Два проводника дифференциальной пары могут иметь одинаковую длину, но при этом разные задержки распространения. Одна из возможных причин — эффект плетения стеклоткани: проводники проходят через несколько различающиеся локальные диэлектрические среды в ламинате. На длинной трассе это различие может вносить вклад в перекос задержек между положительным и отрицательным сигналами пары.
Этот эффект стоит оценивать, когда интерфейс имеет жесткий бюджет задержек. Он является лишь одной из возможных причин перекоса, а не выводом, который можно сделать по одному измерению с неудовлетворительным результатом. Трактам внутри корпусов микросхем, разъемам, переходным отверстиям и асимметрии трассировки также необходимо уделить внимание.
Как тканый ламинат может влиять на сигнал
Во многих ламинатах для печатных плат используется стеклоткань в связующем из смолы. Пучки с высоким содержанием стекла и промежутки с высоким содержанием смолы обладают разными диэлектрическими свойствами. Проводник взаимодействует не только с одной малой точкой материала, однако локальные неоднородности композита могут изменять эффективную среду распространения сигнала.
Две стеклоткани, используемые для армирования композитов. Они показывают различия в плетении; по фотографии нельзя определить типы стеклоткани для печатных плат или готовый ламинат.
Если два расположенных рядом проводника по своей длине проходят через эти неоднородности по-разному, их суммарные задержки могут различаться. Результат зависит от фактической конструкции диэлектрика, геометрии проводников, их расположения относительно плетения, направления трассировки и других особенностей канала. В руководстве по диэлектрической проницаемости это свойство материала рассмотрено шире; одно лишь объемное значение из технического описания не характеризует все локальные области под трассой.
Почему важны ориентация и конструкция
Рассмотрим пару, длинный участок которой проходит примерно вдоль одного из направлений плетения ткани. В зависимости от взаимного расположения проводников и ткани они могут проходить через разные доли областей с высоким содержанием стекла и областей с высоким содержанием смолы. Изменение угла трассы меняет это соотношение вдоль ее длины, но не устраняет все остальные факторы, влияющие на задержку.
Ткань — лишь часть структуры слоев. Диэлектрик над сигнальным слоем и под ним, количество и расположение слоев стеклоткани, геометрия проводников и опорные структуры влияют на фактическую электромагнитную среду. Поэтому следует уточнять предлагаемую конструкцию после прессования в области критического слоя, а не выбирать тип стеклоткани из списка в отрыве от остальных параметров.
Две платы с одинаковым контуром также могут иметь различное взаимное расположение рисунка проводников и ткани, если производственная панель или материал ориентированы по-разному. Если проект основан на предположении об ориентации, укажите его в документации для передачи производителю и получите подтверждение.
Разграничивайте длину, перекос задержек и импеданс
Выравнивание длин — это проверка топологии. Внутрипарный перекос — разница задержек между двумя проводниками одной пары. Межпарный перекос характеризует различия между отдельными парами. Эти проверки связаны, но не взаимозаменяемы.
Аналогично, измерение дифференциального импеданса на тестовом купоне отвечает на другой вопрос, чем измерение разницы задержек P/N. Результат в пределах заданного диапазона импеданса не доказывает, что полный канал укладывается в бюджет задержек. В руководстве по трассировке дифференциальных пар рассмотрен более широкий круг решений по топологии, включая опорные плоскости и переходы.
| Наблюдение | О чем оно говорит | Что проверить далее |
|---|---|---|
| Проектные длины P и N совпадают | Один геометрический источник рассогласования учтен. | Проверить вклад трассировки, конструкции, корпусов микросхем и разъемов в задержку. |
| Дифференциальный импеданс купона соответствует требованиям | Испытанная структура выполнила это требование к импедансу при указанных условиях испытания. | Отдельно проверить задержки на структурах, репрезентативных для критического канала. |
| На измеренной трассе задержки P и N различаются | В измеренном канале существует разница задержек на выбранных опорных плоскостях. | Прежде чем устанавливать причину, сравнить другие трассы, геометрию, измерительные приспособления и конструкции. |
Установите требование к задержкам до выбора способа снижения перекоса
Найдите требование в применимой документации на устройство и интерфейс и установите опорные плоскости. Определите, относится ли заданный предел только к плате или к более протяженному каналу, включающему корпуса микросхем, разъемы и другие структуры. Правило трассировки платы будет полезным только в том случае, если оно соответствует этому полному требованию.
Зафиксируйте допустимый перекос P/N на этих опорных плоскостях и определите, какие части канала включены в рассмотрение. Учитывайте оценки и неопределенности для геометрии платы, материала, вводных участков, а также вкладов корпусов микросхем или разъемов в пределах этих границ. Вклады могут иметь разные знаки; их взаимная компенсация в одной номинальной оценке не гарантирует запаса при производственных вариациях. Используйте документацию интерфейса и согласованный для конкретного проекта метод оценки по наихудшему случаю или статистический метод.
