Sinais de PCB: Elementos-chave do Design de PCB de Alta Velocidade

• Entendendo o Desafio
  • Quão Longo é Longo Demais?
  • Combinando as Impedâncias
  • Por Onde Flui a Energia de Retorno?
  • Pares Diferenciais
  • E Quanto às Vias?
  • Diafonia
  • Dançando no Tempo
  • A Placa
    • Os Materiais
    • As Camadas
    • Possíveis Configurações de Camadas
       

Entendendo o Desafio

O propósito deste artigo é introduzir os elementos chave do design de alta velocidade e, em seguida, discutir como cada um desses elementos é abordado no Altium Designer. Este artigo não tenta fornecer uma discussão completa sobre design de alta velocidade; para isso, existem vários designers e engenheiros altamente experientes e eruditos que escreveram excelentes trabalhos de referência e livros sobre o assunto. Consulte a Referências seção para links para esses autores, e os trabalhos utilizados durante a pesquisa para este artigo.

Então, o que exatamente faz com que um design de PCB seja considerado de alta velocidade? Claro que tem a ver com coisas acontecendo rapidamente, mas não se trata apenas da taxa de clock usada na placa. Um design é considerado de alta velocidade quando inclui dispositivos com transições rápidas - dispositivos que mudam de estado tão rapidamente que a transição é concluída antes que o sinal possa percorrer a rota e alcançar o pino alvo. Nessa situação, o sinal pode ser refletido de volta ao pino de origem, degradando ou destruindo os dados do sinal original. Um sinal com uma transição rápida também pode irradiar da rota e acoplar-se a rotas adjacentes, ou irradiar mais longe e se tornar interferência eletromagnética (EMI), resultando na falha do produto em atender aos padrões obrigatórios de emissão.

Quando um sinal tem transições rápidas, isso muda a maneira como a energia viaja pela rota. Em um circuito onde as taxas de transição mudam lentamente, você pode pensar na energia fluindo pela rota como água através de um cano. Sim, alguma energia é perdida devido à fricção à medida que a água é empurrada pelo cano, mas basicamente a maior parte dela chega ao outro extremo. Para um circuito de CC ou de baixa frequência de comutação, você pode calcular a resistência da rota e garantir que a quantidade de energia perdida ao longo do caminho não afete o desempenho do circuito.

Não é tão simples em um design de alta velocidade, pois além da energia fluir como elétrons através do cobre de roteamento, em um sinal de comutação rápida, parte dessa energia também viaja como energia eletromagnética ao redor do cobre de roteamento. Agora, você não está mais projetando caminhos de cobre para elétrons; você está projetando uma série de linhas de transmissão embutidas em uma placa de circuito impresso.

Quão Longo é Longo Demais?

À medida que a velocidade de comutação da borda aumenta, a energia que viaja por uma rota se comporta de maneira diferente. Ela não viaja mais como água dentro de um cano. Em vez disso, a maior parte da energia está concentrada na superfície da rota (conhecido como efeito pelicular), com uma parte da energia realmente viajando como radiação eletromagnética. Não viajando através do condutor real, essa energia eletromagnética viaja através do material ao redor da rota. Como arrastar o pé pela água, quando a energia viaja dessa maneira, o sinal na verdade desacelera. Agora são as propriedades do material ao redor da rota que ditam quão rapidamente o sinal viaja e quanto seu chegada será atrasada.

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Então, quando isso se torna um problema, o tempo que leva para o sinal se propagar pela rota até o pino alvo? Como uma onda batendo em uma parede, quando o sinal chega ao pino de entrada alvo, parte da energia no sinal é refletida de volta para o pino de origem. Se essa energia refletida chegar de volta ao pino de origem enquanto a borda do sinal original ainda está em transição, o sinal original será forte o suficiente para superar a reflexão à medida que completa sua transição e seu sinal estará OK. Mas se a transição da borda for concluída antes da energia refletida chegar de volta, como um eco no cânion, essa energia refletida interagirá com o sinal original e o modificará, talvez tanto que você não consiga discernir o que foi realmente gritado no cânion.

