Enrutamiento de impedancia controlada

Con el aumento de la velocidad de conmutación de los dispositivos, el enrutamiento de impedancia controlada se ha convertido en un tema candente para el diseñador digital. En esta página se explica cómo utilizar el motor de análisis de integridad de la señal para ajustar las impedancias de los componentes y las funciones de enrutamiento de impedancia controlada del editor de PCB.

Hay un dicho en los círculos de ingeniería: sólo hay dos tipos de ingenieros electrónicos que trabajan en diseño digital: los que han tenido problemas de integridad de la señal y los que los tendrán. No hace muchos años, el término integridad de la señal era cosa de especialistas y sólo había que ocuparse de él en diseños de alta velocidad. Sin embargo, las velocidades de conmutación de los dispositivos en esos diseños de alta velocidad ya no son especiales; se están convirtiendo rápidamente en la norma. A medida que la tecnología de circuitos integrados reduce el tamaño de los transistores, aumenta la velocidad a la que pueden conmutar. Es esta velocidad de conmutación la que afecta a la integridad de las señales digitales.

Afortunadamente, muchos problemas potenciales de integridad de la señal pueden evitarse siguiendo unos buenos principios de diseño e implementando el diseño como una placa de impedancia controlada. Para conseguirlo, se necesitan herramientas de diseño específicas: herramientas de análisis que detecten redes con posibles problemas de reflexión y timbre, y herramientas de diseño de placas que permitan conseguir las impedancias de enrutamiento correctas. El editor de PCB en Altium Designer tiene estas capacidades.

Esta página te ayudará a entender qué causa los problemas de integridad de la señal y si es probable que tu placa los sufra. También discutirá los dos enfoques de diseño que debe emplear para minimizar los posibles problemas de SI - la adaptación de las impedancias de los componentes, y el enrutamiento de impedancia controlada.

Cuando el encaminamiento se convierte en parte del circuito

A medida que aumentan las velocidades de conmutación de los dispositivos, también aumentan las exigencias para el diseñador y el fabricante de la placa de circuito impreso. A medida que la longitud del borde de conmutación de la señal se hace más corta que la longitud de la traza de PCB que la transporta, la traza tiene que tratarse como parte del circuito. Esa traza tiene una impedancia, que se denomina characteristic impedance (Zo).

La mejor manera de gestionar el impacto de estos elementos adicionales del circuito es diseñar el trazado de forma que la impedancia característica sea constante a lo largo de toda la longitud - una técnica llamada controlled impedance routing.

La impedancia del trazado viene definida por la:

• Cross-sectional area of the trace - determinada a partir de la anchura, la altura (espesor del cobre) y la pendiente de los bordes de la traza creados durante el proceso de grabado.
• Distance from the trace to the reference plane(s) - el trayecto de retorno de la energía de la señal es tan importante como el trayecto de la señal. Este camino de retorno sigue el camino de la señal en el plano o planos de referencia adyacentes.
• Properties of the surrounding materials - la energía de la señal no está contenida dentro del cobre de la traza; debido al efecto piel, también viaja por el material dieléctrico que rodea la traza. La permitividad del material dieléctrico mide cuánto influye el dieléctrico en el flujo de esa energía.

La calculadora de impedancia de Simbeor calcula la anchura o anchuras necesarias para alcanzar la impedancia especificada.

¿Necesito un encaminamiento de impedancia controlada?

¿Se preguntará si es necesario realizar un enrutamiento de impedancia controlada?

En una situación ideal, toda la energía que sale de la patilla de salida de un componente se acoplaría a la pista conectada en la PCB, fluiría a través del enrutamiento de la PCB hasta la patilla de entrada de carga en el otro extremo y sería absorbida por esa carga. Si la carga no absorbe toda la energía, la energía sobrante puede reflejarse de nuevo en el circuito impreso, fluyendo hacia la patilla de salida de la fuente. Esta energía reflejada puede interactuar con la señal original, sumándola o restándola (dependiendo de la polaridad de la energía), dando lugar a un zumbido. Si el zumbido es lo suficientemente grande, afectará a la integridad de la señal, dando lugar a un comportamiento impredecible y erróneo del circuito.

Entonces, ¿cómo saber si esto puede ocurrir? Si la patilla de origen es capaz de completar su transición de flanco antes de que la señal llegue a la patilla de carga, se dan las condiciones para que su diseño se vea afectado por la energía reflejada. Una regla empírica común que se utiliza para determinar si es probable que se produzcan problemas de IS es la regla del "tiempo de subida de 1/3". Esta regla establece que si la traza tiene más de 1/3 de un tiempo de subida, pueden producirse reflexiones (zumbido). Si el pin de origen tiene un tiempo de subida de 1 nSeg, una ruta de más de 0,33 nSeg (aproximadamente 2 pulgadas en FR4) debe considerarse una línea de transmisión, candidata a problemas de integridad de la señal. Si tus dispositivos tienen un tiempo de subida de este tipo y sabes que vas a tener una ruta de esta longitud, es posible que acabes teniendo problemas de integridad de la señal en la placa de circuito impreso.

¿Cómo controlo las impedancias?

¿Cómo evitar que la energía se refleje entre la fuente y la carga? Se evita igualando las impedancias. La adaptación de impedancias garantiza que toda la energía se acopla de la fuente al enrutamiento y, a continuación, del enrutamiento a la carga. El enrutamiento de la placa en función de la impedancia se denomina enrutamiento de impedancia controlada o, dicho de otro modo, una placa en la que se han gestionado las impedancias se denomina PCB de impedancia controlada.

