Comment l'effet de tressage des fibres influence l'intégrité des signaux à haute fréquence

Avec de nombreux appareils fonctionnant à des débits de données élevés et intégrant des fonctions RF, les conceptions sur certains substrats rigides peuvent devoir s'accommoder d'un phénomène gênant : l'effet de tissage des fibres. Il existe en réalité plusieurs problèmes d'intégrité de signal qui peuvent survenir en raison du tissage des fibres dans le substrat du PCB.

À des vitesses de front montant suffisamment basses (> 1 ns) et des largeurs de bande ou fréquences de signal (

Comment envisager l'effet de tissage des fibres

La référence la plus courante à l'effet de tissage de fibre est le décalage créé entre les pistes qui sont routées sur un substrat de PCB. Ce décalage temporel pourrait survenir entre les deux côtés d'une paire différentielle, ce qui pourrait désaligner les deux signaux, ou entre plusieurs pistes à extrémité unique dans un bus parallèle (tel que DDR). Cela est dû à la structure alternée verre-résine des matériaux de stratifié de PCB ; parce que le verre et la résine ont des valeurs de Dk différentes, les signaux dans ces régions auront des vitesses de propagation différentes.

Même les stratifiés à base de résine les plus avancés sont des matériaux inhomogènes, anisotropes, ce qui signifie que leurs propriétés diélectriques varient dans l'espace et selon différentes directions. Tous les matériaux de stratifié de PCB à base de résine/verre sont produits avec un métier à tisser, qui est utilisé pour créer un tissage de verre comme renforcement dans un substrat de PCB. Les nouveaux matériaux spécialisés pour les conceptions à haute vitesse/haute fréquence, tels que les stratifiés récemment lancés par Rogers Corp. et Isola, sont optimisés pour avoir de faibles pertes et des valeurs de CTE, Tg et de conductivité thermique souhaitables. Pour les stratifiés d'Isola, ils sont généralement disponibles dans une gamme de styles de tissage de verre, y compris le verre étalé.

Styles de tissage de fibre. Les tissages lâches (à gauche) créent une plus grande variation de décalage et d'impédance dans une carte par rapport à un tissage serré (à droite). Crédit image : Chen et al. (MDPI).

En tant que concepteur, il existe quelques options qui peuvent aider à réduire les effets du tissage de fibre, bien que le problème ne puisse pas être totalement éliminé si le routage est effectué sur un style de tissage de verre ouvert. Vous pouvez certainement spécifier une orientation souhaitée pour une trace par rapport à l'arrangement du tissage de fibre, mais les tailles des traces et les méthodes typiques de routage sur un substrat de PCB rendent difficile de prédire exactement où vos traces se dérouleront le long de la carte. Pour ces cavités dans la carte, nous avons deux perspectives pour examiner le décalage créé par les tissages de fibre :

• Dans les produits fabriqués en masse, où des tissages plus lâches peuvent être souhaitables pour des raisons de coût
• Dans les cartes avancées ou les cartes RF, où un matériau plus coûteux peut de toute façon être nécessaire

Comment le style de tissage de fibre affecte le décalage

Parce que les cavités dans le tissage de fibre sont formées par des écarts entre les faisceaux de verre, les traces routées au-dessus de ces cavités verront une constante diélectrique différente par rapport aux faisceaux de verre. La différence dans les constantes diélectriques peut atteindre un facteur 2, selon les matériaux utilisés dans le substrat.

Il est possible d'estimer le décalage qui s'accumule entre deux pistes de même longueur si les constantes diélectriques des composants en verre et en résine sont connues. Ces informations ne sont pas toujours fournies dans les fiches techniques, mais ces données pourraient être utilisées pour déterminer une valeur de décalage dans le pire des cas entre deux pistes. En utilisant la différence dans les retards de propagation à travers chaque matériau, nous trouverions que le décalage temporel dans le pire des cas est :

Approximation du décalage dans le pire des cas

Aussi jetez un œil à cette publication récente pour certaines données expérimentales recueillies avec différents styles de tissage de fibres. Une valeur typique de décalage temporel pour un tissage ouvert pourrait être aussi grande que 4 ps/pouce ou plus sur des tissages de verre conventionnels (voir la citation ci-dessus pour certaines données). Sur de grandes cartes, cette contribution au jitter total pourrait être suffisante pour désynchroniser deux signaux rapides.

