Pourquoi les traces du PCB ne peuvent-elles pas former un angle droit de 90 degrés ?

2022-05-17


  Désormais, chaque fois que vous ouvrirez le guide de configuration de la carte PCB d'origine du SoC, vous mentionnerez l'angle d'angle des traces du signal haute vitesse. Ils diront que les signaux à grande vitesse ne doivent pas être tracés à angle droit, mais doivent être tracés à un angle de 45 degrés. Mieux qu'un virage à 45 degrés.


  Est-ce le cas ? Comment régler l'angle de trace du PCB, est-il préférable d'aller à 45 degrés ou à un arc ? Le câblage à angle droit à 90 degrés est-il acceptable ?


Feuille de fibre de verre FR4


  Tout le monde a commencé à s'emmêler dans l'angle d'angle de la ligne de circuits imprimés, ce qui date des dix ou vingt dernières années. Au début des années 1990, le seigneur de l’industrie informatique, Intel, a dirigé la personnalisation de la technologie des bus PCI.


  (Merci à Intel pour avoir sorti l'interface PCI, c'est avec l'amélioration de la bande passante de l'interface du bus PCI, y compris la dernière interface du bus AGP, que sont nées les cartes graphiques comme 3DFX VOODOO Voodoo, et j'ai aussi expérimenté le Tomb Raider à cette époque. Rétrospectivement, c'est la demande du marché pour des applications multimédias telles que les jeux 3D qui a favorisé le développement de la technologie PC, y compris plus tard l'Internet et la diffusion des smartphones.)


  Il semble qu'à partir de l'interface PCI, nous soyons entrés dans une ère de conception de systèmes « à haut débit ».


  Après les années 1990, c'est le désir d'un groupe d'acteurs de performances 3D qui a permis à la technologie correspondante de conception électronique et de fabrication de puces de se développer conformément à la loi de Moore. En raison de l'amélioration continue de la technologie des processus IC, les commutateurs de transistors IC La vitesse devient de plus en plus rapide, la fréquence d'horloge des différents bus devient de plus en plus rapide et le problème de l'intégrité du signal attire constamment la recherche et l'attention de tous. Par exemple, la demande des gens pour la vidéo et l'audio domestique haute définition 4K, le taux standard de transmission HDMI2.0 a atteint 18 Gbit/s ! ! !


  Avant ma naissance, les bactéries du fil de traction des circuits imprimés devraient être des camarades de classe relativement simples, il suffit de tirer la ligne, lisse, soignée et belle, sans prêter attention aux divers problèmes d'intégrité du signal. Par exemple, le circuit imprimé du multimètre classique à six chiffres HP3456A de HP illustré dans la figure ci-dessous montre un grand nombre de traces à un angle de 90°.


  Le HP3456A n'a pas de larmes, et il est presque délibérément pris à angle droit (certains endroits complétaient à l'origine un angle oblique, mais il doit parcourir plusieurs angles droits d'affilée), et la plupart des endroits ne sont pas recouverts de cuivre.


Le PCB peut-il être tracé sous un angle aigu ?


  Que le PCB puisse être acheminé selon un angle aigu, la réponse est non, que le tracé à angle aigu ait ou non un impact négatif sur la ligne de transmission du signal à grande vitesse, du seul aspect PCB DFM, le tracé à angle aigu devrait être évité.


  Parce que lorsque les fils du PCB se croisent pour former un angle aigu, cela provoquera un problème appelé « pièges à acide ». Des haricots aigres ? D'accord, j'adore les nouilles aux haricots aigres, mais les haricots aigres sur le circuit imprimé ici sont une nuisance. Dans le processus de fabrication des cartes de circuits imprimés, lors du processus de gravure des circuits imprimés, les « pièges à acide » provoqueront une corrosion excessive du circuit imprimé, entraînant le problème de la rupture virtuelle du circuit imprimé.


  Cependant, nous pouvons utiliser CAM 350 pour DFF Audit pour détecter automatiquement les problèmes potentiels liés aux « pièges à acide » afin d'éviter les goulots d'étranglement de traitement lors de la fabrication des PCB. Si les techniciens de l'usine de circuits imprimés détectent l'existence de pièges à acide, ils inséreront simplement un morceau de cuivre dans cet espace.


  De nombreux ingénieurs d'usines de cartes ne connaissent pas la configuration, ils réparent simplement le problème du piège à acide du point de vue de l'ingénierie des PCB, mais on ne sait pas si cette réparation entraînera d'autres problèmes d'intégrité du signal, nous devrions donc essayer d'éviter les pièges à acide de la source dans la disposition.


  Comment éviter un angle aigu lors de la traction du fil, provoquant un problème de DFM de piège à acide ? Les logiciels de conception EDA modernes (tels que Cadence Allegro, Altium Designer, etc.) sont tous dotés d'options complètes de routage de mise en page. Nous utilisons ces options auxiliaires de manière flexible dans le routage de la mise en page, ce qui peut grandement éviter notre production de « mise en page » dans la mise en page. phénomène de « piège à acide »


  Réglage de l'angle de sortie du tampon Évitez les angles aigus entre le fil et le tampon.