Hay dos elementos distintos para lograr la adaptación de la impedancia: el primero es la adaptación de los componentes; el segundo es el enrutamiento de la placa para obtener la impedancia requerida.

Adaptación de la impedancia de los componentes

No se puede conseguir una placa de circuito impreso de impedancia controlada sólo con el encaminamiento. En primer lugar, hay que comprobar y, si es necesario, adaptar las impedancias de los componentes.

Lo ideal es detectar las redes que podrían tener problemas de integridad de la señal durante la fase de captura del diseño para poder incluir componentes de terminación adicionales antes de iniciar el proceso de diseño de la placa. Dado que los pines de salida son de baja impedancia y los pines de entrada son de alta impedancia, es probable que tenga que añadir componentes de terminación al diseño para lograr la adaptación de impedancias.

Puede realizar un análisis de integridad de la señal en su diseño en la fase de captura del esquema. Cuando ejecute el comando Tools » Signal Integrity comando Errors or Warnings indicando que no todos los componentes tienen asignados modelos de integridad de señal. El motor de análisis de integridad de la señal seleccionará automáticamente modelos por defecto basados en los designadores de los componentes, haga clic en Continue para utilizar los valores predeterminados o Model Assignments para examinar y cambiar los modelos. Puede acceder al cuadro de diálogo Signal Integrity Model Assignments en cualquier momento, mediante el botón Model Assignments del panel Signal Integrity del panel.

Analizando el Diseño

Cuando se ejecuta el comando Tools » Signal Integrity el diseño es analizado, y cualquier problema potencial en las redes es identificado en el panel Signal Integrity como se muestra a continuación.

Comprobación del diseño para detectar posibles problemas de integridad de la señal durante la captura del diseño.

Desde el panel, puede realizar un análisis de reflexión en una red seleccionada (o redes). A la izquierda se muestran los resultados del análisis de todas las redes del diseño. Seleccione una red y haga clic en el botón (o haga doble clic en el nombre de una red) para transferir esa red al campo Net a la derecha del panel, donde puede realizar un análisis detallado de esa red, incluyendo:

• Examinar los pines de esa red, donde puedes hacer un solo clic para realizar una sonda cruzada a ese pin en el esquema o hacer doble clic para comprobar y configurar el modelo asignado a ese pin.
• Habilitar una o más opciones de terminación teórica para esa red.
• Realiza un Análisis de Reflexión en la red, produciendo un conjunto de formas de onda que muestran el comportamiento en cada pin de la red.

El panel permite experimentar con posibles configuraciones y valores de terminación. Observe que la región Termination región del panel Signal Integrity que se muestra en la imagen anterior tiene activada la opción Serial Res activada. La sección del panel inferior muestra una resistencia de terminación en serie. Aquí es donde se definen los valores teóricos mínimo y máximo de la resistencia de terminación en serie que se utilizarán para el análisis de reflexión (desactive la casilla de verificación Suggest para introducir sus propios valores).

Exploración de los resultados

Cuando se pulsa el botón Reflection Waveforms se realiza un análisis de reflexión preciso en esa red y los resultados se presentan en una nueva ventana de forma de onda (*.SDF).

La ventana de forma de onda incluirá:

• Un Gráfico para cada red analizada, haga clic en las pestañas de la parte inferior de la ventana para cambiar entre Gráficos.
• Cada Gráfico incluirá un Plot para cada pin de esa red, mostrando el comportamiento de la señal en ese pin.

Las imágenes de abajo muestran dos gráficos de los resultados en el pin de entrada de la red seleccionada en la imagen del panel anterior. El primer gráfico es el pin de entrada en la red sin terminación; el segundo gráfico muestra seis barridos, uno para la red original sin terminación, y luego cinco barridos con la resistencia de terminación en serie teórica incluida en el pin de origen.

Se realizaron cinco pasadas del análisis de reflexión (Sweep Steps valor de opción = 5), con la resistencia de terminación teórica pasando de Min = 20 ohmios a Max = 60 ohmios. Las cinco pasadas (primera pasada a 20 ohmios, última pasada a 60 ohmios) se enumeran en la parte derecha del gráfico. Al hacer clic en cada etiqueta se resalta ese resultado y se muestra el valor teórico de la resistencia de terminación en la parte inferior derecha. Para esta red, una resistencia de terminación en serie de 40 ohmios produciría el gráfico seleccionado en la imagen de la derecha.

El gráfico de la izquierda muestra el análisis de reflexión de una red con posibles problemas de integridad de la señal; el gráfico de la derecha es la misma red con una resistencia de terminación en serie teórica de aproximadamente 40 ohmios añadida.

¿Qué determina la impedancia de enrutamiento?

La segunda parte para conseguir una PCB de impedancia controlada es enrutar la placa de forma que las pistas tengan una impedancia definida. Hay una serie de factores que influyen en la impedancia de su enrutamiento de señal, incluyendo las dimensiones de las rutas y las propiedades de los materiales utilizados para fabricar el PCB.

El editor de PCB incluye el motor de integridad de señales electromagnéticas Simbeor® de Simberian. La precisión del modelo de Simbeor se valida mediante algoritmos avanzados de análisis de ondas completas en 3D, benchmarking y validación experimental. El motor Simbeor admite todas las estructuras y materiales de placa modernos.

