Как влияние эффекта волоконной оплетки влияет на целостность высокочастотных сигналов

С множеством устройств, работающих на высоких скоростях передачи данных и включающих в себя функции РЧ, проекты на некоторых жестких подложках могут столкнуться с неудобным явлением: эффектом волоконной текстуры. На самом деле, из-за волоконной текстуры в подложке печатной платы может возникнуть несколько проблем с целостностью сигнала.

При достаточно низких скоростях нарастания сигнала (> 1 нс) и ширине полосы сигнала или частотах (< 1 ГГц) вы, вероятно, никогда не заметите эффектов от стилей волоконной текстуры. Эффект волоконной текстуры проявляет себя, когда частоты и ширины полосы сигнала становятся достаточно высокими для поддержки приложений, таких как 100G/400G или более быстрые соединения, устройства ммВолн и ультравысокоскоростные SerDes. В некоторых РЧ системах, где требуется согласование фаз (например, в фазированных антенных решетках с опорным генератором), эффект волоконной текстуры также очень важен для обеспечения времени системы.

Как подходить к пониманию эффекта волоконной текстуры

Наиболее распространённое упоминание о влиянии волоконной текстуры связано с возникновением сдвига между дорожками, проложенными на подложке печатной платы (PCB). Этот временной сдвиг может возникнуть между двумя сторонами дифференциальной пары, что может привести к нарушению синхронизации двух сигналов, или между несколькими однопроводными дорожками в параллельной шине (например, DDR). Это происходит из-за чередования стекловолоконно-смолистой структуры материалов ламината PCB; поскольку стекло и смола имеют разные значения Dk, сигналы в этих областях будут иметь разные скорости распространения.

Даже самые передовые смолистые ламинаты являются неоднородными, анизотропными материалами, что означает, что их диэлектрические свойства варьируются в пространстве и в разных направлениях. Все материалы ламината на основе смолы/стекла производятся с использованием ткацкого станка, который используется для создания стекловолоконной ткани в качестве усиления в подложке PCB. Новые материалы, специализированные для высокоскоростных/высокочастотных конструкций, такие как недавно выпущенные ламинаты от Rogers Corp. и Isola, оптимизируются для достижения низких потерь и желаемых значений CTE, Tg и теплопроводности. Для ламинатов Isola они, как правило, доступны в ряде стилей стекловолоконной ткани, включая распределённое стекло.

Стили переплетения волокон. Слабые переплетения (слева) создают большее искажение и изменения импеданса на плате по сравнению с плотным переплетением (справа). Изображение предоставлено: Чэнь и др. (MDPI).

Как дизайнер, у вас есть несколько вариантов, которые могут помочь уменьшить эффекты переплетения волокон, хотя проблему нельзя полностью исключить, если трассировка выполняется на открытом стекловолоконном переплетении. Вы определенно можете указать желаемую ориентацию для дорожки относительно расположения волоконного переплетения, но размеры дорожек и типичные методы трассировки на подложке печатной платы затрудняют точное предсказание места, где будут проходить ваши дорожки по плате. Для этих полостей на плате у нас есть две точки зрения для рассмотрения искажений, создаваемых переплетениями волокон:

• В массово производимой продукции, где более свободные переплетения могут быть желательны по причинам стоимости
• На продвинутых платах или РЧ платах, где может потребоваться более дорогой материал

Как стиль переплетения волокон влияет на искажение

Поскольку полости в переплетении волокон образуются из-за зазоров между пучками стекла, дорожки, проложенные над этими полостями, будут иметь другую диэлектрическую постоянную по сравнению с пучками стекла. Разница в диэлектрических постоянных может достигать фактора 2, в зависимости от материалов, используемых в подложке.