La disposition du circuit imprimé peut-elle être acheminée à 90° ?


  Les lignes de transmission de signaux haute fréquence et haute vitesse doivent éviter le routage avec des coins à 90°, ce qui est fortement requis dans divers guides de conception de circuits imprimés, car les lignes de transmission de signaux haute fréquence et haute vitesse doivent maintenir une impédance caractéristique constante et une impédance caractéristique de 90°. Le routage de coin est utilisé au coin de la ligne de transmission. , modifiera la largeur de la ligne. La largeur de ligne au coin de 90° est environ 1.414 fois la largeur de ligne normale. Étant donné que la largeur de la ligne change, cela provoquera une réflexion du signal. Dans le même temps, la capacité parasite supplémentaire au coin entraînera également une transmission du signal qui prendra beaucoup de temps. impact retardé.


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


  C’est le cas en théorie, mais la théorie reste après tout une théorie. L'impact des virages à 90° sur les lignes de transmission de signaux à grande vitesse est-il important dans la pratique ?


  Par exemple, par exemple, son camarade de classe Wang Shi Cong (ici son camarade de classe Wang est purement fictif pour le bien de l'intrigue, aucun père biologique ne choisirait un tel nom pour son fils, s'il y a des similitudes, c'est purement un honneur, O( ∩ _∩)O~) a emmené leur Erha et Nvpin pour faire une fondue, et a vu une centaine de dollars déposés au bord de la route, pensez-vous qu'il les ramasserait ou pas ?


  Récupérer ces cent yuans augmenterait théoriquement la richesse personnelle de Wang Decong d'une centaine de yuans supplémentaires, mais pour les camarades de classe de Wang qui viennent de trouver un billet féminin et de glisser une carte pour acheter une voiture de luxe, comme acheter du chou, cela peut être complètement ignoré. Et pour moi, cela représente beaucoup d'argent, et d'habitude, je me précipite et fais semblant de nouer mes lacets...


  Un virage à 90° aura donc un impact négatif sur les lignes de transmission de signaux à haut débit, ce qui est théoriquement certain, mais cet impact est-il fatal ? Le coin à 90° a-t-il le même effet sur les signaux numériques à grande vitesse et sur les lignes de transmission de signaux hyperfréquences à haute fréquence ?


  Selon l'article « Coins à angle droit sur les traces de circuits imprimés, analyse du domaine temporel et fréquentiel » et l'article « Qui a peur du grand méchant virage ? de Howard Johnson et le livre "Signal Integrity and Power Integrity" d'Eric Bogatin. En analysant le contenu du chapitre 8 (deuxième édition), nous pouvons tirer les conclusions suivantes :


  Pour les signaux numériques à grande vitesse, un coin à 90° aura un certain impact sur les lignes de transmission de signaux à grande vitesse. Pour notre circuit imprimé haute densité et haute vitesse actuel, la largeur de trace générale est de 4 à 5 mil et la capacité d'un coin à 90° est d'environ 10fF. On estime que le retard cumulé provoqué par ce condensateur est d'environ 0.25 ps, donc un coin à 90° sur un fil avec une largeur de ligne de 5 mil n'aura pas un grand impact sur le signal numérique haute vitesse actuel (temps de front montant de 100 psec). ).


  Pour les lignes de transmission de signaux haute fréquence, afin d'éviter les dommages au signal causés par l'effet cutané, une ligne de transmission de signal plus large est généralement utilisée, telle 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 mil, le retard du signal causé par la capacité parasite est d'environ 25 ps. A ce moment-là, le virage à 90° aura un impact très sérieux.


  Dans le même temps, les lignes de transmission micro-ondes espèrent toujours minimiser la perte du signal. La discontinuité d'impédance au coin de 90° et la capacité parasite à l'extérieur provoqueront des erreurs de phase et d'amplitude du signal haute fréquence, l'inadéquation entre l'entrée et la sortie, et l'existence possible d'un couplage parasite, qui à son tour conduit à la la détérioration des performances du circuit affecte les caractéristiques de transmission des signaux du circuit PCB.


  Concernant le routage du signal à 90°, le propre point de vue de Lao Wu est d'essayer d'éviter le routage à 90°, Nani ? N'a-t-il pas été dit plus tôt que l'impact des virages à 90° sur les signaux numériques à grande vitesse pouvait être ignoré ?


  Bien entendu, ceux écrits ci-dessus doivent compenser le nombre de mots, O(∩_∩)O~, l'influence d'un seul coin de 90° sur la qualité du signal de la ligne de transmission numérique à grande vitesse, par rapport à l'écart de la hauteur du fil et du plan de référence, le fil lui-même est gravé. Dans le processus, l'écart de variation de la largeur de ligne et l'uniformité de l'espacement des lignes, le changement de la constante diélectrique de la feuille sur le signal de fréquence, et même l'influence des paramètres parasites du via sont bien plus importants que les problèmes provoqués par le coin à 90°.