Versión de Simbeor

El Simbeor SFS

Las impedancias se calculan mediante el Simbeor SFS, un solucionador de campos cuasi-estáticos. Simbeor SFS es un solver de campo 2D cuasi-estático avanzado basado en el Método de los Momentos, que ha sido validado por convergencia, comparaciones y mediciones. El solucionador crea mallas de límites dieléctricos y conductores y resuelve las ecuaciones correspondientes para construir matrices RLGC dependientes de la frecuencia para las ecuaciones Telegraph.

Simbeor SFS no es un solver de onda completa, ya que no es necesario para evaluar la impedancia, el retardo o la atenuación en las interconexiones de PCB debido a la naturaleza cuasi-TEM de las ondas que allí se propagan. Dichas ondas pueden simularse con precisión con parámetros RLGC extraídos con un solver de campo 2D cuasiestático.

Una propiedad única del solver SFS de Simbeor es que admite modelos de rugosidad del conductor. Nótese que no soporta un modelo de conductor multicapa (chapado), y la rugosidad es común para todos los conductores. El solver es cuasi-estático porque la solución no incluye la dispersión de alta frecuencia que tiene lugar en las líneas microstrip (mayor concentración de campos en un dieléctrico con mayor constante dieléctrica a altas frecuencias).

► Más información sobre la tecnología de integridad de la señal electromagnética de Simberian

Estructuras de placa de circuito impreso soportadas

Se pueden calcular impedancias para las siguientes estructuras de PCB:

• Microstrip
• Stripline simétrica
• Stripline asimétrica
• Estructuras coplanares simples y diferenciales
• Múltiples capas dieléctricas adyacentes con diferentes propiedades dieléctricas.

Configuración de la placa de circuito impreso para el encaminamiento de impedancia controlada

El enrutado de impedancia controlada consiste en configurar las dimensiones de las rutas y las propiedades de los materiales de la placa para obtener una impedancia específica. Esto se hace en el editor de PCB Layer Stack Manager. Para abrir el editor Layer Stack Manager, seleccione Design » Layer Stack Manager en el menú principal. La página Layer Stack Manager se abre en un editor de documentos del mismo modo que una hoja esquemática, la placa de circuito impreso y otros tipos de documentos.

El ancho de traza necesario para proporcionar una impedancia específica se calcula como parte del perfil de impedancia, configurado en la pestaña Impedance de la pestaña Layer Stack Manager.

Basado en:

• Los valores de Target Impedance, Target Tolerance y Roughness que configure en la pestaña Impedance y
• los ajustes de materiales definidos en la pestaña Stackup incluyendo:
  • el grosor de la capa de señal,
  • el espesor de las capas dieléctricas circundantes (las distancias al plano o planos de referencia), y
  • las propiedades del material dieléctrico (permitividad Dk y factor de disipación Df).

Una vez configurados correctamente, el calculador de impedancias dispone de información suficiente para calcular lo siguiente:

• Ancho de traza
• Impedancia calculada (Z)
• Impedancia en modo común (Zcomm)
• Desviación de la impedancia (Desviación Z)
• Retardo de propagación (Tp)
• Inductancia por unidad de longitud (p.u.l.)
• Capacitancia por unidad de longitud (p.u.l.)

Los valores calculados se muestran en la sección Transmission Line del panelProperties cuando se selecciona la pestaña Impedance en la pestaña Layer Stack Managercomo se muestra a continuación.

Un perfil de impedancia de 50Ω definido para redes simples enrutadas en la capa superior. Pase el cursor sobre la imagen para mostrar la configuración del mismo perfil para la capa L3 (imagen cortesía de FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com).

Configuración del apilamiento de capas

Main page: Definición de la pila de capas

Las capas de fabricación de cobre y dieléctrico se configuran en la pestaña Stackup de la pestaña Layer Stack Manager.

• Las capas se añaden, eliminan y configuran en esta pestaña. Para un diseño rígido-flexible, las capas también se activan y desactivan en esta pestaña.
• Las propiedades de la capa actualmente seleccionada pueden editarse directamente en la rejilla o en el panel Properties panel. Haga clic en el botón situado en la parte inferior del espacio de diseño para activar el panel.
• Haga clic con el botón derecho del ratón en la rejilla de capas o utilice los comandos Edit » Add Layer para añadir una capa. Al añadir una capa de cobre también se añadirá una capa dieléctrica cuando una capa adyacente existente sea también una capa de cobre.
• Si la opción Stack Symmetry en la sección Placa del panel Properties panel, las capas se añaden en pares coincidentes centrados alrededor de la capa dieléctrica media.
• La capa Material puede escribirse en la celda Material seleccionada o seleccionarse en el cuadro de diálogo Select Material haga clic en el botón de elipsis () para abrirlo.
• Se puede añadir un acabado superficial a una capa de cobre. Utilice el submenú Add Layer para añadir una capa Surface Finish a la capa de cobre actualmente seleccionada y, a continuación, haga clic en el botón de elipsis de la nueva capa de acabado superficial para seleccionar el tipo de acabado.
• La capa seleccionada puede moverse hacia arriba o hacia abajo dentro de las capas del mismo tipo utilizando el botón derecho del ratón o los menús Edit con el botón derecho del ratón.
• La región Board región del Properties incluye opciones para aplicar Stack Symmetry y Library Compliance. Más información a continuación.
• La región Board del panel Properties muestra un resumen de la pila actualmente seleccionada (o subpila para un diseño rígido/flexible multipila).

