Instradamento a impedenza controllata

Con l’aumento delle velocità di commutazione dei dispositivi, il routing a impedenza controllata è diventato un tema di grande interesse 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 dell’ingegneria 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 doveva essere affrontato 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, aumenta la velocità con 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 funzionalità specifiche 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 la tua scheda rischia di esserne affetta. Verranno inoltre illustrati i due approcci progettuali che devi adottare per ridurre al minimo i potenziali problemi di SI: l’adattamento delle impedenze dei componenti e il routing a impedenza controllata.

Quando il Routing Diventa Parte del Circuito

Con l’aumentare delle velocità di commutazione dei dispositivi, aumentano anche le richieste poste al progettista di circuiti stampati e al fabbricante. 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, indicata come 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 uniforme 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 nel segnale non è contenuta solo nel rame della traccia; a causa dell’effetto pelle, 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/le larghezza/e necessaria/e per ottenere l’impedenza specificata.

Mi Serve il Routing a Impedenza Controllata?

Devo davvero preoccuparmi del routing a impedenza controllata, ti chiederai?

In una situazione ideale, tutta l’energia che esce da un pin di uscita di un componente verrebbe accoppiata alla pista 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 di nuovo nel routing del PCB, tornando verso il pin di uscita della sorgente. Questa energia riflessa può interagire con il segnale originale, sommando o sottraendo energia (a seconda della polarità), con conseguente ringing. Se il ringing è sufficientemente elevato, influenzerà l’integrità del segnale, causando un comportamento del circuito imprevedibile ed errato.

Quindi, come fai a sapere se questo potrebbe accadere? Se il pin di sorgente è in grado di completare la propria transizione di fronte prima che il segnale raggiunga il pin di carico, esistono le condizioni perché il 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 di sorgente ha un tempo di salita di 1 nSec, un collegamento più lungo di .33 nSec (circa 2 pollici in FR4) deve essere considerato una linea di trasmissione, quindi un potenziale 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? Lo 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.

Esistono due elementi distinti per ottenere l’adattamento di impedenza: il primo è l’adattamento dei componenti; il secondo è il routing della scheda in modo da ottenere l’impedenza richiesta.

Adattamento di Impedenza dei Componenti

Non puoi ottenere un PCB a impedenza controllata agendo solo sul routing. Per prima cosa, devi verificare e, se necessario, adattare le impedenze dei componenti.

Idealmente, vuoi rilevare le net che potrebbero avere potenziali problemi di integrità del segnale già durante la fase di acquisizione del progetto 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 tu debba aggiungere componenti di terminazione al progetto per ottenere l’adattamento di impedenza.

Puoi eseguire un’analisi di integrità del segnale sul progetto nella fase di acquisizione dello schema. Quando esegui il comando Tools » Signal Integrity spesso viene visualizzata 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 i 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 potenzialmente problematiche vengono identificate nel pannello Signal Integrity, come mostrato di seguito.

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

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

• Esaminare i pin in quella net, con un clic singolo per eseguire il cross-probing a quel pin sullo schema oppure un doppio clic per verificare 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 consente di sperimentare 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 un resistore di terminazione in serie. Qui definisci i valori minimi e massimi teorici della resistenza di terminazione in serie che verranno utilizzati per l’analisi delle riflessioni (disattiva 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 un tracciato per ciascun pin di quella net, che mostra il comportamento del segnale in quel pin.

Le immagini sotto mostrano due grafici dei risultati al pin di ingresso della net selezionata nell’immagine del pannello precedente. Il primo grafico mostra il pin di ingresso della 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 in serie teorica inclusa al pin sorgente.

Sono state eseguite cinque passate dell’analisi delle riflessioni (Sweep Steps valore 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 viene evidenziato quel risultato e viene visualizzato in basso a destra il valore della resistenza di terminazione teorica. Per questa net, una resistenza di terminazione in serie di 40 ohm produrrebbe il grafico selezionato nell’immagine a destra.

