Controlled Impedance Routing

Con l’aumento delle velocità di commutazione dei dispositivi, il routing a impedenza controllata è diventato un tema centrale per il progettista digitale. Questa pagina introduce come utilizzare il motore di analisi dell’Integrità del Segnale per adattare le impedenze dei componenti e le funzionalità di routing a impedenza controllata nell’editor PCB.

Negli ambienti ingegneristici si dice che esistono solo due tipi di ingegneri elettronici che lavorano nella progettazione digitale: quelli che hanno avuto problemi di integrità del segnale e quelli che li avranno. Fino a non molti anni fa, il termine integrità del segnale era riservato agli specialisti e bisognava occuparsene solo nei progetti ad alta velocità. Tuttavia, le velocità di commutazione dei dispositivi in quei progetti ad alta velocità non sono più qualcosa di speciale; stanno rapidamente diventando la norma. Man mano che il miglioramento della tecnologia dei circuiti integrati riduce le dimensioni del transistor, aumentano le velocità a cui esso può commutare. È proprio questa velocità di commutazione a influire sull’integrità dei segnali digitali.

Fortunatamente, molti potenziali problemi di integrità del segnale possono essere evitati seguendo buoni principi di progettazione e realizzando il progetto come una scheda a impedenza controllata. Per ottenere questo risultato sono necessarie specifiche funzionalità degli strumenti di progettazione: servono strumenti di analisi che rilevino le net con potenziali problemi di ringing e riflessione e strumenti di progettazione della scheda che consentano di ottenere le corrette impedenze di routing. L’editor PCB di Altium Designer dispone di queste funzionalità.

Questa pagina ti aiuterà a capire quali sono le cause dei problemi di integrità del segnale e se è probabile che la tua scheda ne risenta. Verranno inoltre illustrati i due approcci progettuali che devi adottare per ridurre al minimo i potenziali problemi di SI: adattamento delle impedenze dei componenti e routing a impedenza controllata.

Quando il Routing Diventa Parte del Circuito

Con l’aumento delle velocità di commutazione dei dispositivi, aumentano anche le esigenze poste al progettista di circuiti stampati e al produttore. Quando la lunghezza del fronte di commutazione del segnale diventa inferiore alla lunghezza della traccia PCB che lo trasporta, la traccia deve essere trattata come parte del circuito. Quella traccia ha un’impedenza, che viene definita characteristic impedance (Zo).

Il modo migliore per gestire l’impatto di questi elementi circuitali aggiuntivi è progettare il routing delle tracce in modo che l’impedenza caratteristica sia costante lungo tutta la loro lunghezza: una tecnica chiamata controlled impedance routing.

L’impedenza del routing delle tracce è definita da:

• Cross-sectional area of the trace - determinata dalla larghezza, dall’altezza (spessore del rame) e dall’inclinazione dei bordi della traccia creati durante il processo di incisione.
• Distance from the trace to the reference plane(s) - il percorso di ritorno dell’energia del segnale è importante quanto il percorso del segnale stesso. Questo percorso di ritorno segue il percorso del segnale nei piani di riferimento adiacenti.
• Properties of the surrounding materials - l’energia del segnale non è contenuta solo nel rame della traccia; a causa dello skin effect, viaggia anche nel materiale dielettrico che circonda la traccia. La permittività del materiale dielettrico misura quanto il dielettrico influisce sul flusso di tale energia.

   
Il calcolatore di impedenza Simbeor calcola la larghezza o le larghezze necessarie per ottenere l’impedenza specificata.

Ho Bisogno del Routing a Impedenza Controllata?

Ti stai chiedendo se sia davvero necessario preoccuparsi del routing a impedenza controllata?

In una situazione ideale, tutta l’energia che esce da un pin di uscita di un componente verrebbe accoppiata alla traccia collegata sul PCB, fluirebbe attraverso il routing del PCB fino al pin di ingresso del carico all’altra estremità e verrebbe assorbita da quel carico. Se tutta l’energia non viene assorbita dal carico, allora l’energia residua può essere riflessa nel routing del PCB, tornando verso il pin di uscita della sorgente. Questa energia riflessa può interagire con il segnale originale, sommando o sottraendo ad esso (a seconda della polarità dell’energia), con conseguente ringing. Se il ringing è sufficientemente elevato, influirà sull’integrità del segnale, causando un comportamento del circuito imprevedibile ed errato.

Quindi, come fai a sapere se questo potrebbe accadere? Se il pin sorgente è in grado di completare la sua transizione di fronte prima che il segnale raggiunga il pin di carico, esistono le condizioni affinché il tuo progetto sia influenzato dall’energia riflessa. Una regola pratica comunemente usata per determinare se sono probabili problemi di SI è la regola del "1/3 del tempo di salita". Questa regola afferma che se la traccia è più lunga di 1/3 di un tempo di salita, possono verificarsi riflessioni (ringing). Se il pin sorgente ha un tempo di salita di 1 nSec, un percorso più lungo di .33 nSec (circa 2 pollici in FR4) deve essere considerato una linea di trasmissione, quindi un candidato a problemi di integrità del segnale. Se i tuoi dispositivi hanno questo tipo di tempo di salita e sai che avrai routing di questa lunghezza, allora potresti riscontrare problemi di integrità del segnale sul PCB.

Come Controllo le Impedenze?

Come si evita la situazione in cui l’energia viene riflessa avanti e indietro tra la sorgente e il carico? La si evita adattando le impedenze. L’adattamento di impedenza garantisce che tutta l’energia venga accoppiata dalla sorgente al routing e poi dal routing al carico. Instradare la scheda tenendo conto dell’impedenza viene definito routing a impedenza controllata oppure, in altre parole, una scheda in cui le impedenze sono state gestite viene chiamata PCB a impedenza controllata.