Consideraciones sobre la pila de capas

Un requisito fundamental para controlar la impedancia es incluir una ruta de retorno de señal debajo de cada ruta de señal. El motor Simbeor SI soporta tanto capas planas como capas de señal cubiertas por un polígono. Estas capas de vías de retorno deben distribuirse a través del apilamiento de la placa. Lo ideal es que estén dispuestas de forma que al menos una capa de retorno sea adyacente a cada capa de señal con impedancia controlada. La capa de retorno adyacente proporciona el camino de retorno de la señal y, por razones que no se tratarán aquí, lo hace independientemente de la tensión continua distribuida por ese plano.

La corriente de retorno que fluye a través del plano tratará de seguir la misma ruta física que la ruta en la capa de señal, por lo que es importante evitar la introducción de discontinuidades, como una división o recorte en la capa de retorno por debajo de cualquier ruta de señal crítica.

Además de seleccionar un orden adecuado para las capas de señal y de plano, también es necesario definir las propiedades del material de cada capa, incluyendo:

• Grosor del cobre
• Espesor dieléctrico
• Constante dieléctrica

Todos estos valores y la anchura del trazado contribuyen a la impedancia final. Conseguir la impedancia deseada se convierte entonces en un proceso de ajuste de todos estos valores. Recuerde que los posibles valores de cobre y espesor dieléctrico también pueden ser limitados, determinados por los materiales disponibles de su fabricante de PCB.

más información sobre posibles apilamientos de capas

Definición de los perfiles de impedancia

El motor Simbeor está integrado en el editor de PCB Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Para configurar la pila de capas para el enrutamiento de impedancia controlada, cambie a la función Layer Stack Manager's Impedance donde puede añadir y configurar un perfil de impedancia.

Un perfil de impedancia de 50Ω definido para redes individuales enrutadas en la capa superior. Pase el cursor sobre la imagen para mostrar la configuración del mismo perfil para la capa L3.

Notas sobre la creación y configuración de un perfil de impedancia:

1. En el Layer Stack Manager cambie a la pestaña Impedance como se muestra arriba.
2. Pulse el botón (o el botón si ya hay un perfil definido) para añadir un nuevo perfil.
3. Defina la impedancia requerida Type, Target Impedancey Target Tolerance en el Properties panel. La dirección Description es opcional, se mostrará siempre que se muestre el nombre del Perfil de Impedancia.
4. La rejilla de capas está dividida en 2 regiones; las capas en el stackup se muestran a la izquierda, luego para cada capa de señal en el stackup, hay una capa mostrada en la región de Perfil de Impedancia a la derecha. Utilice la casilla de verificación de la capa en la región Perfil para activar el cálculo de la impedancia para esa capa. Utilizando la imagen anterior como ejemplo y haciendo referencia al número de capa que aparece en la columna de la izquierda, capas L1, L3, L10 y L12 tienen la casilla de verificación de capa marcada, lo que las habilita para el cálculo de la impedancia.
5. Al hacer clic en una capa habilitada en la región Perfil, todas las capas de la pila de capas se desvanecerán excepto las que se utilizan para calcular la impedancia de esa capa de señal seleccionada (como se muestra en la imagen anterior). Edite la(s) capa(s) de referencia de esa capa en las columnas Top Ref y Bottom Ref de la región Impedance Profile . Tenga en cuenta que la(s) capa(s) de referencia puede(n) tener una capa Type de Plane o Signal. Por ejemplo, en la imagen anterior, la capa L10 de la pila está activada para los cálculos de impedancia, con la capa Top Ref establecido en 9-L9que es una Plane y el valor Bottom Ref en 11-L11que es una Signal capa. El software asume que si se está utilizando una capa de señal como plano de referencia, ésta contiene un plano continuo de cobre conectado a una red de alimentación o de tierra.
6. Active la casilla Impedance Profile para cada una de las otras capas que llevarán el enrutamiento a esta impedancia y configure el/los plano(s) de referencia. Pase el cursor por encima de la imagen anterior para mostrar el perfil de impedancia S50 para la capa L3.
7. Si la anchura calculada de la traza de enrutamiento es un valor que no se puede ordenar, puede ajustar la configuración de anchura y separación.

Ajuste de los parámetros de anchura y separación

El software calcula el Ancho de Traza a partir de la impedancia objetivo y la tolerancia. No es raro que el ancho de traza calculado sea un valor que no se puede pedir, por ejemplo, 0,0683 mm. El fabricante le informará de los grosores de material disponibles y de la precisión que puede alcanzar para la anchura de la traza. A continuación, se parte de los valores deseados y se comprueba el impacto en los valores de impedancia calculados cuando las dimensiones se ajustan a los valores disponibles.

Para facilitar este proceso de prueba y ajuste de las configuraciones, las calculadoras de impedancia admiten cálculos de impedancia directa e inversa. El modo por defecto es hacia adelante (introducir la impedancia, el software calcula la anchura). El icono indica la variable calculada.

Una impedancia objetivo de 50Ω da una anchura calculada hacia delante (W1) de 94,6µm. La imagen de la derecha muestra el cálculo inverso cuando el ancho (W1) se establece en 95µm.

Para invertir el cálculo y explorar diferentes anchos de traza para la capa seleccionada, escriba el nuevo Width (W1) y pulse Intro en el teclado. Los valores calculados se actualizarán para reflejar el impacto del cambio a esa anchura. Pulse el botón para devolver la calculadora al modo de cálculo directo. Al introducir un nuevo valor en Width (W2) cambiará el valor Etch valor.