Il grafico a sinistra mostra l’analisi delle riflessioni di una net con potenziali problemi di integrità del segnale; il grafico a destra è la stessa net con l’aggiunta di una resistenza di terminazione in 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 piste abbiano un’impedenza definita. Esistono numerosi fattori che influenzano l’impedenza del routing dei segnali, incluse le dimensioni delle tracce 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 utilizzando algoritmi avanzati per analisi 3D full-wave, benchmarking e validazione sperimentale. Il motore Simbeor supporta tutte le moderne strutture e tutti i materiali per schede.

Versione di Simbeor

Il Simbeor SFS

Le impedenze sono calcolate dal Simbeor SFS, un quasi-Static Field Solver. Simbeor SFS è un avanzato field solver quasi-statico 2D basato sul Method of Moments, validato mediante convergenza, confronti e misure. Il solver esegue la mesh dei confini dielettrici 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 solver 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 field solver quasi-statico 2D.

Una proprietà unica del solver Simbeor SFS è che supporta i 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 solver 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 il routing a impedenza controllata

Il routing a impedenza controllata consiste nel configurare le dimensioni delle tracce e le proprietà dei materiali della scheda per ottenere un’impedenza specifica. Questa configurazione viene eseguita nel 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 di 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 di 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/dai piano/i di riferimento), e 
  • le proprietà del materiale dielettrico (permittività Dk e fattore di dissipazione Df).

Quando questi elementi 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 sono visualizzati nella sezione Transmission Line del pannello Properties quando la scheda Impedance è selezionata in 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 di 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 tasto 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.
• A uno strato di rame può essere aggiunta una finitura superficiale. 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 per il 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 del tasto destro o i menu Edit.
• La sezione Board del pannello Properties include opzioni per imporre Stack Symmetry e Library Compliance. Maggiori dettagli di seguito.
• La sezione Board del pannello Properties visualizza un riepilogo dello stack attualmente selezionato (o del sotto-stack 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 ogni percorso del segnale. Il motore SI Simbeor supporta sia i layer piano sia i layer di segnale coperti da un poligono. Questi layer di percorso di ritorno dovrebbero essere distribuiti nell’intero stackup della scheda. Idealmente, sono disposti in modo che almeno un layer di percorso di ritorno sia adiacente a ciascun layer di segnale che trasporta routing a impedenza controllata. Il layer 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 traccia sul layer di segnale, quindi è importante evitare di introdurre discontinuità, come una divisione o un’apertura nel layer di percorso di ritorno sotto qualsiasi routing di segnali critici.

Oltre a selezionare un ordine adeguato per i layer di segnale e di piano, è necessario definire anche le proprietà dei materiali di ciascun layer, tra cui:

• Spessore del rame
• Spessore del dielettrico
• Costante dielettrica

Questi valori e la larghezza di instradamento contribuiscono tutti all’impedenza finale. Ottenere l’impedenza richiesta diventa quindi un processo di messa a punto di tutti questi valori. Ricordare che i possibili valori di spessore di rame e dielettrico possono anche essere limitati, in funzione dei 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 il layer stack per il routing a impedenza controllata, passare alla scheda Layer Stack Manager's Impedance dove è possibile aggiungere e configurare un profilo di impedenza.