Ci sono due elementi distinti per ottenere l’adattamento di impedenza: il primo è adattare i componenti; il secondo è instradare la scheda in modo da ottenere l’impedenza richiesta.

Adattamento di Impedenza dei Componenti

Non è possibile ottenere un PCB a impedenza controllata con il solo routing. Per prima cosa, devi verificare e, se necessario, adattare le impedenze dei componenti.

Idealmente, è opportuno rilevare le net che potrebbero presentare potenziali problemi di integrità del segnale durante la fase di acquisizione dello schema in modo che eventuali componenti di terminazione aggiuntivi possano essere inclusi prima dell’inizio del processo di progettazione della scheda. Poiché i pin di uscita hanno bassa impedenza e i pin di ingresso hanno alta impedenza, è probabile che sia necessario aggiungere componenti di terminazione al progetto per ottenere l’adattamento di impedenza.

Puoi eseguire un’analisi di integrità del segnale sul tuo progetto nella fase di acquisizione dello schema. Quando esegui il comando Tools » Signal Integrity, spesso compare la finestra di dialogo Errors or Warnings, a indicare che non a tutti i componenti sono stati assegnati modelli di integrità del segnale. Il motore di analisi dell’Integrità del Segnale selezionerà automaticamente modelli predefiniti in base ai designatori dei componenti; fai clic su Continue per usare i valori predefiniti oppure su Model Assignments per esaminare e modificare i modelli. Puoi accedere alla finestra di dialogo Signal Integrity Model Assignments in qualsiasi momento tramite il pulsante Model Assignments nel pannello Signal Integrity.

Analisi del Progetto

Quando viene eseguito il comando Tools » Signal Integrity, il progetto viene analizzato e tutte le net con potenziali problemi vengono identificate nel pannello Signal Integrity, come mostrato di seguito.

Verifica del progetto per individuare potenziali problemi di integrità del segnale durante l’acquisizione dello schema.

Dal pannello, puoi eseguire un’analisi delle riflessioni su una net selezionata (o più net). A sinistra sono riportati i risultati dell’analisi per tutte le net del progetto. Seleziona una net e fai clic sul pulsante  (oppure fai doppio clic sul nome della net) per trasferire quella net nel campo Net sulla destra del pannello, dove puoi eseguire un’analisi dettagliata di quella net, inclusi:

• Esaminare i pin di quella net, dove puoi fare clic singolo per eseguire il cross-probe verso quel pin nello schema oppure doppio clic per controllare e configurare il modello assegnato a quel pin.
• Abilitare una o più opzioni teoriche di terminazione per quella net.
• Eseguire un’Analisi delle Riflessioni sulla net, producendo un insieme di forme d’onda che mostrano il comportamento di ciascun pin nella net.

Il pannello ti consente di sperimentare con possibili configurazioni e valori di terminazione. Nota che la regione Termination del pannello Signal Integrity mostrata nell’immagine sopra ha l’opzione Serial Res abilitata. La sezione del pannello sottostante mostra una resistenza di terminazione in serie. Qui definisci i valori teorici minimo e massimo della resistenza di terminazione in serie che verranno utilizzati per l’analisi delle riflessioni (disabilita la casella di controllo Suggest per inserire i tuoi valori).

Esplorazione dei Risultati

Quando si fa clic sul pulsante Reflection Waveforms, viene eseguita un’accurata analisi delle riflessioni su quella net, con i risultati presentati in una nuova finestra delle forme d’onda (*.SDF).

La finestra delle forme d’onda includerà:

• Un grafico per ogni net analizzata; fai clic sulle schede nella parte inferiore della finestra per passare da un grafico all’altro.
• Ogni grafico includerà una traccia per ciascun pin in quella net, mostrando il comportamento del segnale su quel pin.

Le immagini seguenti mostrano due grafici dei risultati sul pin di ingresso della net selezionata nell'immagine del pannello precedente. Il primo grafico mostra il pin di ingresso nella net senza terminazione; il secondo grafico mostra sei sweep: uno per la net originale senza terminazione e poi cinque sweep con la resistenza di terminazione serie teorica inclusa sul pin sorgente.

Sono state eseguite cinque passate dell'analisi di riflessione (Sweep Steps valore dell'opzione = 5), con la resistenza di terminazione teorica che varia da Min = 20 ohm a Max = 60 ohm. Le cinque passate (prima passata a 20 ohm, ultima passata a 60 ohm) sono elencate sul lato destro del grafico. Facendo clic su ciascuna etichetta si evidenzia quel risultato e viene visualizzato il valore della resistenza di terminazione teorica in basso a destra. Per questa net, una resistenza di terminazione serie di 40 ohm produrrebbe il grafico selezionato nell'immagine a destra.

Il grafico a sinistra mostra l'analisi di riflessione di una net con potenziali problemi di integrità del segnale; il grafico a destra mostra la stessa net con l'aggiunta di una resistenza di terminazione serie teorica di circa 40 ohm.

Che cosa determina l'impedenza di instradamento?

La seconda parte del processo per ottenere un PCB a impedenza controllata consiste nell'instradare la scheda in modo che le tracce abbiano un'impedenza definita. Esistono numerosi fattori che influenzano l'impedenza dell'instradamento dei segnali, tra cui le dimensioni delle piste e le proprietà dei materiali utilizzati per fabbricare il PCB.

L'editor PCB include il motore elettromagnetico di Signal Integrity Simbeor® di Simberian. L'accuratezza del modello di Simbeor è validata mediante algoritmi avanzati per l'analisi full-wave 3D, benchmarking e validazione sperimentale. Il motore Simbeor supporta tutte le moderne strutture e i materiali per schede.