Para resumir, quando o tempo de viagem ao longo deste percurso de ida e volta é igual ou maior que o tempo de subida do sinal, a integridade desse sinal está em dúvida e seu design agora é um design de alta velocidade! O comprimento dessa rota é referido como o comprimento crítico - rotas mais curtas que isso não devem experimentar problemas de integridade de sinal, enquanto rotas mais longas que isso podem.

Para analisar seu projeto, uma regra prática comum que é frequentemente usada é a ^regra de _tempo de subida de ¹/₃, que afirma que se a rota for mais de ¹/₃ do tempo de subida longa, reflexões podem ocorrer. Por exemplo, se o pino de origem tem um tempo de subida de 1 nSeg, então uma rota maior que 0,33 nSeg - que é aproximadamente 2 polegadas em FR4 - deve ser considerada como uma linha de transmissão e, portanto, um candidato para problemas de integridade de sinal.

Supondo que a Constante Dielétrica ε_R  do FR4 seja 4, a Velocidade de um Sinal no FR4 é dada por:

V_p(FR4) = (299.792458 / √4) mm/ns

              =149.89 mm/ns (aproximadamente 6 polegadas/ns)

Para o FR4, o comprimento da rota no qual os efeitos da linha de transmissão precisam ser considerados pode ser calculado como:

L_R ≥ T_R × 49.965 mm

Se T_R = 1nS

L_R ≈ 50mm (2 polegadas)

Se T_R = 100pS

L_R ≈ 5mm (0,2 polegadas)!! Em uma placa com sinais alternando nessa velocidade, a maioria das rotas serão linhas de transmissão.

Combinando as Impedâncias

Uma vez que não é possível garantir que todas as rotas sejam menores que o comprimento crítico, como você garante que a informação codificada nos seus sinais seja recebida corretamente, e não seja ofuscada por reflexões? Você faz isso minimizando a quantidade de energia que é refletida de volta. Idealmente, você quer que toda a energia que chega ao pino de entrada alvo passe para dentro desse componente e nenhuma seja refletida de volta. Como exatamente você faz isso acontecer?

Para prevenir reflexões, você precisa pensar e projetar a rota como se fosse uma linha de transmissão. Por quê? Porque uma linha de transmissão tem o comportamento especial de, quando terminada por uma impedância igual à sua própria impedância, não refletir energia. Agora você tem um método para lidar com aquelas rotas que são mais longas do que o comprimento crítico; rotas-as como uma linha de transmissão. Isso significa que você as projeta de modo que tenham uma impedância específica, e então as termina com a mesma impedância.

A impedância da rota é definida pelas dimensões da rota (a largura e altura do tubo), e as propriedades e dimensões dos materiais ao redor, que serão o ar circundante ou camadas dielétricas. Para funcionar como uma linha de transmissão, a camada adjacente à camada de sinal deve ser uma camada plana. Ao organizar cuidadosamente as camadas no empilhamento de camadas e calcular as dimensões e propriedades, uma impedância específica pode ser alcançada para a rota. Esta abordagem de roteamento é referida como roteamento de impedância controlada, onde a impedância alvo é mantida constante, e as dimensões e propriedades do material são selecionadas e ajustadas para alcançar isso.

Uma PCB com impedância controlada não pode ser alcançada apenas por roteamento. Existem duas peças nesse quebra-cabeça - controlar a impedância do roteamento e combinar essa impedância com os pinos na rede. Alcançar essa combinação muitas vezes requer a adição de componentes de terminação. As terminações podem ser adicionadas perto do pino de origem ou perto do pino de destino. Uma boa abordagem para determinar se uma rede de alta velocidade precisa de terminação é analisar o design com um simulador de integridade de sinal. Diferente de um simulador de circuito, que modela e simula o comportamento e a interação dos componentes, um simulador de integridade de sinal modela o comportamento do roteamento e sua interação com os pinos dos componentes. Para a simulação de integridade de sinal, os componentes são modelados apenas em termos das características de I/O de seus pinos.

