efecto de tejido de fibra influye en la integridad de la señal de alta frecuencia

Con muchos dispositivos funcionando a altas tasas de datos e incorporando funciones de RF, los diseños en algunos sustratos rígidos pueden necesitar acomodar un fenómeno inconveniente: el efecto de tejido de fibra. En realidad, hay múltiples problemas de integridad de señal que pueden surgir debido al tejido de fibra en el sustrato de PCB.

A tasas de flanco suficientemente bajas (> 1 ns) y anchos de banda o frecuencias de señal (< 1 GHz), probablemente nunca notarías los efectos de los estilos de tejido de fibra. El efecto de tejido de fibra muestra su fea cara una vez que las frecuencias y anchos de banda de la señal se vuelven lo suficientemente altos para acomodar aplicaciones como interconexiones de 100G/400G o más rápidas, dispositivos de onda milimétrica (mmWave) y SerDes de ultra alta velocidad. En algunos sistemas de RF donde se necesita coincidencia de fase (como en arreglos en fase con un oscilador de referencia), el efecto de tejido de fibra también es muy importante para asegurar el cronometraje del sistema.

Cómo Pensar Acerca del Efecto de Tejido de Fibra

La referencia más común al efecto de tejido de fibra es el sesgo creado entre pistas que se trazan en un sustrato de PCB. Este sesgo de tiempo podría surgir entre dos lados de un par diferencial, lo que podría desalinear las dos señales, o entre múltiples trazas de extremo único en un bus paralelo (como DDR). Esto se debe a la estructura alternante de vidrio-resina de los materiales laminados de PCB; debido a que el vidrio y la resina tienen diferentes valores de Dk, las señales en esas regiones tendrán diferentes velocidades de propagación.

Incluso los laminados basados en resina más avanzados son materiales inhomogéneos y anisotrópicos, lo que significa que sus propiedades dieléctricas varían en el espacio y en diferentes direcciones. Todos los materiales laminados de PCB basados en resina/vidrio se producen con un telar, que se utiliza para crear un tejido de vidrio como refuerzo en un sustrato de PCB. Los materiales más nuevos que están especializados para diseños de alta velocidad/alta frecuencia, como los laminados recientemente lanzados por Rogers Corp. e Isola, están siendo optimizados para tener bajas pérdidas y valores deseables de CTE, Tg y conductividad térmica. Para los laminados de Isola, típicamente están disponibles en una gama de estilos de tejido de vidrio, incluyendo el vidrio esparcido.

Estilos de tejido de fibra. Los tejidos sueltos (izquierda) crean mayor sesgo y variaciones de impedancia en una placa en comparación con un tejido apretado (derecha). Crédito de imagen: Chen et al. (MDPI).

Como diseñador, hay algunas opciones que pueden ayudar a reducir los efectos del tejido de fibra, aunque el problema no puede ser totalmente eliminado si el enrutamiento se realiza en un estilo de tejido de vidrio abierto. Ciertamente, puedes especificar una orientación deseada para una traza con respecto a la disposición del tejido de fibra, pero los tamaños de las trazas y los métodos típicos de enrutamiento en un sustrato de PCB hacen que sea difícil predecir exactamente dónde correrán tus trazas a lo largo de la placa. Para estas cavidades en la placa, tenemos dos perspectivas para examinar el sesgo creado por los tejidos de fibra:

• En productos fabricados en masa, donde los tejidos más sueltos pueden ser deseables por razones de costo
• En placas avanzadas o placas de RF, donde de todos modos puede ser necesario un material más caro

Cómo el Estilo de Tejido de Fibra Afecta el Sesgo

Debido a que las cavidades en el tejido de fibra se forman por huecos entre los haces de vidrio, las trazas enrutadas sobre estas cavidades verán una constante dieléctrica diferente en comparación con los haces de vidrio. La diferencia en las constantes dieléctricas puede alcanzar un factor de 2, dependiendo de los materiales utilizados en el sustrato.