Para explorar los resultados de la línea de transmisión de par diferencial, nomine la variable calculada - ya sea el botón Trace Width o Trace Gap - haciendo clic en el botón correspondiente. Edite la otra variable para cambiar Target Impedanceo, alternativamente, cambie Target Impedance para explorar el impacto en la otra variable.

Factor de grabado

Los trazos de señal de una placa de circuito impreso se fabrican grabando el cobre no deseado. Debido a que el grabador comienza a grabar el cobre en la superficie, este cobre pasa más tiempo en contacto con el grabador. El resultado es que los bordes acabados de la traza tendrán una pendiente, reduciendo el área de la sección transversal de la traza acabada, como se muestra en la imagen siguiente.

El área de cobre del borde de la traza que se pierde (en ambos bordes) durante el grabado = X * Y

La cantidad de pendiente se denomina factor de grabado, donde:

Etch Factor = Y/X

Si Y = Xentonces el Etch Factor = 1

Refiriéndose a la imagen mostrada en el Properties panel:

Pase el cursor por encima de ? para mostrar la fórmula.

La definición estándar del Factor de Grabado es especificarlo como el cociente de trace thickness / amount of over-etching. Esto da la siguiente fórmula:

Etch Factor = T/[0.5(W1-W2)]

La desventaja de este enfoque es que para especificar que no hay sobregrabado (lo que significa que los bordes de la traza son verticales), tendría que introducir un valor de inf (infinito) para el factor de grabado. Para simplificar la especificación de la cantidad de grabado, la fórmula se ha invertido de modo que se puede introducir un valor de 0 (cero) para indicar que no hay sobregrabado.

Etch = [0.5(W1-W2)]/T

Orientación del cobre

Otro detalle de fabricación que contribuye al factor de ataque es la orientación del cobre. Las trazas de PCB se forman grabando el cobre no deseado de una lámina continua de cobre laminada sobre un sustrato dieléctrico. La orientación del cobre define la dirección en la que el cobre sobresale del sustrato. También se puede considerar como la dirección desde la que se graba el cobre, por arriba o por abajo.

Haga clic en la casilla de verificación Trazado invertido para cambiar la Orientación del cobre de Arriba a Abajo.

Rugosidad de la superficie del conductor

La superficie de cada capa de cobre de una placa de circuito impreso presenta cierto grado de rugosidad. Durante la fabricación de la placa de circuito impreso, la superficie de las capas de cobre se trata para aumentar la rugosidad con el fin de mejorar la adherencia entre las capas de cobre y dieléctricas. Esta rugosidad superficial contribuye significativamente a la impedancia del conductor a velocidades de conmutación superiores a 10 GB/s. A través de una amplia investigación y análisis, los expertos de la industria han llegado a la conclusión de que la rugosidad de la superficie puede modelarse mediante un coeficiente de corrección de la rugosidad derivado de Surface Roughness y Roughness Factor valores.

Roughness están disponibles en el Layer Stack Manager modo del Properties panel. Estos parámetros se utilizan sólo para capas conductoras.

La rugosidad de la superficie se incluye en el cálculo de la impedancia característica.

Rugosidad:

• Model Type - modelo preferido para calcular el impacto de la rugosidad superficial (consulte los artículos siguientes para obtener más información sobre los distintos modelos). Se aplica a todas las capas de cobre de la subcapa.

• Surface Roughness - valor de la rugosidad superficial (disponible a través de su fabricante). Introduzca un valor entre 0 y 10µm, por defecto es 0,1µm

• Roughness Factor - caracteriza el aumento máximo esperado en las pérdidas del conductor debido al efecto de la rugosidad. Introduzca un valor entre 1 y 100; el valor por defecto es 2.

Más información

• Metodología práctica para analizar el efecto de la rugosidad del conductor en las pérdidas de señal y la dispersión en interconexiones: Y. Shlepnev, C. Nwachukwu, DesignCon2012.
• Enfoque unificado para el modelado de la rugosidad de la superficie del conductor de interconexión: Y. Shlepnev, 2017 IEEE 26th Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS2017)

Soporte para estructuras de líneas de transmisión coplanares

La calculadora de impedancias del Layer Stack Manager admite estructuras coplanares simples y diferenciales. Cree un nuevo perfil de impedancia y, a continuación, seleccione Single-Coplanar o Differential-Coplanar en la lista desplegable Perfil de impedancia Type de la lista desplegable.

Trabajar con estructuras coplanares:

• Al igual que con las impedancias estándar simple y diferencial, los valores para cada variable se calculan automáticamente basándose en los valores definidos por el usuario Target Impedance y Target Tolerance y las propiedades físicas de las capas de la placa. Estos valores calculados automáticamente pueden ajustarse introduciendo nuevos valores en los cuadros de edición del Layer Stack Manager modo del Properties panel.
• Para orientar las redes de señal que desea enrutar con una estructura coplanar, configure una regla de diseño de Ancho de enrutamiento (o Enrutamiento de pares diferenciales) con la opción Use Impedance Profile activada y el Perfil de Impedancia Coplanar seleccionado.
• Las estructuras coplanares requieren un plano de referencia a ambos lados de la ruta de la señal; éste puede crearse mediante un polígono que usted coloque o, si se añaden vías de cosido, mediante el comando Add Shielding to Net (más información a continuación). Si coloca un polígono, la separación entre este polígono y la ruta de la señal viene definida por el valor Clearance (S) determinado por la calculadora de impedancia de Simbeor (mostrada en el panel Properties que se muestra en las imágenes superior e inferior). Configure una regla de diseño de separación para controlar la separación entre el polígono de referencia y la ruta de señal(muestre la imagen).
• Es una práctica común incluir una valla de vía a cada lado de la traza de señal cuando la estructura coplanar está conectada a tierra. Utilice el comando Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net en el editor PCB. Además de colocar vías, activando la opción Add shielding copper este comando también puede colocar un polígono alrededor del trazado de la señal para cubrir la valla de la vía, como se muestra en la imagen de la derecha a continuación.
  más información sobre el apantallamiento de vías