En réalité, le décalage dû au tissage de fibres est imprévisible, simplement parce que vous ne savez pas où votre piste se terminera une fois la carte fabriquée. Il existe quelques options simples pour aider à le réduire (voir ci-dessous), mais la première étape consiste à déterminer si le décalage importe vraiment dans votre conception particulière. Parce que le décalage est un problème de décalage temporel

Le décalage est-il important dans votre système ?

La première chose à faire est de déterminer si la distorsion due au tissage des fibres crée des problèmes notables dans votre système particulier. Prenons l'exemple de deux pistes dans une paire différentielle. Les signaux sur chaque piste doivent arriver à un récepteur dans une certaine fenêtre de temps. Si l'écart autorisé entre les signaux (la fenêtre de temps) est beaucoup plus grand que la distorsion attendue sur un trajet donné, alors la distorsion pourrait effectivement être ignorée.

Le même type d'analyse peut être appliqué aux bus parallèles à longueur égalisée. C'est une raison pour laquelle vous pourriez vouloir ajuster très précisément le retard de vos paires différentielles. Cela laisse une grande marge pour la distorsion créée par le tissage des fibres, le jitter aléatoire, ou toute autre source de jitter qui pourrait créer de la distorsion. Dans le cas où la distorsion due au tissage des fibres serait comparable à l'écart de temps autorisé, alors un tissage ouvert ne devrait pas être utilisé.

À mesure que les flux de données s'accélèrent et que les temps de montée diminuent, la fenêtre de temps ci-dessus se ferme, ce qui met davantage l'accent sur la réduction du jitter total qui pourrait exister dans la fenêtre de temps. C'est une raison pour laquelle nous nous concentrons sur le jitter créé par le bruit de l'alimentation électrique, le rebond de masse et le diaphonie dans les interfaces rapides car ils contribuent également au jitter total.

Routing Angulaire ou Rotation de Panneau

Comme le montre une publication récente dans le Signal Integrity Journal, le routage à un léger angle par rapport au motif de tissage peut réduire l'écart de temps (écart type) de ~7 ps/po à moins de 1 ps/po. Notez que cela concerne uniquement l'écart dû à l'effet de tissage des fibres ; d'autres sources d'écart comme le jitter aléatoire et le décalage de retard dans les bus parallèles ou les paires différentielles doivent encore être prises en compte. Cependant, les angles impliqués étaient seulement d'environ ~0.04 rad, équivalent à ~2.3 degrés. En d'autres termes, l'écart type de l'écart peut être réduit d'environ 3 ps/degré, jusqu'à une réduction maximale de ~7 ps.

Image de réduction de l'écart crédit : Bogatin et al. (Signal Integrity Journal).

Ce que cela montre, ce n'est pas que la distorsion est éliminée en routant sous un angle, mais simplement que l'écart type dans le temps devient plus petit. C'est une des raisons pour lesquelles un atelier de fabrication de cartes peut faire tourner l'œuvre sur un panneau (peut-être de 10 degrés) afin de lutter contre la distorsion de temps induite par le tissage des fibres. Plutôt que de router manuellement ou de zigzaguer les pistes dans le PCB, faire tourner l'œuvre sur le panneau permet au concepteur de travailler comme à son habitude dans son logiciel de conception de PCB. L'inconvénient est que l'œuvre sur un panneau occupera plus d'espace, ce qui augmente donc les coûts de fabrication par carte.

Verre Étendu

Le verre étendu s'aplatira lorsqu'il sera placé dans l'empilement du PCB, ce qui garantira que les faisceaux de fibres remplissent l'espace dans le stratifié du PCB occupé par la résine. En remplissant la région de résine avec du verre, le matériel semble plus homogène aux fréquences pratiques utilisées dans l'électronique d'aujourd'hui. Cela minimise la distorsion entre chaque piste dans une paire différentielle ou entre des pistes à extrémité unique dans des bus parallèles.

