Explication détaillée des problèmes de câblage des PCB et d'intégrité du signal

Câblage PCB pour signaux à grande vitesse

De nos jours, chaque fois que vous ouvrez le guide de configuration des circuits imprimés de l'usine SoC d'origine, il mentionne le problème de l'angle d'angle du routage du signal à grande vitesse.On dira que les signaux à grande vitesse ne doivent pas être acheminés à angle droit, mais à un angle de 45 degrés, et on dira qu'il vaut mieux utiliser un arc de cercle qu'un coin de 45 degrés.

Est-ce le cas ?Comment régler l'angle de câblage du PCB et est-il préférable de suivre un arc de 45 degrés ou un arc de cercle ?Un câblage à angle droit de 90 degrés est-il réalisable ?

Tout le monde a commencé à avoir du mal avec l'angle d'angle du câblage des PCB, ce qui s'est produit au cours de la dernière décennie.Au début des années 1990, Intel, l'acteur dominant de l'industrie des PC, a dirigé la personnalisation de la technologie des bus PCI.Il semble qu'à partir de l'interface PCI, nous soyons entrés dans une ère de conception de systèmes « à grande vitesse ».

La conception électronique et la technologie de fabrication de puces progressent conformément à la loi de Moore.À mesure que le processus de fabrication des circuits intégrés continue de s'améliorer, la vitesse de commutation des transistors des circuits intégrés s'accélère également, ainsi que la fréquence d'horloge des différents bus.La question de l’intégrité du signal attire également constamment la recherche et l’attention de tous.

Au début, les bactéries posant des câbles PCB étaient relativement simples, il suffisait de tirer et de lisser le circuit, propre et beau, sans se soucier de divers problèmes d'intégrité du signal.Par exemple, le circuit imprimé du multimètre HP classique HP3456A illustré dans la figure ci-dessous comporte un grand nombre de câblages à angle de 90°, des angles presque intentionnellement droits, et la grande majorité des zones ne sont pas recouvertes de cuivre.

Le coin supérieur droit de la carte PCB s'étend non seulement à angle droit, mais réduit également la largeur de la ligne après la rotation, ce qui peut provoquer des problèmes de réflexion du signal et affecter l'intégrité du signal.

Cet article aborde la question des angles de routage pour les signaux haute fréquence/haute vitesse.Nous examinons les avantages et les inconvénients des différents angles de routage, des angles aigus aux angles droits, en passant par les angles obtus, les arcs et jusqu'à n'importe quel angle.

Pourquoi les PCB ne peuvent-ils pas être câblés avec des angles vifs ?

La réponse à la question de savoir si les PCB peuvent être câblés avec des angles vifs est négative.Que l'utilisation d'un câblage à angle vif ait ou non un impact négatif sur les lignes de transmission de signaux à grande vitesse, du seul point de vue du PCB DFM, il est nécessaire d'éviter l'apparition d'un câblage à angle vif.En effet, à l’intersection des fils PCB pour former des angles vifs, cela peut provoquer un problème appelé pièges à acide.Dans le processus de fabrication des PCB, pendant le processus de gravure du circuit PCB, une corrosion excessive du circuit PCB peut se produire au niveau des « pièges à acide », conduisant au problème de rupture virtuelle du circuit PCB.

Bien que nous puissions utiliser CAM 350 pour DFF Audit pour détecter automatiquement les problèmes potentiels liés aux « pièges acides », évitant ainsi les goulots d'étranglement de traitement lors de la fabrication des PCB.Si le personnel chargé du traitement de l'usine de PCB détecte la présence de pièges à acide, il insérera simplement un morceau de cuivre dans cet espace.

De nombreux ingénieurs dans les usines de PCB ne comprennent pas réellement la disposition.Ils réparent uniquement les pièges à acide du point de vue du traitement technique des PCB.Cependant, il n’est pas clair si cette réparation peut entraîner d’autres problèmes d’intégrité du signal.Par conséquent, lors de l’aménagement, nous devons essayer d’éviter autant que possible les pièges acides provenant de la source.

Comment éviter les angles vifs lors du tréfilage, qui peuvent causer des problèmes de DFM de piège à acide ?Les logiciels de conception EDA modernes (tels que Cadence Allegro, Altium Designer, etc.) sont dotés d'options complètes de routage de mise en page.Lorsque nous utilisons ces options auxiliaires de manière flexible dans le routage du tracé, nous pouvons grandement éviter l'apparition du phénomène de « piège acide » pendant le tracé.L'angle de sortie du plot de soudure est réglé pour éviter que l'angle entre le fil et le plot de soudure ne forme des angles vifs, comme le montre l'exemple ci-dessous.