Versione di Simbeor

Il Simbeor SFS

Le impedenze vengono calcolate dal Simbeor SFS, un risolutore di campo quasi statico. Simbeor SFS è un avanzato risolutore di campo 2D quasi statico basato sul Method of Moments, validato tramite convergenza, confronti e misurazioni. Il risolutore discretizza i confini del dielettrico e dei conduttori e risolve le equazioni corrispondenti per costruire matrici RLGC dipendenti dalla frequenza per le equazioni del telegrafo.

Simbeor SFS non è un risolutore full-wave, poiché ciò non è necessario per valutare impedenza, ritardo o attenuazione nelle interconnessioni PCB, a causa della natura quasi-TEM delle onde che vi si propagano. Tali onde possono essere simulate con precisione mediante parametri RLGC estratti con un risolutore di campo 2D quasi statico.

Una proprietà unica del risolutore Simbeor SFS è il supporto ai modelli di rugosità del conduttore. Si noti che non supporta un modello di conduttore multistrato (placcatura) e che la rugosità è comune a tutti i conduttori. Il risolutore è quasi statico perché la soluzione non include la dispersione ad alta frequenza che si verifica nelle linee microstrip (maggiore concentrazione dei campi in un dielettrico con costante dielettrica più elevata alle alte frequenze).

► Scopri di più sulla tecnologia elettromagnetica di signal integrity Simberian

Strutture PCB supportate

Le impedenze possono essere calcolate per le seguenti strutture PCB:

• Microstrip
• Stripline simmetrica
• Stripline asimmetrica
• Strutture coplanari singole e differenziali
• Strati dielettrici multipli adiacenti con proprietà dielettriche differenti.

Configurazione del PCB per l'instradamento a impedenza controllata

L'instradamento a impedenza controllata consiste nel configurare le dimensioni delle piste e le proprietà dei materiali della scheda per ottenere un'impedenza specifica. Questa operazione viene eseguita nell'Layer Stack Manager dell'editor PCB. Per aprire il Layer Stack Manager, selezionare Design » Layer Stack Manager dai menu principali. Il Layer Stack Manager si apre in un editor di documenti allo stesso modo di un foglio schematico, del PCB e degli altri tipi di documento.

La larghezza della traccia necessaria per ottenere una specifica impedenza viene calcolata come parte del profilo di impedenza, configurato nella scheda Impedance del Layer Stack Manager.

In base a:

• I valori di Target Impedance, Target Tolerance e Roughness configurati nella scheda Impedance, e
• le impostazioni dei materiali definite nella scheda Stackup, incluse:
  • lo spessore dello strato di segnale,
  • lo spessore degli strati dielettrici circostanti (le distanze dal/i piano/i di riferimento), e 
  • le proprietà del materiale dielettrico (permittività Dk e fattore di dissipazione Df).

Quando questi parametri sono configurati correttamente, il calcolatore di impedenza dispone di informazioni sufficienti per calcolare quanto segue:

• Larghezza traccia
• Impedenza calcolata (Z)
• Impedenza di modo comune (Zcomm)
• Deviazione di impedenza (Z Deviation)
• Ritardo di propagazione (Tp)
• Induttanza per unità di lunghezza (p.u.l.)
• Capacità per unità di lunghezza (p.u.l.)

I valori calcolati vengono visualizzati nella sezione Transmission Line del pannello Properties quando è selezionata la scheda Impedance nel Layer Stack Manager, come mostrato di seguito.

Un profilo di impedenza da 50Ω definito per net singole instradate sul layer superiore. Passare il cursore sull'immagine per visualizzare le impostazioni dello stesso profilo per il layer L3 (immagine per gentile concessione di FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com).

Configurazione del layer stackup

Main page: Definizione del layer stack

Gli strati di fabbricazione in rame e dielettrico sono configurati nella scheda Stackup del Layer Stack Manager.

• Gli strati vengono aggiunti, rimossi e configurati in questa scheda. Per un progetto rigid-flex, in questa scheda gli strati vengono anche abilitati e disabilitati.
• Le proprietà dello strato attualmente selezionato possono essere modificate direttamente nella griglia o nel pannello Properties. Fare clic sul pulsante  nella parte inferiore dell'area di progettazione per abilitare il pannello.
• Fare clic con il pulsante destro nella griglia degli strati oppure usare i comandi Edit » Add Layer per aggiungere uno strato. L'aggiunta di uno strato di rame comporterà anche l'aggiunta di uno strato dielettrico quando anche uno strato adiacente esistente è uno strato di rame.
• Se l'opzione Stack Symmetry è abilitata nella sezione Board del pannello Properties, gli strati vengono aggiunti in coppie corrispondenti centrate attorno allo strato dielettrico centrale.
• Il materiale dello strato può essere digitato nella cella Material selezionata oppure selezionato nella finestra di dialogo Select Material; fare clic sul pulsante con i puntini di sospensione () per aprirla.
• È possibile aggiungere una finitura superficiale a uno strato di rame. Usare il sottomenu Add Layer per aggiungere uno strato Surface Finish allo strato di rame attualmente selezionato, quindi fare clic sul pulsante con i puntini di sospensione del nuovo strato di finitura superficiale per selezionare il tipo di finitura.
• Lo strato selezionato può essere spostato verso l'alto o verso il basso all'interno degli strati dello stesso tipo usando il menu contestuale oppure i menu Edit.
• La regione Board del pannello Properties include opzioni per imporre Stack Symmetry e Library Compliance. Ulteriori dettagli sono riportati di seguito.
• La regione Board del pannello Properties visualizza un riepilogo dello stack attualmente selezionato (o del sottostack per un progetto rigid/flex multi-stack).

