现在但凡打开SoC原厂的PCB Layout Guide,都会提及到高速信号的走线的拐角角度问题,都会说高速信号不要以直角走线,要以45度角走线,并且会说走圆弧会比45度拐角更好。狮屎是不是这样?PCB走线角度该怎样设置,是走45度好还是走圆弧好?90度直角走线到底行不行?这是老wu经常看见广大 PCB Layout 拉线菌热议的话题。
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大家开始纠结于pcb走线的拐角角度,也就是近十几二十年的事情。上世纪九十年代初,PC界的霸主Intel主导定制了PCI总线技术(当时的老wu很感谢Intel发布了PCI接口,正是有了PCI总线接口的带宽提升,包括后来的AGP总线接口,才诞生了像 3DFX VOODOO 巫毒这样的显卡,老wu在当时也第一次体验到了古墓丽影 劳拉 的风采,还有暴爽的极品飞车2、经典的雷神之锤等等,回想起来,正是有了3D游戏等多媒体应用的市场需求,才促进了PC的技术的发展,包括后来的互联网及智能手机的普及。)似乎从PCI接口开始,我们开始进入了一个“高速”系统设计的时代,20世纪90年代以后,正是有了一帮类似老wu这样的玩家对3D性能的渴望,使得相应的电子设计和芯片制造技术能够按照摩尔定律往前发展,由于IC制程的工艺不断提高,IC的晶体管开关速度也越来越快,各种总线的时钟频率也越来越快,信号完整性问题也在不断的引起大家的研究和重视。比如现在人们对4K高清家庭影音视频的需求,HDMI2.0传输标准速率已经达到了 18Gbps !!!
在老wu诞生之前,pcb拉线菌应该还是比较单纯的同学,把线路拉通,撸顺,整洁美观即可,不用去关注各种信号完整性问题。比如下图所示的 HP 经典的 HP3456A 六位半万用表的电路板所示,大量的90°角走线。
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高速信号线拐一下90°真的会怀孕?狮屎是不是这样的?老wu这里以自己肤浅的撸线姿势,跟大家探讨一下关于高频/高速信号的走线拐角角度问题。我们从锐角到直角、钝角、圆弧一直到任意角度走线,看看各种走线拐角角度的优缺点。
PCB 能不能以锐角走线
PCB能不能以锐角走线,答案是否定的,先不管以锐角走线会不会对高速信号传输线造成负面影响,单从PCB DFM方面,就应该避免出现锐角走线的情形。
因为在PCB导线相交形成锐角处,会造成一种叫酸角“acid traps”的问题,啥?酸豆角?好吧,老wu挺喜欢酸豆角拌面,但是这里的pcb上的酸角却是个令人讨厌的东西。在pcb制板过程中,在pcb线路蚀刻环节,在“acid traps”处会造成pcb线路腐蚀过度,带来pcb线路虚断的问题。虽然,我们可以借助CAM 350 进行DFF Audit自动检测出“acid traps”潜在问题,避免在PCB在制造产生时产生加工瓶颈,如果PCB板厂工艺人员检测到有酸角(acid trap)存在,他们将简单地贴一块铜到这个缝隙中,好吧,老wu觉得,很多板厂的工程人员他们其实并不懂layout的,他们只是从PCB工程加工的角度进行了修复酸角(acid trap)的问题,但这种修复会不会带来进一步的信号完整性问题便不得而知了,所以我们在layout是就应该从源头去尽量避免产生酸角(acid trap)。
怎样避免拉线时出现锐角,造成acid trap DFM 问题?现代的EDA设计软件(如Cadence Allegro、Altium Designer等)都带有了完善的Layout走线选项,我们在layout走线是,灵活运用这些辅助选项,可以极大的避免我们在layout时产生产生“acid trap”现象
焊盘的出线角度设置 避免导线与焊盘形成锐角角度的夹角
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利用 Cadence Allegro 的 Enhanced Pad Entry 功能能够让我们在layout时尽可能的避免导线与焊盘在出线时形成夹角,避免造成“acid traps”DFM问题。
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避免两条导线交叉形成锐角夹角
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灵活应用 Cadence Allegro 布线时切换 ” toggle “ 选项,可以避免导线拉出T型分支时形成锐角夹角,避免造成“acid traps”DFM问题。
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Cadence Allegro 避免走线出现acid trap操作技巧视频
pcb layout能不能以90°走线
高频高速信号传输线应避免以90°的拐角走线,是各种PCB Design Guide中极力要求的,因为高餺高速信号线总是沿着阻抗最低的路径传输,如果绕等长的线间距太近,由于线间的寄生电容,高速信号走了捷径,就会出现等长不准的情况。现代的EDA软件的绕线规则都可以很方便的设置相关的绕线规则。
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以 arc 弧形走线
如果不是技术规范明确要求要以弧形走线,或者是rf微波传输线,老wu个人觉得,没有必要去走弧形线,因为高速高密度pcb的layout,大量的弧形线后期修线非常麻烦,而且大量的弧形走线也比较费空间。
对于类似USB3.1或HDMI2.0这样的高速差分信号,老wu认为还是可以走下圆弧线装下逼的,O(∩_∩)O~
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当然,对于RF微波信号传输线,还是优先走圆弧线,甚至是要走“采用 45° 外斜切”线走线
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下图为射频信号传输线圆弧走线与45度角走线发射功率实测的对比结果,狮屎可以证明,高频信号圆弧走线的确由于45°角走线。
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以任意角度走线
随着4G/5G无线通讯技术的发展和电子产品的不断升级换代,目前PCB数据接口传输速率已高达10Gbps或25Gbps以上,且信号传输速率还在不断的朝着高速化方向发展。随着信号传输的高速化、高频化发展,对PCB阻抗控制和信号完整性提出了更高的要求。对于PCB板上传输的数字信号来说,电子工业界应用的包括FR4在内的许多电介质材料,在低速低频传输时一直被认为是均匀的。但当系统总线上电子信号速率达到Gbps级别时,这种均匀性假设不再成立,此时交织在环氧树脂基材中的玻璃纤维束之间的间隙引起的介质层相对介电常数的局部变化将不可忽视,介电常数的局部扰动将使线路的时延和特征阻抗与空间相关,从而影响高速信号的传输。基于FR4测试基板的测试数据表明,由于微带线与玻纤束相对位置差异,导致测量所得的传输线有效介电常数波动较大,最大、最小值之差最大可以达到△εr=0.4。尽管这些空间扰动看上去较小,它会严重影响数据速度为5-10Gbps的差分传输线。
在一些高速设计项目中,为了应对玻纤效应对高速信号的影响,我们可以采用zig-zag routing布线技术以减缓玻纤效应的影响。
Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 及后续版本带来了对zig-zag布线模式的支持。
在 Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 菜单中选择”Route -> Unsupported Prototype -> Fiber Weave Effect” 打开zig-zag routing功能。
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岁月是把杀猪刀
正如二十年前我们pcb layout不用关注是否要走弧形线,不用担心pcb板材玻璃纤维对高速信号的影响一样。可能二十年后您再看这篇文字,会觉得老wu说的观点相当的out…
所以,不存在一成不变的pcb layout规则,随着pcb制造工艺的提升和数据传输速率的提高,有可能现在正确的规则在将来将变得不再适用。所以最为一枚合格的拉线菌,一定要与时俱进,掌握产业技术方向的发展,才能不被大浪淘沙所淘汰。
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