【华秋干货铺】PCB 布线技巧升级:高速信号篇
如下表所示,接口信号能工作在 8Gbps 及以上速率,由于速率很高,PCB 布线设计要求会更严格,在前几篇关于 PCB 布线内容的基础上,还需要根据本篇内容的要求来进行 PCB 布线设计。
高速信号布线时尽量少打孔换层,换层优先选择两边是 GND 的层面处理。尽量收发信号布线在不同层,如果空间有限,需收发信号走线同层时,应加大收发信号之间的布线距离。
针对以上高速信号还有如下方面的要求:
01
BGA 焊盘区域挖参考层
如果接口的工作速率≥8Gbps,建议在 BGA 区域,挖掉这些信号正下方的 L2 层参考层,以减小焊盘的电容效应,挖空尺寸 R=10mil。
如果接口的工作速率<8Gbps,例如 DP 接口只工作在 5.4Gbps,那么不用挖 BGA 区域的参考层,如下图所示。
02
避免玻纤编织效应
PCB 基板是由玻璃纤维和环氧树脂填充压合而成。玻璃纤维的介电常数大约是 6,树脂的介电常数一般不到 3。在路径长度和信号速度方面发生的问题,主要是由于树脂中的玻璃纤维增强编织方式引起的。
较为普通的玻璃纤维编织中的玻璃纤维束是紧密绞合在一起的,因此束与束之间留出的大量空隙需要用树脂填充,PCB 中的平均导线宽度要小于玻璃纤维的间隔,因此一个差分对中的一条线可能有更多的部分在玻璃纤维上、更少的部分在树脂上,另一条线则相反(树脂上的部分比玻璃纤维上的多)。这样会导致 D+和 D-走线的特性阻抗不同,两条走线的时延也会不同,导致差分对内的时延差进而影响眼图的质量。
当接口的信号速率达到 8Gbps,且走线长度超过 1.5inch,需谨慎处理好玻纤编织效应。建议采用以下方式之一来避免玻纤编织效应带来的影响。
方式一:改变走线角度,如按 10°~ 35°,或 PCB 生产加工时,将板材旋转 10°以保证所有走线都不与玻纤平行,如下图所示。
方式二:使用下图走线,则 W 至少要大于 3 倍的玻纤编织间距,推荐值 W=60mil,θ=10°,L=340mil。
03
差分过孔建议
1、高速信号尽量少打孔换层,换层时需在信号孔旁边添加 GND 过孔。地过孔数量对差分信号的信号完整性影响是不同的。无地过孔、单地过孔以及双地过孔可依次提高差分信号的信号完整性。
2、选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的 PCB 设计来说,选用 0.25mm/0.51mm/0.91mm(钻孔/焊盘/POWER 隔离区)的过孔较好;对于一些高密度的 PCB 也可以使用 0.20mm/0.46mm/0.86mm 的过孔,也可以尝试盲埋孔设计。
3、过孔中心距的变化,对差分信号的信号完整性影响是不同的。对于差分信号,过孔中心距过大或过小,均会对信号完整性产生不利影响。
4、如果接口的工作速率≥8Gbps,那么这些接口差分对的过孔尺寸建议根据实际叠层进行仿真优化。
以下给出基于 EVB 一阶 HDI 叠层的过孔参考尺寸:
R_Drill=0.1mm (钻孔半径)
R_Pad=0.2mm (过孔焊盘半径)
D1:差分过孔中心间距
D2:表层到底层的反焊盘尺寸
D3:信号过孔与回流地过孔的中心间距
04
耦合电容优化建议
1、耦合电容的放置,按照设计指南要求放置。如果没有设计指南时,若信号是 IC 到 IC,耦合电容靠近接收端放置;若信号是 IC 到连接器,耦合电容请靠近连接器放置。
2、尽可能选择小的封装尺寸,减小阻抗不连续。
3、如果接口的信号工作速率≥8Gbps,那么这些接口的差分隔直电容建议按如下方式进行优化:
1)根据接口选择挖空一层或者两层地平面,如果挖空电容焊盘正下方 L2 地参考层,需要隔层参考,即 L3 层要为地参考层;
2)如果挖空 L2 和 L3 地参考层,那么 L4 层要为地参考层。挖空尺寸需根据实际叠层通过仿真确定;以下给出基于 EVB 一阶 HDI 叠层的参考尺寸。
【注】D1:差分耦合电容之间的中心距;L:挖空长度;H:挖空宽度。
4、在耦合电容四周打 4 个地通孔以将 L2~L4 层的地参考层连接起来,如下图所示。
05
ESD 优化建议
1、ESD 保护器件的寄生电容必须足够低,以允许高速信号传输而不会降级。
2、ESD 需放置在被保护的 IC 之前,但尽量与连接器/触点 PCB 侧尽量靠近;放置在与信号线串联任何电阻之前;放置在包含保险丝在内的过滤或调节器件之前。
3、如果接口的信号工作速率≥8Gbps,那么这些接口的差分对 ESD 器件建议按以下方式优化。挖空 ESD 焊盘正下方 L2 和 L3 地参考层,L4 层作为隔层参考层,需要为地平面。挖空尺寸需结合 ESD 型号并根据实际叠层通过仿真确定。
以下给出基于基于 EVB 一阶 HDI 叠层的所用 ESD 型号为 ESD73034D 的参考尺寸:
4、同时在每个 ESD 四周打 4 个地通孔,以将 L2~L4 层的地参考层连接起来,如下图所示。
06
连接器优化建议
1、在连接器内走线要中心出线。如果高速信号在连接器有一端信号没有与 GND 相邻 PIN 时,设计时应在其旁边加 GND 孔。
2、如果接口的信号工作速率≥8Gbps,那么这些接口的连接器要能符合相应的标准要求(如 HDMI2.1/DP1.4/PCI-E3.0 协议标准)。推荐使用这些厂商的连接器:Molex、Amphenol、HRS 等等。
3、根据接口选择挖空一层或者两层地平面,如果挖空连接器焊盘正下方的 L2 地参考层,需隔层参考,即 L3 层要作为地参考层;如果挖空 L2 和 L3 的地参考层,那么 L4 层需要为地平面,作为隔层参考层。挖空尺寸需结合连接器型号并根据实际叠层通过仿真确定。
4、建议在连接器的每个地焊盘各打 2 个地通孔,且地孔要尽可能靠近焊盘。
以下给出基于 EVB 一阶 HDI 叠层的挖空参考尺寸:
连接器推荐布线方式:
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