Considerazioni sul layer stack

Un requisito fondamentale per controllare l'impedenza è includere un percorso di ritorno del segnale sotto ciascun percorso di segnale. Il motore SI Simbeor supporta sia i plane layer sia i signal layer coperti da un poligono. Questi strati di percorso di ritorno dovrebbero essere distribuiti nello stackup della scheda. Idealmente, sono disposti in modo che almeno uno strato di percorso di ritorno sia adiacente a ciascuno strato di segnale che trasporta instradamenti a impedenza controllata. Lo strato di percorso di ritorno adiacente fornisce il percorso di ritorno del segnale e, per ragioni che qui non verranno trattate, lo fa indipendentemente dalla tensione DC distribuita da quel piano.

La corrente di ritorno che scorre attraverso il piano tenterà di seguire lo stesso percorso fisico della pista sullo strato di segnale, quindi è importante evitare di introdurre discontinuità, come una divisione o un'apertura, nello strato di percorso di ritorno sotto qualsiasi instradamento di segnale critico.

Oltre a selezionare un ordine adatto per gli strati di segnale e di piano, è necessario definire anche le proprietà dei materiali di ciascuno strato, incluse:

• Spessore del rame
• Spessore del dielettrico
• Costante dielettrica

Questi valori, insieme alla larghezza di instradamento, contribuiscono tutti all'impedenza finale. Ottenere l'impedenza richiesta diventa quindi un processo di regolazione di tutti questi valori. Ricordare che i possibili valori di spessore del rame e del dielettrico possono anche essere limitati, in base ai materiali disponibili presso il produttore del PCB.

► Scopri di più sui possibili layer stackup

Definizione dei profili di impedenza

Il motore Simbeor è integrato nel Layer Stack Manager dell’editor PCB (Design » Layer Stack Manager). Per configurare lo stack dei layer per il routing a impedenza controllata, passa alla scheda Layer Stack Manager's Impedance, dove puoi aggiungere e configurare un profilo di impedenza.

Un profilo di impedenza da 50Ω definito per singole net instradate sul layer superiore. Passa il cursore sopra l’immagine per visualizzare le impostazioni dello stesso profilo per il layer L3.

Note sulla creazione e configurazione di un Profilo di Impedenza:

1. Nel Layer Stack Manager passa alla scheda Impedance, come mostrato sopra.
2. Fai clic sul pulsante (oppure sul pulsante se è già definito un profilo) per aggiungere un nuovo profilo.
3. Definisci i valori richiesti di impedenza Type, Target Impedance e Target Tolerance nel pannello Properties. Il Description è facoltativo; verrà visualizzato ovunque venga mostrato il nome del Profilo di Impedenza.
4. La griglia dei layer è divisa in 2 aree: i layer dello stackup sono visualizzati a sinistra, quindi per ogni layer di segnale nello stackup viene visualizzato un layer nell’area Profilo di Impedenza a destra. Usa la casella di controllo del layer nell’area Profilo per abilitare il calcolo dell’impedenza per quel layer. Usando l’immagine sopra come esempio e facendo riferimento al numero di layer mostrato nella colonna più a sinistra, i layer L1, L3, L10 e L12 hanno la relativa casella selezionata, risultando così abilitati per i calcoli di impedenza.
5. Quando fai clic su un layer abilitato nell’area Profilo, tutti i layer nello stack dei layer verranno attenuati tranne quelli utilizzati per calcolare l’impedenza di quel layer di segnale selezionato (come mostrato nell’immagine sopra). Modifica i layer di riferimento di quel layer nelle colonne Top Ref e Bottom Ref dell’area Impedance Profile . Nota che i layer di riferimento possono avere un Type di layer pari a Plane oppure Signal. Ad esempio, nell’immagine sopra, il layer L10 nello stackup è abilitato per i calcoli di impedenza, con il Top Ref impostato su 9-L9, che è un layer Plane, e il Bottom Ref impostato su 11-L11, che è un layer Signal . Il software presume che, se un layer di segnale viene utilizzato come piano di riferimento, contenga un piano continuo di rame collegato a una net di alimentazione o di massa.
6. Abilita la casella di controllo Impedance Profile per ogni altro layer che trasporterà routing a questa impedenza e configura i piani di riferimento. Passa il cursore sopra l’immagine sopra per visualizzare il Profilo di Impedenza S50 per il layer L3.
7. Se la larghezza della traccia di routing calcolata è un valore che non può essere ordinato, puoi regolare con precisione le impostazioni di larghezza e gap.

Regolazione delle impostazioni di larghezza e gap

Il software calcola la larghezza della traccia a partire dall’impedenza target e dalla tolleranza. Non è raro che la larghezza della traccia calcolata sia un valore che non può essere ordinato, ad esempio 0,0683 mm. Il produttore indicherà quali spessori di materiale sono disponibili e quale precisione può raggiungere per le larghezze delle tracce. A quel punto, il processo consiste nel partire dai valori desiderati e poi verificare l’impatto sui valori di impedenza calcolati quando le dimensioni vengono adattate a quelle disponibili.

Per supportare questo processo di verifica e regolazione delle impostazioni, i calcolatori di impedenza supportano calcoli di impedenza diretti e inversi. La modalità predefinita è quella diretta (si inserisce l’impedenza e il software calcola la larghezza). L’icona  indica la variabile calcolata.

  Un’Impedenza Target di 50Ω produce una larghezza calcolata in modalità diretta (W1) di 94,6 µm. L’immagine a destra mostra il calcolo inverso quando la larghezza (W1) è impostata su 95 µm.