Почему результат в одном месте расположения купона может вводить в заблуждение
Если этого требует исследование, сравнивайте репрезентативные структуры в нескольких местах и фиксируйте их ориентацию и конструкцию. Один купон, случайно оказавшийся в благоприятном положении относительно плетения, может скрыть вариации в других местах; и наоборот, один неблагоприятный результат не позволяет установить распределение для всех панелей.
Варианты для обсуждения с производителем
Не существует универсального угла или типа стеклоткани, который решает проблему для каждого канала. Сравнивайте возможные изменения с учетом фактической структуры слоев и требования к задержкам:
| Возможное действие | Возможная цель | Компромисс или вопрос, который нужно решить |
|---|---|---|
| Задать конструкцию с распластанными пучками стекловолокна | Уменьшить локальную неоднородность предлагаемого диэлектрика | Доступны ли конкретный материал и конструкция после прессования и какие данные подтверждают их эффективность? |
| Изменить угол трассы или ориентацию панели | Изменить характер пересечения трассой элементов плетения ткани | Совместимо ли это с топологией и панелью и каков угол относительно фактического плетения? |
| Изменить расположение слоев диэлектрика | Рассмотреть другую эффективную конструкцию | Как изменятся конечная толщина, импеданс, процесс ламинирования и доступность материалов? |
| Изменить геометрию пары | Выполнить совокупные требования к трассировке и электрическим параметрам | Будет ли измененная пара по-прежнему соответствовать ограничениям по импедансу, зазорам и другим параметрам топологии? |
Эти действия не являются независимыми переключателями. Изменение конструкции диэлектрика может потребовать пересмотра импеданса, а изменение трассировки — повлиять на длину, занимаемое пространство и переходы. Попросите производителя и группу по обеспечению целостности сигналов сравнить варианты целиком и подтвердить доступные конструкции и порядок контроля замен. В руководстве по сердечникам и препрегам объясняется, как эти элементы структуры слоев сочетаются друг с другом.
Гипотетическое исследование
У команды разработчиков есть длинная высокоскоростная дифференциальная пара. Система проектирования показывает равные длины трасс, но измерение прототипа выявляет различие задержек P и N. Прежде чем менять ламинат, команда проверяет опорные плоскости измерения и измерительное приспособление, а затем анализирует вклад разъемов и корпусов микросхем, геометрию выходных участков от выводов, переходные отверстия и асимметричные участки трассы.
Если вариации материала по-прежнему вызывают опасения, команда может спланировать репрезентативные тестовые структуры на соответствующем слое и с соответствующей конструкцией. Сравнение может помочь исследовать возможный вклад плетения; один купон или одно значение перекоса не устанавливает универсальное свойство материала и не доказывает причину отказа канала. Более общие рекомендации по планированию купонов приведены в статье «Тестовые купоны для печатных плат».
Превратите исследование в план измерений
- Определите вопрос. Решите, что является непосредственным предметом исследования: полный канал, часть бюджета, выделенная только плате, или сравнение предлагаемых структур слоев. Установите соответствующие опорные плоскости и критерий приемки.
- Выберите репрезентативные структуры. Определите критический слой, геометрию проводников и конструкцию. По возможности запланируйте сравнения более чем в одном месте и при разных ориентациях, включая структуры, которые помогут отделить влияние материала от известных геометрических различий.
- Зафиксируйте данные об изготовлении. Сохраните сведения о материале и слоях, сигнальном слое, положении на панели и ориентации относительно ткани, если они доступны. Отметьте все утвержденные замены.
- Документируйте измерение. Укажите полосу пропускания оборудования, измерительное приспособление, калибровку или исключение влияния оснастки, а также метод определения задержки. Запишите задержки P/N и дифференциальный импеданс отдельно, указав опорные плоскости.
- Сравните результаты и продолжите исследование. Выявите различия между запланированными структурами и изготовленными образцами. Прежде чем устанавливать причину, проанализируйте топологию, вводные участки, измерительную установку и конструкцию материала. Решите, нужны ли дополнительные каналы, панели или партии для принятия решения по проекту.
Тестовая структура может помочь в исследовании, не являясь при этом полной моделью каждой трассы. Документируйте ее отличия от канала изделия, особенно на выходных участках от выводов, переходах и разъемах.
Что включить в документацию для передачи производителю
Передайте требование интерфейса и часть его бюджета задержек, выделенную плате. Укажите критические пары и слои, приблизительные маршруты трассировки, требования к импедансу, предлагаемую структуру слоев и любые ограничения на направление трассировки. Попросите производителя подтвердить материал и конструкцию препрега, доступные сведения о стеклоткани, ориентацию панели и порядок контроля замен.
Согласуйте, нужны ли перед выпуском документации репрезентативные структуры, данные измерений или дополнительная проверка. Если предлагается изменение конструкции, также оцените его влияние на остальные требования, включая толщину, импеданс и доступность материалов. Более широкий круг компромиссов рассмотрен в нашем руководстве по выбору материалов для печатных плат.
Чтобы обсудить конкретную структуру слоев и доступные для нее варианты, запросите расчет стоимости или свяжитесь с APTPCB.