La calculadora de impedancia determina las propiedades y holguras de la señal (primera imagen), utilice esa holgura en la configuración de Distancia de apantallamiento de la vía.

Selección del material de la capa

En un diseño de impedancia controlada, la selección de los materiales utilizados en el apilamiento de capas es muy importante.

Por ejemplo, el material más común para fabricar PCBs es la resina epoxi reforzada con fibra de vidrio (fibra de vidrio), con lámina de cobre unida a cada lado. La firmeza del tejido de la fibra de vidrio afecta al valor y la consistencia de la constante dieléctrica Dk (permitividad) y la tangente de pérdida Df. Alrededor del tejido de fibra de vidrio se encuentra la resina; el porcentaje de resina utilizado también es importante en el rendimiento del material.

Existe una amplia gama de tejidos de fibra de vidrio. Para ayudar a garantizar la previsibilidad y el rendimiento de los materiales a base de fibra de vidrio utilizados en la fabricación de PCB, el IPC tiene una norma para los tejidos:

IPC standard IPC-4412B: Specification for Finished Fabric Woven from "E" Glass for Printed Boards

La biblioteca de materiales

Como diseñador, puede editar las propiedades de los materiales directamente en el panel Layer Stack Manager o seleccionar materiales de la biblioteca Altium Material Library.

Toda la biblioteca se puede ver (y añadir) en el cuadro de diálogo Biblioteca de Materiales de Altium (Tools » Material Library).

Los materiales están organizados en categorías de uso, a las que se accede a través de una estructura de árbol a la izquierda del diálogo. Por debajo de este nivel, cada categoría de uso se divide en categorías funcionales, tales como Conductive layer material, Dielectric layer material, y Surface Layer Material ien la PCB layer material categoría.

Añadir, guardar y cargar material

Se pueden añadir nuevos materiales a la biblioteca cuando se selecciona una categoría de materiales específica en el árbol. Se pueden cargar materiales definidos en una biblioteca de materiales externa (Load ), y el material definido por el usuario que se ha añadido en el cuadro de diálogo Altium Material Library también puede guardarse en una biblioteca de usuario (Save ). Sólo se guarda el material definido por el usuario.

Añadir propiedades personalizadas al material

Se pueden añadir propiedades personalizadas al material detallado en la biblioteca (material por defecto y definido por el usuario). Para añadir una propiedad personalizada, primero seleccione el nodo correcto en el árbol de la izquierda para definir el material(es) al que se va a añadir, después pulse el botón para abrir el cuadro de diálogo Material Library Settings diálogo.

A continuación, puede añadir el valor deseado al material seleccionado en el cuadro de diálogo Altium Material Library seleccione la fila y pulse el botón Edit .

Panel de propiedades

Cuando la pestaña Impedance del documento Pila de capas está activa, el panel Properties panel permite configurar los requisitos del Perfil de Impedancia. El Perfil de Impedancia requerido puede entonces seleccionarse en las reglas de diseño Ancho de Enrutamiento o Enrutamiento de Pares Diferenciales.

• Impedance Profile
  • Description - Introduzca una descripción significativa. Este campo es opcional y se mostrará siempre que se muestre el nombre del Perfil de Impedancia.
  • Type - Utilice el desplegable para elegir el tipo de impedancia. Las opciones son Single, Differential, Single-Coplanary Differential-Coplanar.

• Target Impedance - introduzca la impedancia que desea conseguir.
• Target Tolerance - introduzca la tolerancia que desea alcanzar. Debe consultar con el fabricante para encontrar un valor realista de tolerancia que el fabricante pueda ofrecer.
• Transmission Line
  • Trace inverted - active esta opción para invertir la traza, como se muestra en el Properties panel. Esta opción es la misma que la opción Copper Orientation que se muestra cuando la pestaña Stackup y define la dirección en la que el cobre se lamina sobre el núcleo. La orientación del cobre define la dirección en la que el cobre sobresale del sustrato. También se puede considerar como la dirección desde la que se graba el cobre, ya sea por encima o por debajo.
  • Etch - El factor de grabado es = T/[(W1-W2)/2]que reduce el área total de la sección transversal de la traza en el espesor del cobre al cuadrado. Consulte al fabricante de la placa para obtener información sobre el Etch creado por sus procesos.