Per invertire il calcolo ed esplorare diverse larghezze di traccia per il layer selezionato, digita il nuovo valore Width (W1) e premi Invio sulla tastiera. I valori calcolati si aggiorneranno per riflettere l’impatto del passaggio a quella larghezza. Fai clic sul pulsante per riportare il calcolatore alla modalità di calcolo diretto. L’inserimento di un nuovo valore in Width (W2) modificherà il valore Etch.

Per esplorare i risultati della linea di trasmissione della coppia differenziale, seleziona la variabile calcolata, Trace Width oppure Trace Gap, facendo clic sul pulsante appropriato. Modifica l’altra variabile per cambiare il Target Impedance, oppure modifica il Target Impedance per esplorare l’impatto sull’altra variabile.

Fattore di incisione

Le tracce di segnale su un PCB vengono realizzate incidendo il rame indesiderato. Poiché l’agente incisore inizia a rimuovere il rame dalla superficie, questo rame rimane più a lungo a contatto con l’agente incisore. Il risultato è che i bordi finali della traccia avranno una pendenza, riducendo l’area della sezione trasversale della traccia finita, come mostrato nell’immagine seguente.

L’area di rame persa sul bordo della traccia (su entrambi i bordi) durante l’incisione = X * Y

La quantità di pendenza è indicata come Fattore di Incisione, dove:

Etch Factor = Y/X

Se Y = X, allora il Etch Factor = 1

Facendo riferimento all’immagine mostrata nel pannello Properties:

Passa il cursore sopra il ? per visualizzare la formula.

La definizione standard del Fattore di Incisione consiste nello specificarlo come rapporto di trace thickness / amount of over-etching. Questo porta alla seguente formula:

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

Lo svantaggio di questo approccio è che, per specificare l’assenza di sovraincisione (ossia bordi della traccia verticali), sarebbe necessario inserire un valore di inf (infinito) per il fattore di incisione. Per semplificare la specifica della quantità di incisione, la formula è stata invertita in modo che sia possibile inserire un valore di 0 (zero) per indicare che non vi è sovraincisione.

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

Orientamento del rame

Un altro dettaglio di fabbricazione che contribuisce al fattore di incisione è l’orientamento del rame. Le tracce PCB vengono formate incidendo il rame indesiderato da un foglio continuo di rame laminato su un substrato dielettrico. L’orientamento del rame definisce la direzione in cui il rame si estende a partire da quel substrato. Puoi anche considerarlo come la direzione da cui il rame viene inciso, dall’alto o dal basso.

  Fai clic sulla casella di controllo Trace Inverted per commutare l’Orientamento del Rame da Above a Below.

Rugosità superficiale del conduttore

La superficie di ciascun layer di rame in un circuito stampato presenta un certo grado di rugosità. Durante la fabbricazione del PCB, la superficie dei layer di rame viene trattata per aumentarne la rugosità e migliorare l’adesione tra i layer di rame e quelli dielettrici. Questa rugosità superficiale diventa un contributo significativo all’impedenza del conduttore a velocità di commutazione superiori a 10 GB/s. Attraverso un’ampia attività di ricerca e analisi, gli esperti del settore hanno concluso che la rugosità superficiale può essere modellata mediante un coefficiente di correzione della rugosità derivato dai valori Surface Roughness e Roughness Factor.

RoughnessLe impostazioni sono disponibili nella modalità Layer Stack Manager del pannello Properties . Questi parametri vengono utilizzati solo per i layer conduttivi.

La rugosità superficiale è inclusa nel calcolo dell’impedenza caratteristica.

Rugosità:

• Model Type - modello preferito per calcolare l’impatto della rugosità superficiale (per ulteriori informazioni sui vari modelli, fare riferimento agli articoli riportati di seguito). Si applica a tutti i layer di rame nel substack.

• Surface Roughness - valore della rugosità superficiale (disponibile presso il tuo produttore). Inserisci un valore compreso tra 0 e 10 µm; il valore predefinito è 0,1 µm

• Roughness Factor - caratterizza l’aumento massimo previsto delle perdite del conduttore dovuto all’effetto della rugosità. Inserisci un valore compreso tra 1 e 100; il valore predefinito è 2.

Approfondimenti

• Metodologia pratica per analizzare l’effetto della rugosità del conduttore sulle perdite di segnale e sulla dispersione nelle interconnessioni: Y. Shlepnev, C. Nwachukwu, DesignCon2012.
• Approccio unificato alla modellazione della rugosità superficiale del conduttore nelle interconnessioni: Y. Shlepnev, 2017 IEEE 26th Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS2017)

Supporto per strutture di linea di trasmissione coplanari

Il calcolatore di impedenza nel Layer Stack Manager supporta strutture coplanari singole e differenziali. Crea un nuovo profilo di impedenza, quindi seleziona Single-Coplanar oppure Differential-Coplanar dall’elenco a discesa Type del Profilo di Impedenza.