  Cependant, les lignes de transmission de circuits numériques à grande vitesse d'aujourd'hui doivent toujours être enroulées sur la même longueur. Lorsque plus de dix ou vingt coins sont superposés, le retard de montée du signal provoqué par l'effet cumulatif de ces coins à 90° deviendra non négligeable. Le signal à grande vitesse est toujours transmis le long du chemin d'impédance, avec des coins à 90° de longueur égale, et le chemin de transmission final du signal réel sera légèrement plus court que l'original.


  Et maintenant, le taux de transmission du signal numérique à grande vitesse devient de plus en plus élevé, la norme HDMI2.0 actuelle, le taux de bande passante de transmission a atteint 18 Gbit/s, le câblage d'angle à 90° ne répondra plus aux exigences, et nous sommes maintenant au 21e siècle. , maintenant Le logiciel EDA de 45° a été bien pris en charge même par ceux qui l'utilisent.


  Dans le même temps, l'acheminement des câbles dans des coins à 90° n'est pas conforme à l'esthétique des gens en termes d'esthétique technique. Par conséquent, pour le tracé actuel, que vous utilisiez des lignes de signaux haute fréquence/haute vitesse, nous devrions essayer d'éviter le routage avec des coins à 90°, sauf exigences particulières.


  Pour les traces à courant élevé, nous remplaçons parfois les traces par des feuilles de cuivre recouvertes de cuivre. Aux coins du revêtement en cuivre, nous devons également remplacer les coins à 90° par deux coins à 45°, ce qui est non seulement beau, mais également exempt d'EMI. danger caché.


Itinéraire à 45°


  À l'exception des signaux RF et autres signaux ayant des exigences particulières, les traces sur notre PCB doivent être tracées de préférence à 45°. Il convient de noter que lorsque la trace d'un angle de 45° est enroulée sur la même longueur, la longueur de la trace au coin doit être au moins 1.5 fois la largeur de la ligne et la distance entre les lignes de même longueur doit être au moins 4 fois. la largeur de la ligne.


  Étant donné que les lignes de signaux à grande vitesse sont toujours transmises le long du chemin d'impédance, si la distance entre les lignes de longueur égale est trop proche, en raison de la capacité parasite entre les lignes, le signal à grande vitesse prend un raccourci et la longueur égale sera inexact. Les règles de bobinage des logiciels EDA modernes peuvent facilement définir les règles de bobinage pertinentes.


Feuille de fibre de verre FR4


trace en arc


  S'il n'est pas clairement requis par les spécifications techniques d'être acheminé dans un arc ou dans une ligne de transmission micro-ondes RF, je pense personnellement qu'il n'est pas nécessaire d'opter pour un arc, en raison de la disposition des câbles à haute vitesse et haute densité. PCB, un grand nombre de lignes d'arc sont très difficiles à réparer plus tard, et un grand nombre de traces courbes prennent également plus de place.


Itinéraire sous n'importe quel angle


  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 plus de 25 Gbit/s, et le taux de transmission du signal continue d'évoluer vers une vitesse élevée. 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, notamment Feuille de fibre de verre FR4 , utilisés dans l'industrie électronique, ont toujours été considérés comme uniformes pour la transmission à basse vitesse et basse fréquence.


  Cependant, 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 permittivité relative locale de la couche diélectrique provoquée par l'espace entre les faisceaux de fibres de verre entrelacés dans le substrat en résine époxy. Le changement ne sera pas ignoré et la perturbation locale de la constante diélectrique rendra le retard et l'impédance caractéristique de la ligne liée à l'espace, affectant ainsi la transmission des signaux à grande vitesse.


  Les données de test basées sur Feuille de fibre de verre FR4 Le substrat de test montre qu'en raison de la différence de position relative entre la ligne microruban et le faisceau de fibres de verre, la constante diélectrique effective de la ligne de transmission mesurée fluctue considérablement et la différence entre les valeurs peut atteindre Δεr = 0.4. Bien que ces perturbations spatiales puissent sembler minimes, elles peuvent sérieusement affecter les lignes de transmission différentielles avec des vitesses 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 routage en zigzag.


  Dans le menu Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015, sélectionnez « Route -> Unsupported Prototype -> Fiber Weave Effect » pour activer le routage en zigzag.


  Les années tuent des porcs, tout comme il y a vingt ans, nous n'avons pas besoin de nous soucier de savoir si nous devons ou non prendre la ligne d'arc, et nous n'avons pas besoin de nous soucier de l'impact de la fibre de verre du circuit imprimé. sur le signal à grande vitesse. Peut-être qu'en lisant ce texte 20 ans plus tard, vous aurez l'impression que les opinions de Lao Wu sont tout à fait différentes...


  Par conséquent, il n’existe pas de règles fixes de disposition des circuits imprimés, et avec l’amélioration du processus de fabrication des circuits imprimés et du taux de transfert de données, il est possible que les règles correctes actuelles ne soient plus applicables à l’avenir. Par conséquent, pour être un champignon de fil de traction qualifié, nous devons suivre le rythme de notre temps et maîtriser le développement de la direction de la technologie industrielle, afin de ne pas être éliminés par les grandes vagues.


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