A ferramenta de análise de integridade de sinal precisa:

• Identificar redes que podem ter níveis inaceitáveis de reflexões (ressonância)
• Prever os níveis potenciais de reflexão de sinal e diafonia como formas de onda
• Permitir análise de "e se" de componentes de terminação potenciais e ajudar a selecionar componentes de terminação adequados

Uma série de formas de onda sobrepostas que representam o comportamento de uma rede sendo varrida por uma gama de valores de terminação possíveis. À esquerda está sem terminação, à direita está com um terminador de série teórico de 40Ω.

Por onde flui a Energia de Retorno?

Mas espere, há mais (ou seria isso Moore?). A energia elétrica só flui quando existe um circuito fechado, então a energia que flui ao longo da rota do sinal também deve ter um caminho de retorno. Esse caminho de retorno é tipicamente fornecido pela roteirização de terra que tem que prover um caminho de retorno para todos os sinais no projeto. Há um fenômeno interessante que ocorre com sinais de bordas de comutação rápidas. A energia de retorno de um sinal quer fluir de volta ao longo do mesmo caminho sinuoso e tortuoso que a rota do sinal tomou através da placa. Por quê? Porque este é o caminho de menor impedância para aquele sinal. Mesmo que pudesse fluir a menor distância do componente alvo de volta ao componente fonte, ele não o faz.

Quando um sinal de alta velocidade cruza uma divisão em um plano, um loop é criado, fazendo com que esse sinal crie EMI.

Assim como é necessário pensar no caminho de roteamento para o sinal, você também deve garantir que haja um caminho ininterrupto para a corrente de retorno imediatamente abaixo da rota do sinal. Se a energia de retorno precisar desviar de abaixo do caminho do sinal para contornar um obstáculo, como um buraco na placa (um estouro), então um loop é criado. O loop é o espaço entre os dois caminhos quando você olha para dentro da placa, e a área deste loop é proporcional à quantidade de energia que agora será irradiada por este sinal. Se houver um estouro na placa que é inevitável, considere redirecionar o traçado do sinal para se adequar ao caminho de retorno, pois reduzir a área do loop é geralmente considerado mais importante do que minimizar o comprimento da rota.

Pares Diferenciais

As tecnologias modernas de sinalização, como os pares diferenciais, ajudam a reduzir a necessidade de um plano de retorno de alta qualidade ao rotear o caminho do sinal e o caminho de retorno juntos como um par, garantindo que eles estejam intimamente acoplados tanto em separação quanto em comprimento total. Além do acoplamento forte e da reduzida dependência de um terra de referência de alta qualidade, os pares diferenciais oferecem outra grande vantagem - excelente imunidade a ruídos.

A energia eletromagnética que viaja pela rota como parte de cada sinal não se acopla totalmente ao pino de entrada alvo; parte dela escapa e interfere nos sinais adjacentes. Essa energia que escapa se torna o que chamamos de interferência eletromagnética (EMI), e quando se acopla a um sinal vizinho, cria o que chamamos de diafonia. Pares diferenciais são bons em lidar com a diafonia porque a energia radiada se acopla tanto ao sinal de saída quanto ao de retorno, criando o que chamamos de ruído de modo comum (o ruído é comum a ambos os caminhos do sinal). Se houvesse apenas um único sinal, essa diafonia se somaria a esse sinal e o distorceria. Mas os pinos de entrada do par diferencial são projetados para olhar a diferença entre os pinos no par, e assim são capazes de rejeitar o ruído de modo comum.

Essas duas qualidades - a capacidade de combinar de perto os comprimentos do sinal e seu caminho de retorno, e a capacidade de resistir aos efeitos da diafonia - tornam os pares diferenciais a solução preferida para sinalização de alta velocidade, que pode suportar taxas de dados além de 10 Gb/s em uma PCB.

O que dizer sobre Vias?

Se controlar cuidadosamente a impedância e garantir que há um caminho de retorno de alta qualidade são as duas primeiras arestas do triângulo de design de alta velocidade, as vias são a terceira aresta desse triângulo. Em baixas frequências, uma via tem pouco impacto na qualidade do sinal e pode ser usada sem consideração do seu impacto no desempenho do circuito. No entanto, se o seu design está funcionando como um design de alta velocidade, as vias podem impactar no desempenho do circuito e na qualidade do sinal.