• Width (W1) / (W2) - W1 es el ancho de la traza que se traza, W2 es el ancho de la superficie superior de esa traza una vez grabada, con el factor Etch aplicado. Existe una función de cálculo de avance/retroceso para la anchura de la traza. Por defecto, la anchura se calcula en función del factor Target Impedance introducido (cálculo hacia delante). Este ancho puede ser un valor que el fabricante no pueda suministrar, como 5,978, y querrá un valor más razonable, como 6,0. Puede introducir 6,0 en la pantalla. Puede introducir 6,0 en el campo Width y pulsar Enter en el teclado para recalcular los valores calculados (Impedance, Deviationetc.). El botón se vuelve gris (queda inactivo) y ahora se encuentra en modo de cálculo inverso. Si pulsa el botón para activarlo, se encontrará de nuevo en modo de cálculo hacia delante, y el botón Width (W1) volverá al valor calculado. Esta función le permite explorar opciones realistas de anchura fabricable. Si introduce manualmente un valor para W2, se actualizará el factor de grabado.
• Impedance - el software calcula la impedancia basándose en las propiedades de los materiales utilizados para fabricar la placa (cobre, núcleo y preimpregnado) y el área de la sección transversal de la traza (determinada por la anchura, el grosor y el factor de grabado de la traza).
• Deviation - es una medida de la diferencia entre lo que querías (impedancia objetivo) y lo que obtuviste (impedancia calculada). El software calcula la desviación de la impedancia (lo que realmente obtendrá en función del material y las dimensiones introducidas) basándose en las propiedades de los materiales utilizados para fabricar la placa (cobre, núcleo y preimpregnado) y el área de la sección transversal de la traza (determinada por la anchura, el grosor y el factor de grabado de la traza).
• Delay - es el tiempo que tarda la señal en viajar del emisor al receptor.
• Inductance - la calculadora de impedancia utiliza el Impedance para calcular la inductancia por unidad de longitud.
• Capacitance - la calculadora de impedancia utiliza el Impedance para calcular la capacitancia por unidad de longitud.

• Board
  • Stack Symmetry - habilitar para añadir capas en pares coincidentes centrados alrededor de la capa dieléctrica central. Cuando se habilita, se comprueba inmediatamente la simetría de la pila de capas alrededor de la capa dieléctrica central. Si cualquier par de capas equidistantes de la capa dieléctrica central de referencia no son idénticas, se abre el cuadro de diálogo La pila no es simétrica.
  • Library Compliance - cuando está activado, para cada capa que se ha seleccionado de la Biblioteca de materiales, las propiedades de la capa actual se comprueban con los valores de esa definición de material en la biblioteca.

• Substack - Esta información corresponde al subapilamiento seleccionado en ese momento (capas, dieléctrico, espesores, etc.). Al cambiar de una subpila a otra, esta información se actualizará en consecuencia (para la subpila actualmente seleccionada).

• Stack Name - Introduzca un nombre de subapilamiento significativo. Este campo es útil cuando a la región de apilamiento X/Y se le asigna un subapilamiento de capa.
• Is Flex - activar si la subpila es flex.
• Layers - el número total de capas.
• Dielectrics - el número total de dieléctricos.
• Conductive Thickness - el grosor de la capa o capas conductoras. Las capas de señal de cobre se denominan capas conductoras.
• Dielectric Thickness - el grosor de la capa o capas dieléctricas.
• Total Thickness - el grosor total de la placa.

• Other
• Roughness - muestra la rugosidad de las capas conductoras.
  • Model Type - Modelo preferido para calcular el impacto de la rugosidad de la superficie (consulte los artículos siguientes para obtener más información sobre los distintos modelos). Se aplica a todas las capas de cobre de la pila (¿debería ser la subpila?).
  • Surface Roughness - Valor de la rugosidad de la superficie (disponible a través de su fabricante). Introduzca un valor entre 0 y 10µm, por defecto es 0.1µm
  • Roughness Factor - caracteriza el aumento máximo esperado en las pérdidas del conductor debido al efecto de la rugosidad. Introduzca un valor entre 1 y 100; el valor por defecto es 2.

Configuración de las reglas de diseño

La impedancia de la ruta viene determinada por la anchura y la altura de la ruta y las propiedades de los materiales dieléctricos circundantes. Basándose en las propiedades de los materiales definidas en el Layer Stack Managerse calculan las anchuras de ruta necesarias cuando se crea cada perfil de impedancia. Dependiendo de las propiedades del material, la anchura puede cambiar a medida que cambia la capa de enrutamiento. Este requisito de cambio de anchura al cambiar las capas de enrutamiento se gestiona automáticamente mediante la regla de diseño de enrutamiento aplicable configurada en el Editor de reglas y restricciones de PCB (Design » Rules).

Para la mayoría de los diseños de placas, un conjunto específico de redes se enrutará con una impedancia controlada. Un enfoque común es crear una clase de red o una clase de par diferencial que incluya estas redes y, a continuación, crear una regla de enrutamiento que se dirija a esta clase, como se muestra en las imágenes siguientes.

Normalmente, se definen manualmente los parámetros Min, Maxy Preferred Widthsen la configuración de restricciones superior para aplicarlos a todas las capas o individualmente para cada capa en la cuadrícula de capas. Para el enrutamiento de impedancia controlada, active la opción Use Impedance Profile y, a continuación, seleccione el perfil de impedancia deseado en el menú desplegable. Una vez hecho esto, la Constraints región de la regla cambiará. Lo primero que notará es que la región de capas disponibles ya no mostrará todas las capas de señal de la placa. Ahora sólo mostrará las capas habilitadas en el Perfil de Impedancia seleccionado. Los valores de Preferred Width (y la separación del par diff) se actualizarán para reflejar las anchuras (y separaciones) calculadas para cada capa. Estos valores preferidos no pueden editarse, pero los valores Min y Max sí. Ajústelos a valores más pequeños o más grandes. Las redes pueden ser enrutadas interactivamente de la forma habitual.