Un profilo di impedenza da 50Ω definito per singole net instradate sul layer superiore. Passa il cursore sull'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 un profilo è già definito) per aggiungere un nuovo profilo.
3. Definisci i valori richiesti di Type, Target Impedance e Target Tolerance dell'impedenza nel pannello Properties. Il Description è facoltativo; verrà visualizzato ovunque sia 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 del layer mostrato nella colonna più a sinistra, i layer L1, L3, L10 e L12 hanno la relativa casella selezionata, risultando quindi abilitati per i calcoli di impedenza.
5. Quando fai clic su un layer abilitato nell'area Profilo, tutti i layer nello stack si attenuano tranne quelli usati 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. Per esempio, nell'immagine sopra, il layer L10 nello stackup è abilitato per i calcoli di impedenza, con Top Ref impostato su 9-L9, che è un layer Plane, e Bottom Ref impostato su 11-L11, che è un layer Signal . Il software presuppone che, se un layer di segnale viene usato come piano di riferimento, contenga un piano continuo di rame collegato a una net di alimentazione o di massa.
6. Abilita la casella Impedance Profile per ogni altro layer che porterà instradamenti a questa impedenza e configura i piani di riferimento. Passa il cursore sull'immagine sopra per visualizzare il Profilo di Impedenza S50 per il layer L3.
7. Se la larghezza della traccia di instradamento calcolata è un valore non ordinabile, puoi regolare 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 non ordinabile, per esempio 0,0683 mm. Il fabbricante 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 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 forward e reverse. La modalità predefinita è forward (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 forward (W1) di 94,6µm. L'immagine a destra mostra il calcolo inverso quando la larghezza (W1) è impostata a 95µm.

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 forward. L'immissione di un nuovo valore in Width (W2) modificherà il valore Etch.

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

Etch Factor

Le tracce di segnale su un PCB vengono realizzate incidendo via 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 stesso. Di conseguenza, 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 Etch Factor, dove:

Etch Factor = Y/X

Se Y = X, allora il Etch Factor = 1

Facendo riferimento all'immagine mostrata nel pannello Properties:

Passa il cursore sul ? per mostrare la formula.

La definizione standard di Etch Factor 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 (cioè bordi della traccia verticali), sarebbe necessario inserire un valore di inf (infinito) per l'etch factor. 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 c'è sovraincisione.

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

Orientamento del rame

Un altro dettaglio di fabbricazione che contribuisce all'etch factor è l'orientamento del rame. Le tracce PCB vengono formate incidendo via 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. Si può anche considerare come la direzione da cui il rame viene inciso, dall'alto o dal basso.

  Fai clic sulla casella Trace Inverted per commutare l'orientamento del rame da Above a Below.

Rugosità superficiale del conduttore

La superficie di ciascun layer di rame in una scheda a circuito stampato presenta un certo grado di rugosità. Durante la fabbricazione del PCB, la superficie dei layer di rame viene trattata per aumentare la rugosità e migliorare l'adesione tra gli strati 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 tramite 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 usati 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 (consulta gli articoli sotto per maggiori informazioni sui vari modelli). Si applica a tutti i layer di rame nel substack.

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

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

Approfondimenti

• Practical methodology for analyzing the effect of conductor roughness on signal losses and dispersion in interconnects: Y. Shlepnev, C. Nwachukwu, DesignCon2012.
• Unified approach to interconnect conductor surface roughness modeling: 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 single-ended 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 single-ended e differenziali, i valori per ciascuna variabile vengono calcolati automaticamente in base ai valori 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 Routing Width (oppure Differential Pairs Routing) 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 con un poligono inserito manualmente oppure, se vengono aggiunti stitching vias, tramite il comando Add Shielding to Net (maggiori informazioni più sotto). Se si inserisce un poligono, la distanza 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). Configurare una regola di progettazione Clearance per controllare la distanza tra il poligono di riferimento e il percorso del segnale (mostra immagine).
• È prassi comune includere una recinzione di via lungo ciascun lato della traccia di segnale quando la struttura coplanare è collegata a massa. Per farlo, utilizzare il comando Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net nell'editor PCB. Oltre a posizionare le via, abilitando l'opzione Add shielding copper questo comando può anche inserire un poligono attorno al routing 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 di isolamento (prima immagine); usare tale distanza nell'impostazione Distance del via shielding.

Selezione del materiale dello strato

In un progetto a impedenza controllata, la selezione dei materiali usati 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 compattezza della tessitura del tessuto in fibra di vetro influisce sul valore e sulla costanza della costante dielettrica Dk (permittività) e del fattore di dissipazione Df. Attorno al tessuto in fibra di vetro intrecciata è presente la resina: anche la percentuale di resina utilizzata è importante per le prestazioni del materiale.