Vias aparecem como descontinuidades tanto capacitivas quanto indutivas, então sua presença afeta a impedância da rota do sinal. Além de afetar a impedância, o comprimento não utilizado do cilindro da via apresenta-se como um stub, que pode criar reflexões. Estudos quantitativos mostraram que o impacto delas pode ser reduzido abordando cada uma das seguintes áreas:

• Reduzindo o tamanho do anel anular onde a rota do sinal se conecta à via.
• Removendo anéis anulares não utilizados em camadas às quais a via não está conectada.
• Aumentando o espaço livre entre o cilindro da via e as camadas de plano adjacentes.
• Colocando vias de costura adjacentes às vias de sinal para fornecer um caminho para a corrente de retorno do sinal poder alternar camadas de plano.
• Colocação cuidadosa de capacitores de desacoplamento adjacentes à via quando um plano de tensão diferente será usado para transportar o retorno do sinal.
• Remoção de stubs de via (o comprimento extra, não utilizado da via que se projeta além da camada que a rota do sinal usa para acessar a via). Isso é feito através de:
  • design de via e atribuições de camada cuidadosas para se adequar ao processo de fabricação, e
  • furação de profundidade controlada (back drilling) para remover a seção não utilizada do cilindro da via.

Usando um processo de furação de profundidade controlada, frequentemente referido como back drilling, cilindros de via não utilizados podem ser removidos.

Outra abordagem para minimizar o impacto de vias em um design de alta velocidade é usar microvias. Uma microvia é uma via pequena. As normas da IPC (IPC/JPCA-2315 e IPC-2226) definem microvias como vias cegas ou enterradas com um diâmetro igual ou inferior a 6 mils (0,15 mm). Um diâmetro de 6 mils está no limite para perfuração mecânica, então as microvias são tipicamente perfuradas a laser. Também existem técnicas híbridas de perfuração a laser modificada + perfuração mecânica de profundidade controlada, como mencionado neste artigo, que oferecem vantagens na fabricação.

As microvias oferecem várias vantagens:

• Redução de parasitas (na ordem de um décimo de uma via perfurada), resultando em menor indutância.
• Geometrias menores, que resultam em um anel anular menor.
• Redução do tamanho da explosão nas camadas de plano por onde passam.
• Remoção ou redução do comprimento do stub. Como são construídas como parte do processo de empilhamento de camadas durante a fabricação, elas podem conectar entre camadas de início e fim específicas. Embora não possam abranger qualquer par de camadas, a seleção cuidadosa das camadas de sinal usadas para sinais de alta velocidade pode garantir que essas camadas tenham acesso a uma camada de início/fim de microvia.

Ruído Crosstalk

Como parte da energia em um sinal de alta velocidade viaja através do material que circunda a rota, é inevitável que alguma dessa energia acople em rotas adjacentes. Referido como crosstalk, essa energia degradará a qualidade desse sinal. Na linguagem de integridade de sinal, o sinal que está irradiando a energia é referido como a rede agressora e o sinal que está recebendo a energia do crosstalk é referido como a rede vítima . Então, como você reduz a quantidade de energia que escapa do agressor, e como você reduz quanto dessa energia é acoplada na vítima? A abordagem básica é reduzir a quantidade de energia que escapa da rota agressora através do casamento de impedância e do design correto do caminho de retorno do sinal, e manter as redes vítimas potenciais longe dos agressores.

Sinais de relógio e outros sinais periódicos são as principais fontes de diafonia (crosstalk) em um projeto. Uma regra prática frequentemente usada é garantir que agressores potenciais, como os relógios, sejam separados das vítimas potenciais por três vezes a largura do roteamento (medida de centro a centro). Isso é conhecido como a regra do 3-W. Ou, em termos de borda a borda, a separação deve ser de no mínimo duas vezes a largura do roteamento. Esta é uma grande folga, então você precisará ser seletivo quanto às redes às quais ela é aplicada. Agressores de alta ameaça, como os relógios, são um grupo. O outro grupo principal a considerar são as vítimas potenciais mais sensíveis, como pares diferenciais; este grupo também se beneficia de uma separação par-a-outro-sinal de 3-W.

