ファイバーウィーブ効果が高周波信号の整合性に与える影響

多くのデバイスが高データレートで動作し、RF機能を組み込んでいるため、一部の硬質基板の設計では、不便な現象であるファイバーウィーブ効果に対応する必要があります。実際には、PCB基板のファイバーウィーブによって発生する複数の信号整合性の問題があります。

十分に低いエッジレート（> 1 ns）および信号帯域幅または周波数（< 1 GHz）では、ファイバーウィーブスタイルからの影響をおそらく決して気付かないでしょう。ファイバーウィーブ効果は、信号の周波数と帯域幅が100G/400G以上の高速インターコネクト、mmWaveデバイス、超高速SerDesのようなアプリケーションに対応するのに十分高くなると、その醜い頭をもたげます。参照オシレータを持つ位相配列など、位相整合が必要な一部のRFシステムでは、ファイバーウィーブ効果もシステムタイミングを確保するために非常に重要です。

ファイバーウィーブ効果について考える方法

ファイバーウィーブ効果への最も一般的な言及は、PCB基板上で配線されたトレース間に生じるスキューです。このタイミングスキューは、差動ペアの二つの側面間、または並列バス（DDRなど）内の複数の単終端トレース間で生じる可能性があり、二つの信号が整列しなくなる可能性があります。これは、PCBラミネート材料の交互のガラス-樹脂構造によって生じます。ガラスと樹脂は異なるDk値を持つため、これらの領域の信号は異なる伝播速度を持ちます。

最も高度な樹脂ベースのラミネートでさえ、不均一で異方性の材料であり、その誘電特性は空間内および異なる方向に沿って変化します。すべての樹脂/ガラスベースのPCBラミネート材料は織機で製造され、PCB基板内の補強としてガラスウィーブを作成するために使用されます。Rogers Corp.やIsolaから最近リリースされたような、高速/高周波設計用に特化した新しい材料は、低損失および望ましいCTE、Tg、熱伝導率の値を持つように最適化されています。Isolaのラミネートについては、スプレッドガラスを含む一連のガラスウィーブスタイルで通常利用可能です。

ファイバーウィーブスタイル。緩いウィーブ（左）は、密なウィーブ（右）と比較して基板内のスキューとインピーダンスの変動を大きくします。画像クレジット：Chen et al. (MDPI)。

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設計者として、ファイバーウィーブ効果を減らすためのいくつかの選択肢がありますが、オープンガラスウィーブスタイルでのルーティングが行われる場合、問題を完全に排除することはできません。確かに、トレースの望ましい方向をファイバーウィーブの配置に関して指定することはできますが、トレースのサイズとPCB基板上での典型的なルーティング方法では、トレースが基板をどこを通るか正確に予測することが難しいです。これらの基板内の空洞について、ファイバーウィーブによって作られるスキューを検討するためには、2つの視点があります：

• コストの理由から緩いウィーブが望ましい場合の大量生産製品
• 高度な基板やRF基板では、いずれにしてもより高価な材料が必要になる場合

ファイバーウィーブスタイルがスキューに与える影響

ファイバーウィーブの空洞は、ガラス束間の隙間によって形成されるため、これらの空洞を越えてルーティングされたトレースは、ガラス束と比較して異なる誘電率を見ることになります。誘電率の差は、基板に使用される材料によっては2倍に達することがあります。

ガラスと樹脂の成分の誘電率が分かれば、同じ長さの2つのトレース間に蓄積されるスキューを推定することが可能です。これは常にデータシートで提供されるわけではありませんが、このデータを使用して2つのトレース間の最悪のスキュー値を決定することができます。各材料を通る伝播遅延の差を使用すると、最悪のケースのタイミングスキューは次のようになります：

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最悪のケースのスキューの近似

また、この最近の出版物をご覧ください異なるファイバーウィーブスタイルで収集された実験データについてです。オープンウィーブの場合、典型的なタイミングスキュー値は、従来のガラスウィーブでインチあたり4 ps以上になる可能性があります（上記の引用でいくつかのデータを参照）。大きなボードでは、このトータルジッターへの寄与が2つの高速信号を非同期化するのに十分な可能性があります。

実際には、ファイバーウィーブからのスキューは予測不可能です。なぜなら、ボードが製造された後にトレースがどこに終わるか分からないからです。それを減らすためのいくつかの簡単なオプションがあります（下記参照）、しかし最初のステップは、スキューが特定の設計で本当に重要かどうかを決定することです。なぜなら、スキューはタイミングのミスマッチの問題だからです

スキューはあなたのシステムに影響しますか？

最初に行うべきことは、ファイバーウィーブスキューが特定のシステムで顕著な問題を引き起こすかどうかを判断することです。例として、差動ペアの2つのトレースを取り上げてみましょう。各トレース上の信号は、ある時間窓内で受信機に到着する必要があります。信号間の許容される不一致（時間窓）が、特定のルート上で予想されるスキューよりもはるかに大きい場合、そのスキューは実質的に無視できます。

同様の分析は、長さが一致した並列バスにも適用できます。これは、差動ペアの遅延を非常に厳密に遅延マッチングする理由の1つです。これにより、ファイバーウィーブによって生じるスキュー、ランダムジッター、またはスキューを生じさせる可能性のある他のジッター源に対して十分な余裕が生まれます。ファイバーウィーブスキューが許容されるタイミングの不一致と比較して類似している場合、オープンウィーブは使用すべきではありません。