Regla de diseño de ancho de ruta

Para redes de una sola cara, la anchura de enrutado se define mediante la regla de diseño Anchura de en rutado.

Cuando se elige Usar un Perfil de Impedancia, las capas disponibles y los Anchos Preferidos son controlados por el perfil seleccionado.

Regla de diseño de enrutado de pares diferenciales

El enrutado de pares diferenciales se controla mediante la regla de diseño Enrutado de pares diferenciales.

Para un par diferencial, las capas disponibles, la Anchura Preferida y la Separación Preferida están controladas por el perfil seleccionado.

► Más información sobre el enrutamiento de paresdiferenciales

Regla de diseño de la ruta de retorno

Las roturas o cuellos en la ruta de retorno pueden detectarse mediante la regla de diseño Ruta de retorno. La regla de diseño Ruta de retorno comprueba si existe una ruta de retorno de señal continua en la capa o capas de referencia designadas por encima o por debajo de la señal o señales objetivo de la regla. La ruta de retorno puede crearse a partir de rellenos, regiones y vaciados poligonales colocados en la capa de señal de referencia o en una capa plana.

Las capas del trayecto de retorno son las capas de referencia definidas en la regla Impedance Profile seleccionadas en la Return Path regla de diseño. Estas capas se comprueban para asegurar que el Minimum Gap (anchura más allá del borde de la señal) existe a lo largo de la ruta de la señal. Añada una nueva Return Path regla de diseño en la High Speed categoría de reglas.

Las capas de la ruta de retorno se definen en la categoría Impedance Profiley la anchura del camino (más allá del borde de la señal) se define en el campo Minimum Gap.

La imagen siguiente muestra los errores del camino de retorno detectados para la señal NetXcon un Minimum Gap ajuste de 0.1mm. Puede ser más fácil localizar los errores de la Ruta de Retorno configurando la opción DRC Violation Display Style para mostrar Detalles de la Violación pero no la Superposición de Violación ( mostrar imagen) en el diálogoPreferences . De este modo se resaltan los lugares exactos en los que la regla ha fallado en lugar de todo el objeto(s) en violación.

► Más información sobre el diseño de alta velocidad en Altium Designer

Enrutamiento de redes a la impedancia requerida

A medida que enruta la placa y cambia las capas, el software ajustará automáticamente el ancho de pista al tamaño necesario para alcanzar la impedancia especificada. Este enrutamiento interactivo de impedancia controlada simplifica enormemente la tarea de diseñar una PCB de impedancia controlada.

Ajuste de longitud de las rutas

Dos de los principales retos a la hora de enrutar un diseño de alta velocidad son controlar la impedancia de las rutas y ajustar las longitudes de las redes críticas. El enrutado controlado por impedancia garantiza que la señal que sale de un pin de salida es recibida correctamente por los pines de entrada de destino. El ajuste de las longitudes de las rutas garantiza que las señales críticas para la temporización lleguen a sus pines de destino al mismo tiempo. Ajustar y hacer coincidir las longitudes de ruta también es un ingrediente esencial del enrutamiento de pares diferenciales.

Se han añadido patrones de acordeón al enrutamiento para garantizar que los pares diferenciales tengan longitudes coincidentes.

En Interactive Length Tuning y Interactive Diff Pair Length Tuning (Route ) proporcionan un medio dinámico de optimizar y controlar las longitudes de red o de los pares diferenciales permitiendo insertar patrones de onda de amplitud variable (acordeones) según el espacio disponible, las reglas y los obstáculos de su diseño.

► Más información sobre el ajuste de longitudes

Prueba de la integridad de la señal de la placa enrutada

Del mismo modo que probaste las redes durante la captura del diseño utilizando una longitud de enrutamiento y una impedancia de enrutamiento supuestas, una vez completado el enrutamiento, debes repetir este proceso en la placa para comprobar posibles desajustes de impedancia y problemas de reflexión. Ejecute el comando Signal Integrity desde el menú Tools del editor de PCB. Dado que la PCB forma parte del proyecto, las propiedades del material y las dimensiones definidas en el comando Layer Stack Manager y las anchuras reales de las rutas en la placa se utilizarán para calcular las impedancias utilizadas para las pruebas de integridad de la señal.

Conseguir las impedancias especificadas

Más allá del proceso iterativo de ajuste de dimensiones por el que se pasa para conseguir las impedancias correctas, hay otros factores que influyen en la impedancia final que se conseguirá en la placa de circuito impreso fabricada. Entre ellos se encuentran la consistencia y estabilidad del material dieléctrico utilizado en la placa de circuito impreso y también la consistencia y calidad del proceso de grabado. Si necesita una placa de circuito impreso de impedancia controlada, debe consultarlo con su fabricante. Algunos fabricantes pueden aconsejarle sobre la geometría de las pistas si les facilita el apilamiento que prefiera. Muchos también podrán incluir un cupón de prueba de impedancia en cada panel que fabriquen, que puede utilizarse para medir las impedancias reales alcanzadas en la placa.

Lecturas y recursos adicionales

Este artículo ofrece una introducción al tema de la integridad de la señal y el diseño de PCB de impedancia controlada. Utilice los siguientes enlaces para obtener más información y acceder a recursos desarrollados por reconocidos expertos del sector.

• http://www.speedingedge.com/
• http://www.sigcon.com/
• http://www.bethesignal.com
• http://www.epanorama.net/links/basics.html#highspeed