En utilisant la fonction Enhanced Pad Entry de Cadence Allegro, nous pouvons minimiser la formation d'angles entre les fils et les plots de soudure pendant le câblage, évitant ainsi le problème DFM des « pièges à acide ».

Évitez de croiser deux fils pour former des angles vifs.

La commutation de l'option « bascule » lors de l'application flexible du câblage Cadence Allegro peut éviter les angles vifs et les angles lors du retrait des branches de fils en forme de T, et éviter de provoquer des problèmes DFM de « pièges à acide ».

La disposition du PCB peut-elle être câblée à 90 ° ?

Les lignes de transmission de signaux à haute fréquence et à grande vitesse doivent éviter de fonctionner dans des coins à 90°, ce qui constitue une exigence forte dans divers guides de conception de PCB.Les lignes de transmission de signaux à haute fréquence et à grande vitesse doivent maintenir une impédance caractéristique constante, et l'utilisation d'un coin à 90 ° modifiera la largeur de la ligne au coin de la ligne de transmission.La largeur de ligne au coin de 90° est environ 1,414 fois la largeur de ligne normale.En raison du changement de largeur de ligne, cela provoquera une réflexion du signal.Dans le même temps, la capacité parasite supplémentaire au coin aura également un effet de retard sur la transmission du signal.

Bien entendu, lorsque le signal se propage le long d’une ligne d’interconnexion uniforme, il n’y aura aucune réflexion ni distorsion du signal transmis.S'il y a un coin à 90° sur la ligne d'interconnexion uniforme, cela entraînera une modification de la largeur de la ligne de transmission PCB au coin.Selon les calculs pertinents de la théorie électromagnétique, cela aura certainement un impact sur la réflexion du signal.

L’impact du routage à angle droit sur les signaux se reflète principalement sous trois aspects :

Le coin peut être équivalent à une charge capacitive sur la ligne de transmission, ralentissant le temps de montée

La largeur de ligne au coin de 90° est environ 1,414 fois la largeur de ligne normale, provoquant une discontinuité d'impédance et entraînant une réflexion du signal.

EMI généré par une pointe à angle droit, où la pointe est susceptible d'émettre ou de recevoir des ondes électromagnétiques, ce qui entraîne des EMI

La capacité parasite provoquée par l'angle droit de la ligne de transmission peut être calculée à l'aide de la formule empirique suivante :

C=61W (Er) 1/2/ZO

Dans l'équation ci-dessus, C fait référence à la capacité équivalente au coin (en pF), W fait référence à la largeur de la ligne (en pouces), Er fait référence à la constante diélectrique du milieu et ZO est l'impédance caractéristique du ligne de transmission.

Pour les signaux numériques à grande vitesse, un coin à 90° peut avoir un certain impact sur la ligne de transmission du signal à grande vitesse.Pour nos PCB haute densité haute vitesse actuels, la largeur générale du câblage est de 4 à 5 mil et la capacité électrique d'un coin à 90 ° est d'environ 10 fF.Après calcul, le retard cumulé provoqué par cette capacité est d'environ 0,25ps.Par conséquent, un coin à 90° sur une largeur de fil de 5 mil n'aura pas d'impact significatif sur le signal numérique haute vitesse actuel (temps de montée de 100 psc).

Pour les lignes de transmission de signaux haute fréquence, afin d'éviter les dommages au signal causés par l'effet cutané, des lignes de transmission de signal plus larges sont généralement utilisées, telles qu'une impédance de 50 Ω et une largeur de ligne de 100 mil.La largeur de ligne au coin de 90° est d'environ 141 mils et le retard du signal provoqué par la capacité parasite est d'environ 25 ps.A ce moment, le virage à 90° provoquera un impact très grave.

Dans le même temps, les lignes de transmission micro-ondes espèrent toujours minimiser la perte de signal.La discontinuité d'impédance au coin de 90 ° et la capacité parasite à l'extérieur peuvent provoquer des erreurs de phase et d'amplitude dans les signaux haute fréquence, des inadéquations d'entrée et de sortie et un éventuel couplage parasite, entraînant une détérioration des performances du circuit et affectant les caractéristiques de transmission des signaux du circuit PCB.