 
Previsão de oscilação em uma rota de agressor não terminada (onda verde) e a diafonia resultante na rota da vítima adjacente (onda azul). Note que cada gráfico tem uma escala de tensão diferente.

Dançando no Tempo

Por último, mas não menos importante, há o tempo que leva para o sinal chegar ao seu pino de entrada de destino. Geralmente, um sinal não existe isoladamente. Ele trabalha em harmonia com uma miríade de outros sinais. Um exemplo simples seria os 8 bits em um byte de dados. Não apenas o byte inteiro deve chegar dentro do tempo permitido, mas os bits dentro do byte também devem chegar juntos. O tempo que leva para um sinal viajar de saída para entrada é referido como o tempo de voo, e qualquer diferença entre os tempos de chegada dos bits é referida como a distorção de sinal.

Os principais fatores que influenciam tanto o tempo de voo quanto a distorção são:

• O comprimento das rotas de sinal, ou seja, quão longe os sinais têm que viajar.
• Os materiais pelos quais os sinais estão viajando; isso afeta a rapidez com que os sinais viajam.

Gerenciar isso requer consideração de:

• Colocação de componentes - uma boa colocação de componentes é um elemento chave para o sucesso de um design de alta velocidade. Use o comprimento de Manhattan para guiar a colocação inicial de diferentes componentes que necessitam de comprimentos de rota similares, por exemplo, dispositivos de memória DDR3 configurados em uma topologia de ramificação T. 
• Seleção de material - o material do qual a PCB é fabricada é um fator crítico em um design de alta velocidade. O FR4 tem servido bem à indústria de PCB por décadas, mas seu uso se torna um fator limitante em designs de alta velocidade, já que a constante dielétrica inconsistente do FR4 cria desvio. O material é discutido mais na seção seguinte.
• Comprimento total da rota - assim como influencia o tempo de voo, os comprimentos totais também são importantes ao rotear conjuntos de redes relacionadas. Por exemplo, os requisitos de temporização DDR especificam que a rota do relógio seja mais longa que as rotas de endereço e controle. Esses requisitos são gerenciados por regras de design de Comprimento.
• Comprimentos de rota combinados - o desvio é gerenciado combinando comprimentos de rota. É a rota mais longa em um conjunto de sinais que determina o comprimento da rota para cada rede nesse conjunto. Os comprimentos são combinados definindo regras de design de Comprimento Combinado, e então alongando cada rota mais curta para combinar com o comprimento especificado.

Pares diferenciais - os comprimentos são combinados dentro dos pares e também entre os pares (imagem cortesia de FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com).

A Placa

Tudo isso acontece na placa de circuito impresso. Desde que foram criadas na década de 1940, as humildes PCBs passaram por níveis tremendos de refinamento em tecnologia de fabricação e materiais. Isso levou a reduções enormes no tamanho das características, incluindo o roteamento e as vias. As trilhas não são mais fabricadas com 20 mils de largura. Agora, elas podem ser tão pequenas quanto 2 mils de largura; e uma via pequena não é mais 30/18 mil (terra/furo) - é 12/6 mil. Um novo nome foi criado para descrever designs que usam características tão pequenas - Interconexão de Alta Densidade (HDI) técnicas. Embora custe mais para criar as características menores usadas nas placas HDI, seu menor tamanho significa que o design final pode usar menos camadas, ter rotas mais curtas e integridade de sinal melhorada, o que pode, em última análise, resultar em uma placa que pode não custar mais para fazer (mas pode ser muito mais difícil de testar e reparar).