Возможно оценить скос, который накапливается между двумя трассами одинаковой длины, если известны диэлектрические постоянные компонентов стекла и смолы. Эти данные не всегда предоставляются в технических описаниях, но они могут быть использованы для определения наихудшего значения скоса между двумя трассами. Используя разницу в задержках распространения через каждый материал, мы обнаружим, что наихудшее значение временного скоса:

Приблизительное значение наихудшего скоса

Также обратите внимание на эту недавнюю публикацию для некоторых экспериментальных данных, собранных с различными стилями тканей волокон. Типичное значение временного скоса для открытой ткани может быть таким же большим, как 4 пс/дюйм или выше для традиционных стеклянных тканей (см. вышеуказанную цитату для некоторых данных). На больших платах этот вклад в общий джиттер может быть достаточным, чтобы десинхронизировать два быстрых сигнала.

На самом деле, скос от ткани волокон непредсказуем, просто потому что вы не знаете, где окажется ваша трасса после изготовления платы. Существуют некоторые простые способы помочь уменьшить его (см. ниже), но первый шаг - определить, действительно ли скос важен в вашем конкретном дизайне. Поскольку скос является проблемой несоответствия времени

Будет ли скос важен для вашей системы?

Первое, что вам следует сделать, это определить, создает ли перекос из-за волоконной текстуры какие-либо заметные проблемы в вашей конкретной системе. Возьмем, к примеру, два проводника в дифференциальной паре. Сигналы на каждом проводнике должны прибыть на приемник в течение определенного временного окна. Если допустимое несоответствие между сигналами (временное окно) значительно больше, чем ожидаемый перекос на данном маршруте, то перекос можно фактически игнорировать.

Тот же вид анализа может быть применен к параллельным шинам с согласованной длиной. Это одна из причин, по которой вы можете захотеть очень точно согласовать задержки ваших дифференциальных пар. Это оставляет достаточно запаса для перекоса, создаваемого волоконной текстурой, случайным джиттером или любыми другими источниками джиттера, которые могут создавать перекос. В случае, когда перекос из-за волоконной текстуры будет сопоставим с допустимым временным несоответствием, то использование материала с открытой текстурой не рекомендуется.

По мере увеличения скорости потоков данных и уменьшения времени нарастания сигнала вышеупомянутое временное окно будет сужаться, и это увеличивает акцент на снижении общего джиттера, который может существовать в пределах временного окна. Это одна из причин, по которой мы фокусируемся на джиттере, создаваемом шумом источника питания, отскоком земли и перекрестными помехами в быстрых интерфейсах, поскольку они также вносят вклад в общий джиттер.

Угловая трассировка или поворот панели

Как было показано в недавней публикации в журнале Signal Integrity Journal, трассировка под небольшим углом к направлению переплетения может снизить временной сдвиг (стандартное отклонение) с ~7 пс/дюйм до менее чем 1 пс/дюйм. Заметим, что это касается только сдвига из-за эффекта волоконного переплетения; другие источники сдвига, такие как случайный джиттер и несоответствие задержек в параллельных шинах или дифференциальных парах, все еще необходимо учитывать. Однако, углы, о которых идет речь, составляли всего ~0.04 рад, что эквивалентно ~2.3 градусам. Другими словами, стандартное отклонение сдвига может быть снижено примерно на 3 пс/градус, до максимального снижения ~7 пс.

Изображение снижения сдвига. Автор: Богатин и др. (Signal Integrity Journal).

Это показывает не то, что угловая трассировка устраняет сдвиг, а то, что стандартное отклонение во времени становится меньше. Это одна из причин, по которой производственная мастерская может повернуть изображение на панели (возможно, на 10 градусов), чтобы бороться со сдвигом времени, вызванным структурой волокон. Вместо ручной трассировки или зигзагообразного проведения дорожек на печатной плате, поворот изображения на панели позволяет дизайнеру работать как обычно в программном обеспечении для проектирования ПП. Недостатком является то, что изображение на панели займет дополнительное пространство, поэтому это увеличивает стоимость изготовления каждой платы.

Распределение стекловолокна

Распределенное стекловолокно выравнивается при помещении в стеклопластик печатной платы, что обеспечивает заполнение пространства в ламинате ПП, занятого смолой, волокнами. Заполняя область смолы стеклом, материал кажется более однородным на практических частотах, используемых в современной электронике. Это минимизирует сдвиг между каждой дорожкой в дифференциальной паре или между одиночными дорожками в параллельных шинах.