Lavorare con strutture coplanari:

• Come per le impedenze standard singole e differenziali, i valori di ciascuna variabile vengono calcolati automaticamente in base ai valori di Target Impedance e Target Tolerance definiti dall’utente e alle proprietà fisiche dei layer della scheda. Questi valori calcolati automaticamente possono essere regolati inserendo nuovi valori nelle caselle di modifica della modalità Layer Stack Manager del pannello Properties.
• Per indirizzare le net di segnale che desideri instradare con una struttura coplanare, configura una regola di progettazione Larghezza di instradamento (oppure Instradamento di coppie differenziali) con l'opzione Use Impedance Profile abilitata e il Profilo di Impedenza Coplanare richiesto selezionato.
• Le strutture coplanari richiedono un piano di riferimento su entrambi i lati del percorso del segnale; questo può essere creato da un poligono che posizioni oppure, se vengono aggiunti stitching vias, tramite il comando Add Shielding to Net (maggiori informazioni sotto). Se posizioni un poligono, la separazione tra questo poligono e il percorso del segnale è definita dal valore Clearance (S) determinato dal calcolatore di impedenza Simbeor (visualizzato nel pannello Properties, mostrato nelle immagini sopra e sotto). Configura una regola di progettazione Clearance per controllare la distanza tra il poligono di riferimento e il percorso del segnale (mostra immagine).
• È pratica comune includere una recinzione di via lungo ciascun lato della traccia di segnale quando la struttura coplanare è collegata a massa. Usa il comando Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net nell'editor PCB per farlo. Oltre a posizionare via, abilitando l'opzione Add shielding copper questo comando può anche posizionare un poligono attorno all'instradamento del segnale per coprire la recinzione di via, come mostrato nell'immagine in basso a destra.
  ► Scopri di più su Via Shielding

  Il calcolatore di impedenza determina le proprietà del segnale e le distanze (prima immagine); usa tale distanza nell'impostazione Distance del via shielding.

Selezione del materiale dello strato

In un progetto a impedenza controllata, la selezione dei materiali utilizzati nello stackup degli strati è molto importante.

Ad esempio, il materiale più comune per la fabbricazione dei PCB è la resina epossidica rinforzata con fibra di vetro (vetroresina), con lamina di rame incollata su ciascun lato. La densità della trama del tessuto in fibra di vetro influisce sul valore e sulla costanza della costante dielettrica Dk (permittività) e del fattore di perdita Df. Attorno al tessuto di vetro intrecciato è presente la resina: anche la percentuale di resina utilizzata è importante per le prestazioni del materiale.

È disponibile un'ampia gamma di trame di fibra di vetro. Per contribuire a garantire la prevedibilità e le prestazioni dei materiali a base di fibra di vetro utilizzati nella fabbricazione dei PCB, l'IPC dispone di uno standard per le trame:

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

La libreria dei materiali

Come progettista, puoi modificare direttamente le proprietà del materiale in Layer Stack Manager oppure selezionare i materiali da Altium Material Library.

L'intera libreria può essere visualizzata (e ampliata) nella finestra di dialogo Altium Material Library dialog (Tools » Material Library).

I materiali sono organizzati in categorie di utilizzo, accessibili tramite una struttura ad albero sul lato sinistro della finestra di dialogo. Al di sotto di questo livello, ogni categoria di utilizzo è suddivisa in categorie funzionali, come Conductive layer material, Dielectric layer material, e Surface Layer Material inella categoria PCB layer material.

Aggiunta, salvataggio e caricamento del materiale

Nuovo materiale può essere aggiunto alla libreria quando una specifica categoria di materiale è selezionata nell'albero. I materiali definiti in una libreria materiali esterna possono essere caricati (pulsante Load) e il materiale definito dall'utente che è stato aggiunto nella finestra di dialogo Altium Material Library può anche essere salvato in una libreria utente (pulsante Save). Viene salvato solo il materiale definito dall'utente.

Aggiunta di proprietà personalizzate al materiale

È possibile aggiungere proprietà personalizzate ai materiali dettagliati nella libreria (materiali predefiniti e definiti dall'utente). Per aggiungere una proprietà personalizzata, seleziona prima il nodo corretto nell'albero a sinistra per definire il/i materiale/i a cui deve essere aggiunta, quindi fai clic sul pulsante  per aprire la finestra di dialogo Material Library Settings.

Il valore richiesto può quindi essere aggiunto al materiale selezionato nella finestra di dialogo Altium Material Library; seleziona la riga e fai clic sul pulsante Edit.

Pannello Properties

Quando la scheda Impedance del documento Layer Stack è attiva, il pannello Properties consente di configurare i requisiti del Profilo di Impedenza. Il Profilo di Impedenza richiesto può quindi essere selezionato nelle regole di progettazione Routing Width o Differential Pairs Routing.

• Impedance Profile
  • Description – inserisci una descrizione significativa. Questo campo è facoltativo e verrà visualizzato ovunque venga visualizzato il nome del Profilo di Impedenza.
  • Type – usa il menu a discesa per scegliere il tipo di impedenza. Le scelte sono Single, Differential, Single-Coplanar e Differential-Coplanar.

• Target Impedance – inserisci l'impedenza che desideri ottenere.
• Target Tolerance – inserisci la tolleranza che desideri ottenere. Dovresti consultare il fabbricante per trovare un valore di tolleranza realistico che possa essere garantito.
• Transmission Line
  • Trace inverted – abilita questa opzione per invertire la traccia, come mostrato nel pannello Properties. Questa opzione è la stessa dell'opzione Copper Orientation visualizzata quando la scheda Stackup è attiva e definisce la direzione in cui il rame viene laminato sul core. L'orientamento del rame definisce la direzione in cui il rame si estende lontano da quel substrato. Puoi anche considerarla come la direzione da cui il rame viene inciso, dall'alto o dal basso.
  • Etch – il fattore di incisione è = T/[(W1-W2)/2], che riduce l'area totale della sezione trasversale della traccia dello spessore del rame al quadrato. Consulta il fabbricante della scheda per informazioni sul Etch creato dai suoi processi.