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

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

Libreria materiali

Come progettista, è possibile modificare direttamente le proprietà del materiale nel Layer Stack Manager oppure selezionare i materiali dal 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 d'uso, accessibili tramite una struttura ad albero sul lato sinistro della finestra di dialogo. Al di sotto di questo livello, ogni categoria d'uso 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

È possibile aggiungere nuovo materiale alla libreria quando è selezionata una specifica categoria di materiale nell'albero. I materiali definiti in una libreria materiali esterna possono essere caricati (pulsante Load) e il materiale definito dall'utente 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 descritti nella libreria (materiali predefiniti e definiti dall'utente). Per aggiungere una proprietà personalizzata, selezionare prima il nodo corretto nell'albero a sinistra per definire il/i materiale/i a cui deve essere aggiunta, quindi fare 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; selezionare la riga e fare 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 – inserire una descrizione significativa. Questo campo è facoltativo e verrà visualizzato ovunque venga mostrato il nome del profilo di impedenza.
  • Type – utilizzare il menu a discesa per scegliere il tipo di impedenza. Le opzioni sono Single, Differential, Single-Coplanar e Differential-Coplanar.

• Target Impedance – inserire l'impedenza che si desidera ottenere.
• Target Tolerance – inserire la tolleranza che si desidera ottenere. È consigliabile consultare il produttore per individuare un valore di tolleranza realistico che sia in grado di garantire.
• Transmission Line
  • Trace inverted – abilitare 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. Si può anche considerare come la direzione da cui il rame viene inciso, cioè 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 di uno spessore del rame al quadrato. Consultare il produttore della scheda per informazioni sul Etch generato dai suoi processi.

• Width (W1) / (W2) – W1 è la larghezza della traccia instradata, W2 è la larghezza della superficie superiore di quella traccia dopo l'incisione, 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 però essere un valore che il produttore non è in grado di realizzare, ad esempio 5.978, e potrebbe richiedere un valore più sensato, come 6.0. È possibile 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 a questo punto si è in modalità di calcolo inverso. Se si fa clic sul pulsante per riattivarlo, si torna in modalità diretta e il valore Width (W1) tornerà a quello calcolato. Questa funzione consente di esplorare opzioni di larghezza realisticamente producibili. L'inserimento manuale di un valore per W2 aggiorna il fattore di incisione di conseguenza.
• Impedance – il software calcola l'impedenza in base alle proprietà dei materiali usati per realizzare la scheda (rame, core e prepreg) e all'area della sezione trasversale della traccia (determinata da larghezza, spessore e fattore di incisione della traccia).
• Deviation – questa è una misura della differenza tra il valore desiderato (impedenza target) e quello ottenuto (impedenza calcolata). Il software calcola la deviazione di impedenza (ciò che si otterrà effettivamente in base ai materiali e alle dimensioni inserite) in base alle proprietà dei materiali usati per realizzare la scheda (rame, core e prepreg) e all'area della sezione trasversale della traccia (determinata da larghezza, spessore e fattore di incisione della traccia).
• Delay – è il tempo necessario al segnale per viaggiare 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 – abilitare per aggiungere strati in coppie corrispondenti centrate attorno allo strato dielettrico centrale. Quando è abilitata, la simmetria dello stack degli strati rispetto allo strato dielettrico centrale viene verificata immediatamente. 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 questa opzione 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 sotto-stack attualmente selezionato (strati, dielettrico, spessori, ecc.). Quando si passa da un sotto-stack a un altro, queste informazioni vengono aggiornate di conseguenza (per il sotto-stack 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 riportati sotto per maggiori 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 proprio produttore PCB). Immettere un valore 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 routing è determinata dalla larghezza e dall'altezza della traccia e dalle proprietà dei materiali dielettrici circostanti. In base alle proprietà dei materiali definite nel Layer Stack Manager, le larghezze di routing richieste vengono calcolate quando viene creato ciascun profilo di impedenza. A seconda delle proprietà del materiale, la larghezza può cambiare al variare del layer di routing. Questo requisito di cambiare la larghezza quando si cambia layer di routing è gestito automaticamente dalla regola di progettazione di routing 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 net class o una classe di coppie differenziali che includa queste net e quindi creare una regola di routing che abbia come target questa classe, come mostrato nelle immagini seguenti.