Es posible estimar el sesgo que se acumula entre dos trazas de igual longitud si se conocen las constantes dieléctricas de los componentes de vidrio y resina. Esto no siempre se proporciona en las hojas de datos, pero estos datos podrían usarse para determinar un valor de sesgo en el peor caso entre dos trazas. Utilizando la diferencia en los retrasos de propagación a través de cada material, encontraríamos que el sesgo de tiempo en el peor caso es:

Aproximación del sesgo en el peor caso

También echa un vistazo a esta publicación reciente para ver algunos datos experimentales recopilados con diferentes estilos de tejido de fibra. Un valor típico de sesgo de tiempo para un tejido abierto podría ser tan grande como 4 ps/pulgada o más en tejidos de vidrio convencionales (ver la cita anterior para algunos datos). En tableros grandes, esta contribución al jitter total podría ser suficiente para desincronizar dos señales rápidas.

En realidad, el sesgo debido al tejido de fibra es impredecible, simplemente porque no sabes dónde terminará tu traza una vez que se fabrique el tablero. Hay algunas opciones simples para ayudar a reducirlo (ver más abajo), pero el primer paso es determinar si el sesgo realmente importa en tu diseño particular. Porque el sesgo es un problema de desajuste de tiempo

¿Importará el Sesgo en Tu Sistema?

Lo primero que debes hacer es determinar si la inclinación de la trama de fibra crea o no problemas notables en tu sistema en particular. Tomemos como ejemplo dos pistas en un par diferencial. Las señales en cada pista deben llegar a un receptor dentro de una ventana de tiempo determinada. Si la desviación permitida entre las señales (la ventana de tiempo) es mucho mayor que la inclinación esperada en una ruta dada, entonces la inclinación podría efectivamente ignorarse.

El mismo tipo de análisis se puede aplicar a buses paralelos con coincidencia de longitud. Esta es una razón por la que podrías querer igualar el retardo de tus pares diferenciales de manera muy precisa. Esto deja un amplio margen para la inclinación creada por la trama de fibra, el jitter aleatorio o cualquier otra fuente de jitter que podría crear inclinación. En el caso de que la inclinación de la trama de fibra sea comparable con la desviación de tiempo permitida, entonces no se debe usar una trama abierta.

A medida que las corrientes de datos se vuelven más rápidas y los tiempos de subida se reducen, la ventana de tiempo mencionada se cierra, y esto pone más énfasis en reducir el jitter total que podría existir dentro de la ventana de tiempo. Esta es una razón por la que nos enfocamos en el jitter creado por el ruido de la fuente de alimentación, el rebote de tierra y el diafonía en interfaces rápidas, ya que también contribuyen al jitter total.

Enrutamiento Angular o Rotación del Panel

Como se mostró en una publicación reciente en el Signal Integrity Journal, el enrutamiento en un ángulo leve con respecto al patrón de tejido puede reducir el desfase temporal (desviación estándar) de ~7 ps/pulg. a menos de 1 ps/pulg. Cabe destacar que esto es únicamente para el desfase debido al efecto del tejido de fibra; otras fuentes de desfase como jitter aleatorio y desajuste de retraso en buses paralelos o pares diferenciales aún necesitan ser consideradas. Sin embargo, los ángulos involucrados fueron solo de ~0.04 rad, equivalente a ~2.3 grados. En otras palabras, la desviación estándar del desfase puede reducirse aproximadamente 3 ps/grado, hasta una reducción máxima de ~7 ps.

Imagen de reducción de desfase crédito: Bogatin et al. (Signal Integrity Journal).

Lo que esto demuestra no es que el sesgo se elimine al enrutar en un ángulo, sino que la desviación estándar en el tiempo se hace más pequeña. Esta es una razón por la cual un taller de placas puede rotar el arte en un panel (quizás 10 grados) para combatir el sesgo de tiempo inducido por la trama de fibra. En lugar de enrutar manualmente o hacer zigzag en las pistas del PCB, rotar el arte en el panel permite al diseñador trabajar como de costumbre en su software de diseño de PCB. La desventaja es que el arte en un panel ocupará espacio extra, por lo que aumenta los costos de fabricación por placa.

Vidrio Esparcido

El vidrio esparcido se aplanará cuando se coloque en el apilado del PCB, lo que asegurará que los haces de fibra llenen el espacio en el laminado del PCB que está ocupado por la resina. Al llenar la región de resina con vidrio, el material parece más homogéneo en las frecuencias prácticas utilizadas en la electrónica de hoy. Esto minimiza el sesgo entre cada pista en un par diferencial o entre pistas de extremo único en buses paralelos.