• Width (W1) / (W2) – W1 è la larghezza della traccia che instradi, W2 è la larghezza della superficie superiore di quella traccia una volta incisa, con il fattore Etch applicato. È disponibile una funzione di calcolo diretto/inverso per la larghezza della traccia. L'impostazione predefinita prevede che la larghezza venga calcolata in base al valore Target Impedance inserito (calcolo diretto). Tale larghezza potrebbe essere un valore che il fabbricante potrebbe non essere in grado di realizzare, ad esempio 5.978, e potrebbe richiedere un valore più sensato, come 6.0. Puoi inserire 6.0 nel campo Width e premere Enter sulla tastiera per ricalcolare i valori calcolati (Impedance, Deviation, ecc.). Il pulsante diventa grigio (si disattiva) e ora ti trovi in modalità di calcolo inverso. Se fai clic sul pulsante per riattivarlo, torni alla modalità diretta e il valore Width (W1) tornerà al valore calcolato. Questa funzione ti consente di esplorare opzioni di larghezza realisticamente fabbricabili. L'inserimento manuale di un valore per W2 aggiornerà il fattore di incisione di conseguenza.
• Impedance – il software calcola l'impedenza in base alle proprietà dei materiali utilizzati per realizzare la scheda (rame, core e prepreg) e all'area della sezione trasversale della traccia (determinata dalla larghezza, dallo spessore e dal fattore di incisione della traccia).
• Deviation – questa è una misura della differenza tra ciò che volevi (impedenza target) e ciò che hai ottenuto (impedenza calcolata). Il software calcola la deviazione di impedenza (ciò che otterrai effettivamente in base al materiale e alle dimensioni inserite) in base alle proprietà dei materiali utilizzati per realizzare la scheda (rame, core e prepreg) e all'area della sezione trasversale della traccia (determinata dalla larghezza, dallo spessore e dal fattore di incisione della traccia).
• Delay – questo è il tempo necessario affinché il segnale viaggi dal trasmettitore al ricevitore.
• Inductance – il calcolatore di impedenza utilizza il valore Impedance per calcolare l'induttanza per unità di lunghezza.
• Capacitance – il calcolatore di impedenza utilizza il valore Impedance per calcolare la capacità per unità di lunghezza.

• Board
  • Stack Symmetry – abilita questa opzione per aggiungere strati in coppie corrispondenti centrate attorno allo strato dielettrico centrale. Quando è abilitata, lo stack degli strati viene immediatamente controllato per verificarne la simmetria attorno allo strato dielettrico centrale. Se una qualsiasi coppia di strati equidistanti dallo strato dielettrico centrale di riferimento non è identica, si apre la finestra di dialogo Stack is not symmetric dialog.
  • Library Compliance – quando è abilitata, per ogni strato selezionato dalla Material Library, le proprietà correnti dello strato vengono confrontate con i valori della definizione di quel materiale nella libreria.

• Substack – queste informazioni si riferiscono al substack attualmente selezionato (layer, dielettrico, spessori, ecc.). Quando si passa da un substack a un altro, queste informazioni si aggiorneranno di conseguenza (per il substack attualmente selezionato).

• Stack Name – immettere un nome significativo per il substack. Questo campo è utile quando alla regione di stackup X/Y viene assegnato un layer substack.
• Is Flex – abilitare se il substack è flex.
• Layers – il numero totale di layer.
• Dielectrics – il numero totale di dielettrici.
• Conductive Thickness – lo spessore del/dei layer conduttivi. I layer di segnale in rame sono indicati come layer conduttivi.
• Dielectric Thickness – lo spessore del/dei layer dielettrici.
• Total Thickness – lo spessore totale della scheda.

• Other
• Roughness – mostra la rugosità dei layer conduttivi.
  • Model Type – modello preferito per calcolare l'impatto della rugosità superficiale (fare riferimento agli articoli sotto per ulteriori informazioni sui vari modelli). Si applica a tutti i layer di rame nello stack (dovrebbe essere il substack?).
  • Surface Roughness – valore della rugosità superficiale (disponibile presso il produttore). Immettere un valore compreso tra 0 e 10µm; il valore predefinito è 0,1µm
  • Roughness Factor – caratterizza l'aumento massimo previsto delle perdite del conduttore dovuto all'effetto della rugosità. Immettere un valore compreso tra 1 e 100; il valore predefinito è 2.

Configurazione delle regole di progettazione

L'impedenza di instradamento è determinata dalla larghezza e dall'altezza della traccia e dalle proprietà dei materiali dielettrici circostanti. In base alle proprietà del materiale definite nel Layer Stack Manager, le larghezze di instradamento richieste vengono calcolate quando viene creato ciascun profilo di impedenza. A seconda delle proprietà del materiale, la larghezza può cambiare al cambiare del layer di instradamento. Questo requisito, che modifica le larghezze quando si cambia layer di instradamento, viene gestito automaticamente dalla regola di progettazione di instradamento applicabile configurata nel PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules).

Per la maggior parte dei progetti di schede, un insieme specifico di net verrà instradato con impedenza controllata. Un approccio comune consiste nel creare una classe di net o una classe di coppie differenziali che includa queste net e quindi creare una regola di instradamento che abbia come target questa classe, come mostrato nelle immagini sotto.

Normalmente, si definiscono manualmente Min, Max e Preferred Widths, nelle impostazioni dei vincoli superiori per applicarli a tutti i layer oppure singolarmente per ciascun layer nella griglia dei layer. Per l'instradamento a impedenza controllata, invece, si abilita l'opzione Use Impedance Profile, quindi si seleziona dal menu a discesa il Profilo di impedenza richiesto. Quando ciò avviene, la regione Constraints della regola cambierà. La prima cosa che si noterà è che la regione dei layer disponibili non mostrerà più tutti i layer di segnale della scheda. Mostrerà ora solo i layer abilitati nel Profilo di impedenza selezionato. I valori Preferred Width (e il gap della coppia differenziale) si aggiorneranno per riflettere le larghezze (e i gap) calcolati per ciascun layer. Questi valori Preferred non possono essere modificati, ma i valori Min e Max sì. Impostarli su valori inferiori/superiori adeguati. Le net potranno quindi essere instradate interattivamente nel modo consueto.