Normalmente, si definiscono manualmente Min, Max e Preferred Widths, sia nelle impostazioni dei vincoli superiori per applicarli a tutti i layer, sia singolarmente per ciascun layer nella griglia dei layer. Per il routing a impedenza controllata, si abilita invece l'opzione Use Impedance Profile, quindi si seleziona il profilo di impedenza richiesto dal menu a discesa. Quando questo viene fatto, la regione Constraints della regola cambierà. La prima cosa che noterai è che la regione dei layer disponibili non mostrerà più tutti i layer di segnale della scheda. Mostrerà invece 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. Impostali su valori opportunamente più piccoli/più grandi. Le net potranno quindi essere instradate interattivamente nel modo consueto.

Regola di progettazione Routing Width

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

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

Regola di progettazione Differential Pairs Routing

Il routing delle coppie differenziali è controllato dalla regola di progettazione Differential Pair Routing.

Per una coppia differenziale, i layer disponibili, il 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. La regola di progettazione Return Path verifica la presenza di un percorso di ritorno continuo del segnale sui layer di riferimento designati al di sopra o al di sotto del/dei segnale/i target della regola. Il percorso di ritorno può essere creato da fills, regions e polygon pours 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 lungo il percorso del segnale esista il Minimum Gap specificato (larghezza oltre il bordo 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 da Minimum Gap.

L'immagine seguente 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 DRC Violation Display Style in modo da mostrare Violation Details ma non il Violation Overlay ( show image) nella finestra di dialogo Preferences. In questo modo vengono evidenziati i punti esatti 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

Instradare le 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 routing interattivo a impedenza controllata semplifica notevolmente il compito di progettare un PCB a impedenza controllata.

Length Tuning delle tracce

Due delle principali sfide dell'instradamento di un progetto ad alta velocità sono il controllo dell'impedenza delle tracce e l'abbinamento delle lunghezze delle net critiche. Il routing a impedenza controllata assicura che il segnale che lascia un pin di uscita venga ricevuto correttamente dai pin di ingresso target. L'abbinamento delle lunghezze delle tracce assicura che i segnali critici dal punto di vista temporale arrivino ai rispettivi pin target nello stesso momento. La regolazione e l'abbinamento delle lunghezze delle tracce sono inoltre un elemento essenziale del routing delle coppie differenziali.

Sono stati aggiunti pattern ad accordion al routing 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 delle net o delle coppie differenziali consentendo l'inserimento di pattern ondulati ad ampiezza variabile (accordion) in base allo spazio disponibile, alle regole e agli ostacoli del progetto.

► Scopri di più su Length Tuning

Test dell'integrità del segnale della scheda instradata

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

Ottenere le impedenze specificate

Oltre al processo iterativo di regolazione delle dimensioni che si segue per ottenere le impedenze corrette, vi sono altri fattori che influenzano l'impedenza finale ottenuta sul PCB fabbricato. Tra questi vi sono la coerenza e la stabilità del materiale dielettrico utilizzato nel PCB, nonché la costanza e la qualità del processo di incisione. Se è richiesto un PCB a impedenza controllata, è consigliabile discuterne con il proprio produttore PCB. Alcuni produttori possono fornire indicazioni sulle geometrie delle tracce se si fornisce loro lo stackup preferito. Molti saranno anche in grado di includere su ogni pannello fabbricato un coupon di test d'impedenza, che può essere usato 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 seguenti link 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