Establecer el Espaciado del Par Diferencial = Paso del Vidrio

Si se conoce el paso de la trama de vidrio, entonces esto se puede utilizar como el espaciado entre pares diferenciales. Esto asegurará que las trazas en un par siempre ocupen regiones de trama casi idénticas a lo largo de una ruta recta, por lo que esto reducirá el desfase intra-par. Una regla de diseño similar podría usarse en buses de extremo único paralelos y buses diferenciales paralelos.

Laminados No Reforzados para Placas de RF

Otra opción para placas de RF avanzadas es usar un laminado basado en PTFE sin refuerzo, el cual no tendrá una trama de vidrio. La desventaja de estos laminados, aparte del costo, es el hecho de que pueden ser difíciles de trabajar en la fabricación. Debido a que no tienen refuerzo estructural, a veces se les llama "fideos mojados" ya que se doblarán fácilmente. Como resultado, podrían tener un mayor potencial de desalineación entre capas. Para placas de RF utilizadas con arreglos en fase, la eliminación del desfase en interconexiones largas es muy útil, especialmente si el controlador del sistema anfitrión no tiene un mecanismo para la compensación del desfase a través de un procedimiento de calibración al encender.

Carga Periódica a Frecuencias de GHz

Las cavidades en tejidos de fibra sueltos son esencialmente resonadores parcialmente abiertos, y las resonancias excitadas en la estructura del tejido de fibra en un material de PCB no están definidas ni observadas en simulación o análisis. Recuerda que el campo electromagnético no está confinado dentro de una traza, existe alrededor de la traza y está confinado en el medio circundante. Esto significa que una señal de alta frecuencia en movimiento, o una señal digital con un gran ancho de banda, puede excitar una o más resonancias en estas cavidades. Estas resonancias pueden aproximarse como resonancias en una caja rectangular y esperaríamos el siguiente conjunto de frecuencias:

La frecuencia resonante de tejido de fibra de orden más bajo es típicamente de ~50 GHz para tejidos sueltos. Estas resonancias pueden entonces excitar resonancias de cavidad subarmónicas a través de acoplamiento resonante. En otras palabras, los bolsillos de tejido de fibra, las estructuras conductoras cercanas y los parásitos creados por cada uno actúan como una fuente de EMI radiada. Este problema en particular fue discutido recientemente en Signal Integrity Journal.

La fuerte resonancia en estas cavidades también puede acoplarse de manera inductiva o capacitiva en circuitos cercanos. Este acoplamiento es más problemático en cadenas de señal RF que involucran amplificadores de potencia, controladores de FET de alta potencia y circuitos similares que producen campos RF intensos. Este efecto se manifiesta como una caída en el perfil de pérdida de inserción en resonancias sucesivas del tejido de fibra. Puedes medir este efecto extrayendo los parámetros S de un cupón de prueba con un analizador de redes vectorial.

Analizador de espectro

En resumen, si quieres prevenir problemas con resonancias y caídas en la pérdida de inserción, apunta al estilo de tejido de vidrio más ajustado que cumpla con tus requisitos de pérdida, CTE, Tg y conductividad térmica. Un estilo de tejido más ajustado generalmente tendrá resonancias de frecuencia más alta, aunque habrá compensaciones definitivas que necesitan ser equilibradas. Contabilizar con precisión el sesgo y asegurar una impedancia controlada requiere determinar la constante dieléctrica promedio correcta a usar en tus cálculos de impedancia. En el caso de que las emisiones de la cavidad se vuelvan problemáticas, podrías considerar usar un recubrimiento conformal como material de blindaje.

El gestor de pila de capas en Altium Designer^® te permite definir la constante dieléctrica promedio que tus señales verán mientras viajan a lo largo de una traza de señal. Esto lo convierte en una herramienta ideal para compensar el desfase producido por el efecto de tejido de fibra en tu placa. Las herramientas de simulación después del diseño también son útiles para examinar el acoplamiento entre trazas que transportan señales de alta frecuencia y para el enrutamiento de impedancia controlada. Tendrás acceso a una extensa biblioteca de materiales estandarizados y estilos de tejido que puedes usar en tu apilado.

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