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データストリームが高速化し、立ち上がり時間が短くなるにつれて、上記のタイミングウィンドウは閉じ、タイミングウィンドウ内に存在する可能性のある全体のジッターを減らすことにより重点を置くようになります。これは、高速インターフェースで電源ノイズ、グラウンドバウンス、クロストークによって生じるジッターも全体のジッターに寄与するため、私たちがジッターに焦点を当てる理由の1つです。

角度付きルーティングまたはパネル回転

Signal Integrity Journalの最近の出版物で示されたように、織りパターンに対してわずかな角度でルーティングすることで、タイミングスキュー（標準偏差）を約7 ps/in.から1 ps/in.未満に減少させることができます。これは、ファイバーウィーブ効果によるスキューのみであり、ランダムジッターや並列バスまたは差動ペア内の遅延ミスマッチなど、他のスキューの原因も考慮する必要があります。しかし、関与する角度はわずか約0.04ラジアン、つまり約2.3度に過ぎませんでした。言い換えれば、スキューの標準偏差は、約3 ps/度で減少し、最大で約7 psまで減少することができます。

スキュー削減 イメージクレジット：Bogatin et al. (Signal Integrity Journal).

これが示しているのは、角度をつけて配線することでスキューがなくなるわけではなく、タイミングの標準偏差が小さくなるということです。これは、ボードショップがパネル上のアートワークを回転させる（おそらく10度）理由の一つで、ファイバーウィーブによるタイミングスキューと戦うためです。PCB内でトレースを手動でルーティングしたりジグザグにしたりする代わりに、パネル上でアートワークを回転させることで、設計者はPCB設計ソフトウェアで通常通りの作業ができます。デメリットは、パネル上のアートワークが余分なスペースを取るため、ボードごとの製造コストが増加することです。

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スプレッドグラス

スプレッドグラスは、PCBスタックアップに配置されると平らになり、ファイバーバンドルがレジンで占められているPCBラミネートのスペースを埋めることを保証します。レジン領域をガラスで埋めることにより、実用的な周波数で今日の電子機器に使用される材料はより均質に見えます。これにより、差動ペア内の各トレース間や、並列バス内の単一エンドトレース間のスキューが最小限に抑えられます。

差動ペア間隔の設定 = ガラスピッチ

ガラス織物のピッチが分かっている場合、これを差動ペア間の間隔として使用できます。これにより、ペア内のトレースが常にほぼ同一の織物領域を直線的なルートに沿って占めることが保証されるため、ペア内のスキューを減少させることができます。同様の設計ルールは、平行な単終端バスや平行な差動バスにも使用できます。

RFボード用の非補強ラミネート

高度なRFボードには、ガラス織物を持たない非補強PTFEベースのラミネートを使用するという選択肢もあります。これらのラミネートの欠点は、コストの他に、製造時に扱いにくいことです。構造的な補強がないため、時に「ウェットヌードル」と呼ばれることがあり、簡単に曲がってしまいます。その結果、層間の位置ずれの可能性が高くなることがあります。位相配列を使用するRFボードでは、長い相互接続上のスキューを排除することが非常に有用です。特に、システムホストコントローラーが電源オン校正手順によるスキュー補償のメカニズムを持っていない場合にはそうです。

GHz周波数での周期的な負荷

緩い繊維織物の空洞は、本質的に部分的に開いた共振器であり、PCB材料の繊維織物構造内で興奮した共振は、シミュレーションや分析では定義されず、観察されません。電磁場はトレース内に限定されず、トレースの周囲に存在し、周囲の媒体内に限定されることを覚えておいてください。これは、高周波信号や大きな帯域幅を持つデジタル信号が、これらの空洞の一つまたは複数の共振を興奮させる可能性があることを意味します。これらの共振は、長方形の箱内の共振として近似でき、次の一連の周波数が期待されます：

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最も低い順序の繊維織物共振周波数は、緩い織物の場合、通常は約50 GHzです。これらの共振は、共振結合を通じてサブハーモニック空洞共振を興奮させることができます。言い換えれば、繊維織物のポケット、近くの導電性構造、およびそれぞれによって作られる寄生要素は、放射されるEMIの源として機能します。この特定の問題は最近、Signal Integrity Journalで議論されました。

これらの空洞での強い共鳴は、近くの回路にも誘導的または容量的に結合することがあります。この結合は、パワーアンプ、高出力FETドライバー、および強力なRF場を生成する類似の回路を含むRF信号チェーンでより問題となります。この効果は、連続するファイバーウィーブ共鳴で挿入損失プロファイルが低下するとして現れます。この効果は、ベクトルネットワークアナライザーを使用してテストクーポンからSパラメータを抽出することで測定できます。

スペクトラムアナライザー

要約すると、共鳴や挿入損失の低下に関する問題を防ぎたい場合は、損失、CTE、Tg、および熱伝導率の要件を満たす最も密なガラス織りスタイルを目指すべきです。より密な織りスタイルは一般的に高周波数の共鳴を持ちますが、バランスを取る必要がある明確なトレードオフがあります。インピーダンス計算で使用する正しい平均誘電率を決定することにより、スキューを正確に考慮し、制御されたインピーダンスを確保することが求められます。空洞放射が問題となる場合は、遮蔽材料としてコンフォーマルコーティングを使用することを検討するかもしれません。

Altium Designer^®のレイヤースタックマネージャーを使用すると、信号が信号トレースを通過する際に見る平均誘電率を定義できます。これにより、基板のファイバーウィーブ効果によるスキューを補正するのに理想的なツールとなります。ポストレイアウトシミュレーションツールも、高周波信号を運ぶトレース間のクロストークを調査したり、制御インピーダンスルーティングに役立ちます。スタックアップで使用できる標準化された材料とウィーブスタイルの広範なライブラリにアクセスできます。

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