Установить расстояние между дифференциальными парами = Шаг стекловолокна

Если известен шаг стеклоткани, то его можно использовать в качестве расстояния между дифференциальными парами. Это обеспечит, что следы в паре всегда будут занимать почти идентичные области ткани вдоль прямого маршрута, таким образом, это снизит внутрипарное искажение. Подобное правило проектирования может быть использовано и для параллельных однопроводных шин, и для параллельных дифференциальных шин.

Ненасыщенные ламинаты для РЧ плат

Другой вариант для продвинутых РЧ плат - использование ненасыщенного ламината на основе ПТФЭ, который не будет иметь стеклоткани. Недостатком этих ламинатов, помимо стоимости, является тот факт, что с ними может быть сложно работать на этапе изготовления. Поскольку они не имеют структурного усиления, их иногда называют "мокрыми лапшами", поскольку они легко гнутся. В результате они могут иметь более высокий потенциал для смещения слоев относительно друг друга. Для РЧ плат, используемых с фазированными антенными решетками, устранение искажений на длинных соединениях очень полезно, особенно если контроллер системы не имеет механизма компенсации искажений через процедуру калибровки при включении питания.

Периодическая нагрузка на частотах ГГц

Полости в свободных волоконных переплетениях по сути являются частично открытыми резонаторами, и резонансы, возбуждаемые в структуре волоконного переплетения на материале ПП, не определяются и не наблюдаются в симуляции или анализе. Помните, что электромагнитное поле не ограничивается внутри дорожки, оно существует вокруг дорожки и ограничено окружающей средой. Это означает, что проходящий высокочастотный сигнал или цифровой сигнал с большой полосой пропускания могут возбудить один или несколько резонансов в этих полостях. Эти резонансы можно аппроксимировать как резонансы в прямоугольном ящике, и мы ожидаем следующий набор частот:

Наименьшая частота резонанса волоконного переплетения обычно составляет ~50 ГГц для свободных переплетений. Затем эти резонансы могут возбуждать субгармонические резонансы полости через резонансную связь. Другими словами, карманы волоконного переплетения, близлежащие проводящие структуры и паразитные элементы, создаваемые каждым из них, действуют как источник излучаемых электромагнитных помех. Эта конкретная проблема недавно обсуждалась в Журнале Интегральности Сигнала.

Сильный резонанс в этих полостях также может индуктивно или емкостно связываться с близлежащими цепями. Эта связь представляет собой большую проблему в цепях передачи РЧ сигналов, включающих усилители мощности, драйверы мощных ППТ и аналогичные схемы, генерирующие сильные РЧ поля. Этот эффект проявляется как падение в профиле потерь на вставке на последовательных резонансах тканевого оплетения. Этот эффект можно измерить, извлекая S-параметры из тестового образца с помощью векторного анализатора цепей.

Анализатор спектра

В заключение, если вы хотите предотвратить проблемы с резонансами и падениями потерь на вставке, стремитесь к выбору стиля тканевого оплетения с наименьшим шагом, который удовлетворяет вашим требованиям к потерям, КТР, Tg и теплопроводности. Стиль с более плотным оплетением, как правило, будет иметь резонансы на более высоких частотах, хотя будут определенные компромиссы, которые необходимо сбалансировать. Точный учет сдвига фаз и обеспечение контролируемого импеданса требует определения правильной средней диэлектрической постоянной для использования в ваших расчетах импеданса. В случае, если излучение полостей становится проблематичным, вы можете рассмотреть возможность использования конформного покрытия в качестве экранирующего материала.

Менеджер стека слоев в Altium Designer^® позволяет вам определить среднюю диэлектрическую постоянную, которую ваши сигналы будут видеть, когда они передвигаются вдоль трассы сигнала. Это делает его идеальным инструментом для компенсации сдвига из-за эффекта волоконной ткани на вашей плате. Инструменты постпроектировочного моделирования также полезны для изучения перекрестных помех между трассами, по которым передаются высокочастотные сигналы, и для маршрутизации с контролируемым импедансом. Вы получите доступ к обширной библиотеке стандартизированных материалов и стилей плетения, которые вы можете использовать в вашем стеке.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для проектирования, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.