Regola di progettazione Routing Width

Per le net a singolo lato, la larghezza di instradamento è definita dalla regola di progettazione Routing Width.

Quando si sceglie di usare un Profilo di impedenza, i layer disponibili e le Preferred Width sono controllati dal profilo selezionato.

Regola di progettazione Differential Pairs Routing

L'instradamento delle coppie differenziali è controllato dalla regola di progettazione Differential Pair Routing.

Per una coppia differenziale, i layer disponibili, la Preferred Width e il Preferred Gap sono controllati dal profilo selezionato.

► Scopri di più su Differential Pair Routing

Regola di progettazione Return Path

Interruzioni o restringimenti nel percorso di ritorno possono essere rilevati dalla regola di progettazione Return Path design rule. La regola di progettazione Return Path verifica la presenza di un percorso di ritorno continuo del segnale sui layer di riferimento designati sopra o sotto il/i segnale/i target della regola. Il percorso di ritorno può essere creato da riempimenti, regioni e colate poligonali posizionati sul layer di segnale di riferimento o su un plane layer.

I layer del percorso di ritorno sono i layer di riferimento definiti nel Impedance Profile selezionato nella regola di progettazione Return Path. Questi layer vengono controllati per garantire che il Minimum Gap specificato (larghezza oltre il bordo del segnale) esista lungo il percorso del segnale. Aggiungere una nuova regola di progettazione Return Path nella categoria di regole High Speed.

I layer del percorso di ritorno sono definiti nel Impedance Profile selezionato e la larghezza del percorso (oltre il bordo del segnale) è definita dal Minimum Gap.

L'immagine sotto mostra errori del percorso di ritorno rilevati per il segnale, NetXcon un'impostazione Minimum Gap di 0.1mm. Può essere più semplice individuare gli errori Return Path configurando il DRC Violation Display Style in modo da mostrare i dettagli della violazione ma non l'overlay della violazione ( show image) nel dialogo Preferences. In questo modo vengono evidenziate le posizioni esatte in cui la regola non è stata soddisfatta, anziché l'intero oggetto/gli interi oggetti in violazione. 

► Scopri di più su High Speed Design in Altium Designer

Instradamento delle net all'impedenza richiesta

Durante l'instradamento della scheda e il cambio di layer, il software regolerà automaticamente la larghezza della traccia alla dimensione necessaria per ottenere l'impedenza specificata. Questo instradamento interattivo a impedenza controllata semplifica notevolmente il compito di progettare un PCB a impedenza controllata.

Compensazione della lunghezza delle tracce

Due delle sfide principali nell'instradamento di un progetto ad alta velocità sono il controllo dell'impedenza delle tracce e l'abbinamento delle lunghezze delle net critiche. L'instradamento a impedenza controllata garantisce che il segnale che lascia un pin di uscita venga ricevuto correttamente dai pin di ingresso target. L'abbinamento delle lunghezze delle tracce garantisce che i segnali critici per il timing arrivino ai rispettivi pin target nello stesso momento. La compensazione e l'abbinamento delle lunghezze delle tracce sono inoltre un elemento essenziale dell'instradamento delle coppie differenziali.

Sono stati aggiunti pattern a fisarmonica all'instradamento per garantire che le coppie differenziali abbiano lunghezze abbinate.

I comandi Interactive Length Tuning e Interactive Diff Pair Length Tuning (menu Route) forniscono un mezzo dinamico per ottimizzare e controllare le lunghezze di net o coppie differenziali consentendo l'inserimento di pattern a onda ad ampiezza variabile (fisarmoniche) in base allo spazio disponibile, alle regole e agli ostacoli presenti nel progetto.

► Scopri di più su Length Tuning

Verifica dell'integrità del segnale della scheda instradata

Allo stesso modo in cui sono state testate le net durante l'acquisizione del progetto usando una lunghezza di instradamento e un'impedenza di instradamento presunte, una volta completato l'instradamento è opportuno ripetere questo processo sulla scheda per verificare eventuali disadattamenti di impedenza e problemi di riflessione. Avviare il comando Signal Integrity dal menu Tools dell'editor PCB. Poiché il PCB fa parte del progetto, le proprietà dei materiali e le dimensioni definite nel Layer Stack Manager e le larghezze effettive delle tracce sulla scheda verranno utilizzate per calcolare le impedenze impiegate per i test di integrità del segnale.

Ottenimento delle impedenze specificate

Oltre al processo iterativo di regolazione delle dimensioni necessario per ottenere le impedenze corrette, vi sono altri fattori che influenzano l'impedenza finale ottenuta sul PCB fabbricato. Tra questi rientrano la coerenza e la stabilità del materiale dielettrico utilizzato nel PCB, nonché la coerenza e la qualità del processo di incisione. Se è richiesto un PCB a impedenza controllata, è opportuno discuterne con il produttore del PCB. Alcuni produttori possono fornire indicazioni sulle geometrie delle tracce se viene fornito lo stackup preferito. Molti saranno anche in grado di includere un coupon di test dell'impedenza su ciascun pannello fabbricato: questo può essere utilizzato per misurare le impedenze reali ottenute sulla scheda.

Letture e risorse aggiuntive

Questo articolo fornisce un'introduzione al tema dell'integrità del segnale e della progettazione di PCB a impedenza controllata. Utilizzare i link seguenti per approfondire e accedere a risorse sviluppate da esperti del settore riconosciuti.

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