Os Materiais

Uma grande parte do desafio com um design de alta velocidade é gerenciar o meio pelo qual os sinais viajam. O FR4 tradicional forneceu um material de substrato de placa barato e eficaz por décadas, mas a estrutura não homogênea da trama de fibra de vidro embutida em resina torna-se um fator limitante para designs de alta velocidade. A resina tem uma constante dielétrica diferente (≈3) da trama de fibra de vidro (≈6), e como a fibra de vidro é uma estrutura tecida com lacunas na trama, o sinal vê uma constante dielétrica que muda conforme ele viaja pela placa. Por causa disso, existe uma gama de materiais FR4 disponíveis. Materiais melhores têm uma estrutura de trama mais apertada que oferece uma constante dielétrica mais consistente. A constante dielétrica do FR4 também muda com a temperatura em até ± 20%.

Existem materiais superiores disponíveis para a fabricação de PCB, como Teflon ou cerâmica, mas estes vêm com um preço. O material do qual a placa é fabricada deve ser considerado e escolhido no início do processo de design da PCB em consulta com o fabricante. Para ajudar a equilibrar a seleção de material contra o custo do material, muitos fabricantes de PCB permitem uma mistura de materiais para que os materiais mais caros sejam usados apenas nas camadas que carregam os sinais de alta velocidade.

As Camadas

Como muitos aspectos do design de placas de circuito impresso, determinar o melhor número de camadas é tanto uma arte quanto uma matemática. O fanout e o roteamento de escape de BGAs densos influenciarão fortemente o número de camadas de roteamento. Realizar um teste de fanout e rota de escape para verificar o BGA mais denso no design pode ajudar a verificar se há camadas de sinal suficientes. Outra abordagem, recomendada por Barry Olney da In-Circuit Design, é executar um teste de autorroteamento na placa. Ele sugere que, se completar pelo menos 85% das rotas, a placa deve ser roteável manualmente usando o empilhamento de camadas atual.

Adicionar e atribuir camadas é feito em pares. Geralmente, você terá um par de camadas de plano para cada par de camadas de sinal, ou um par de camadas de plano para cada dois pares de camadas de sinal. Assim, uma placa de quatro camadas terá duas de plano e duas de sinal; uma placa de seis camadas terá duas de plano e quatro de sinal, uma placa de oito camadas terá quatro de plano e quatro de sinal, e uma placa de dez camadas terá quatro de plano e seis camadas de sinal. Note que isso é apenas uma diretriz; o objetivo principal é garantir que cada camada de sinal de alta velocidade esteja adjacente a uma camada de plano.

Nem todos os sinais são de alta velocidade, e nem todas as camadas podem ser configuradas como camadas de roteamento de alta velocidade, portanto, a prática padrão é atribuir e rotear os sinais de alta velocidade em pares de camadas específicos. Cada par de camadas de sinal deve ter uma camada no par atribuída para roteamento vertical e a outra atribuída para roteamento horizontal, e isso deve ser seguido o melhor possível para reduzir o acoplamento entre as camadas adjacentes. O par de alta velocidade pode ser posicionado em um dos lados de uma camada de plano ou entre duas camadas de plano. 

A espessura do dielétrico entre as camadas de sinal de alta velocidade e a camada de plano de referência será ajustada para atender à impedância característica requerida; tipicamente, isso será menos de 10 mils (0,25 mm). Para alcançar a espessura total da placa requerida por razões mecânicas, ajuste a espessura de uma ou mais camadas dielétricas que não estejam adjacentes a uma camada de sinal de alta velocidade, por exemplo, a camada central do núcleo.

Possíveis Empilhamentos de Camadas

A tabela abaixo mostra uma série de possíveis empilhamentos de camadas e atribuições de camadas. A disposição de pares de alta velocidade e pares de propósito geral pode ser alterada, por exemplo, se seu design de seis camadas/apenas furos passantes puder ter os sinais de alta velocidade roteados na camada superior, esta é uma boa opção se isso significa que os sinais de alta velocidade não precisam usar vias. Mantenha cada camada de alta velocidade adjacente a uma camada de plano, e as espessuras dielétricas circundantes iguais para as camadas de alta velocidade.

Sugestões de empilhamento de camadas para placas de 4, 6, 8, 10 e 12 camadas.

Agora que você entende os desafios do design de PCB de alta velocidade, aprenda mais:

• Recursos do Altium Designer para Design de Alta Velocidade
• Documentação sobre como enfrentar esses desafios diretamente no Altium Designer