Réglage de l'Espacement des Paires Différentielles = Pas du Verre

Si le pas de tissage du verre est connu, alors cela peut être utilisé comme espacement entre les paires différentielles. Cela garantira que les traces d'une paire occuperont toujours des régions de tissage presque identiques le long d'un itinéraire droit, ce qui réduira le décalage intra-paire. Une règle de conception similaire pourrait être utilisée dans les bus à terminaison unique parallèles et les bus différentiels parallèles.

Laminés non renforcés pour les cartes RF

Une autre option pour les cartes RF avancées est d'utiliser un laminé à base de PTFE non renforcé, qui n'aura pas de tissage de verre. L'inconvénient de ces laminés, outre le coût, est le fait qu'ils peuvent être difficiles à travailler en fabrication. Comme ils n'ont pas de renforcement structurel, ils sont parfois appelés "nouilles mouillées" car ils se plieront facilement. En conséquence, ils pourraient avoir un potentiel plus élevé de mauvais alignement entre les couches. Pour les cartes RF utilisées avec des réseaux à commande de phase, l'élimination du décalage sur les interconnexions longues est très utile, surtout si votre contrôleur hôte système n'a pas de mécanisme de compensation de décalage via une procédure de calibration à la mise sous tension.

Chargement périodique à des fréquences GHz

Les cavités dans les tissages de fibres lâches sont essentiellement des résonateurs partiellement ouverts, et les résonances excitées dans la structure de tissage de fibres dans un matériau de PCB ne sont pas définies ou observées en simulation ou en analyse. Rappelez-vous que le champ électromagnétique n'est pas confiné à l'intérieur d'une trace, il existe autour de la trace et est confiné dans le milieu environnant. Cela signifie qu'un signal haute fréquence en déplacement, ou un signal numérique avec une large bande passante, peut exciter une ou plusieurs résonances dans ces cavités. Ces résonances peuvent être approximées comme des résonances dans une boîte rectangulaire et nous nous attendrions à l'ensemble suivant de fréquences :

La fréquence de résonance de la trame de fibre d'ordre le plus bas est typiquement d'environ 50 GHz pour les tissages lâches. Ces résonances peuvent alors exciter des résonances de cavité sub-harmoniques par couplage résonant. En d'autres termes, les poches de tissage de fibres, les structures conductrices proches et les parasites créés par chacun agissent comme une source d'EMI rayonnée. Cette question particulière a été récemment discutée dans Signal Integrity Journal.

Une forte résonance dans ces cavités peut également se coupler par induction ou par capacité avec des circuits proches. Ce couplage pose davantage de problèmes dans les chaînes de signaux RF impliquant des amplificateurs de puissance, des pilotes de FET de haute puissance et des circuits similaires qui produisent des champs RF intenses. Cet effet se manifeste par une chute dans le profil de perte d'insertion aux résonances successives de la trame de fibre. Vous pouvez mesurer cet effet en extrayant les paramètres S d'un coupon de test avec un analyseur de réseau vectoriel.

Analyseur de spectre

En résumé, si vous souhaitez prévenir les problèmes de résonances et les chutes de perte d'insertion, visez le style de tissage de verre le plus serré qui répond à vos exigences de perte, de CTE, de Tg et de conductivité thermique. Un style de tissage plus serré aura généralement des résonances à des fréquences plus élevées, bien qu'il y aura des compromis définis qui devront être équilibrés. Tenir compte précisément du décalage et assurer une impédance contrôlée nécessite de déterminer la bonne constante diélectrique moyenne à utiliser dans vos calculs d'impédance. Dans le cas où les émissions de cavité deviennent problématiques, vous pourriez envisager d'utiliser un revêtement conforme comme matériau de blindage.

Le gestionnaire de pile de couches dans Altium Designer^® vous permet de définir la constante diélectrique moyenne que vos signaux rencontreront lorsqu'ils se déplacent le long d'une trace de signal. Cela en fait un outil idéal pour compenser le décalage dû à l'effet de tissage des fibres dans votre carte. Les outils de simulation post-implantation sont également utiles pour examiner la diaphonie entre les traces transportant des signaux haute fréquence et pour le routage à impédance contrôlée. Vous aurez accès à une vaste bibliothèque de matériaux standardisés et de styles de tissage que vous pouvez utiliser dans votre empilement.

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