Concernant le routage du signal à 90°, l'avis de Lao Wu est d'essayer d'éviter autant que possible le routage à 90°.

Tangente oblique à 45 degrés

En plus des signaux RF et autres signaux ayant des exigences particulières, le câblage de notre PCB doit de préférence être exécuté à 45°.Il convient de noter que lors d'un angle de 45 ° avec une longueur égale, la longueur du câblage au coin doit être au moins 1,5 fois la largeur de la ligne et la distance entre les enroulements de lignes de longueur égale doit être au moins 4 fois la largeur de la ligne.Comme les lignes de signaux à grande vitesse transmettent toujours le long du chemin d'impédance, si l'espacement entre les enroulements de lignes de longueur égale est trop proche, en raison de la capacité parasite entre les lignes, les signaux à grande vitesse peuvent prendre des raccourcis, ce qui entraîne une longueur inexacte.Les règles de bobinage des logiciels EDA modernes peuvent facilement définir des règles de bobinage pertinentes.

Routage d'arc avec arc

S'il n'est pas explicitement requis par les spécifications techniques d'utiliser des lignes courbes ou des lignes de transmission micro-ondes RF, je pense personnellement qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des lignes courbes en raison de la disposition des PCB à grande vitesse et haute densité, un grand nombre de lignes courbes les lignes sont très difficiles à réparer à un stade ultérieur, et un grand nombre de lignes courbes prennent également du temps.Pour les signaux différentiels à grande vitesse comme USB3.1 ou HDMI2.0, je pense que les arcs circulaires peuvent toujours être utilisés.

Bien entendu, pour les lignes de transmission de signaux hyperfréquences RF, il est toujours préférable d'utiliser des arcs de cercle, voire d'utiliser des lignes de « coupe oblique externe à 45° » pour le routage.

Conclusion

Avec le développement de la technologie de communication sans fil 4G/5G et la mise à niveau continue des produits électroniques, le taux de transmission actuel de l'interface de données PCB a atteint 10 Gbit/s ou 25 Gbit/s ou plus, et le taux de transmission du signal évolue constamment vers la haute vitesse.Avec le développement de la transmission de signaux à haute vitesse et haute fréquence, des exigences plus élevées sont mises en avant en matière de contrôle d'impédance des PCB et d'intégrité du signal.

Pour les signaux numériques transmis sur les cartes PCB, de nombreux matériaux diélectriques utilisés dans l'industrie électronique, y compris le FR4, ont été considérés comme uniformes lors d'une transmission à basse vitesse et basse fréquence.

Mais lorsque le débit du signal électronique sur le bus système atteint le niveau Gbps, cette hypothèse d’uniformité n’est plus valable.À ce stade, la variation locale de la constante diélectrique relative de la couche diélectrique provoquée par les espaces entre les faisceaux de fibres de verre entrelacés dans le substrat en résine époxy ne peut être ignorée.La perturbation locale de la constante diélectrique entraînera une corrélation spatiale entre le retard et l'impédance caractéristique de la ligne, affectant ainsi la transmission des signaux à grande vitesse.

Les données de test basées sur le substrat de test FR4 montrent qu'en raison de la différence de position relative entre les lignes microruban et les faisceaux de fibres de verre, la constante diélectrique effective mesurée de la ligne de transmission fluctue considérablement, avec une différence allant jusqu'à Δ ε r=0,4.Bien que ces perturbations spatiales semblent faibles, elles affecteront sérieusement la ligne de transmission différentielle avec une vitesse de données de 5 à 10 Gbit/s.

Dans certains projets de conception à grande vitesse, afin de gérer l'impact de l'effet de la fibre de verre sur les signaux à grande vitesse, nous pouvons utiliser la technologie de routage en zigzag pour atténuer l'impact de l'effet de la fibre de verre.

Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 et les versions ultérieures prennent en charge le mode de câblage en zigzag.

Dans le menu Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015, sélectionnez 'Route ->Unsupported Prototype ->Fiber Weave Effect' pour ouvrir la fonction de routage en zigzag.

Il y a vingt ans, notre disposition de circuits imprimés n'avait pas à se soucier de savoir s'il fallait suivre des lignes courbes ou l'impact des fibres de verre sur les signaux à grande vitesse.Il n'existe pas de règle fixe de disposition des PCB, et avec l'amélioration de la technologie de fabrication des PCB et de la vitesse de transmission des données, il est possible que les règles correctes actuelles ne soient plus applicables à l'avenir.