Lösungen für Routing- und Stack-Up-Probleme im Hochfrequenz-PCB-Design

Das Design von Hochfrequenz-PCBs stellt besondere Herausforderungen dar, insbesondere bei Routing und Stack-Up-Konfiguration. Eine sorgfältige Planung und Umsetzung sind entscheidend, um Signalintegrität und optimale Leistung zu gewährleisten. Im Folgenden werden häufige Probleme und Strategien zu deren Lösung erläutert.

Die Signalintegrität hängt in erster Linie mit der Impedanzanpassung zusammen. Faktoren, die die Impedanzanpassung beeinflussen, umfassen die Architektur der Signalquelle, Ausgangsimpedanz, charakteristische Impedanz der Leiterbahn, Lastcharakteristik und Topologie. Lösungen beinhalten Terminierung und Anpassung der Leiterbahntopologie. Hochgeschwindigkeits-Designs sind anfälliger für EMI/EMV; eine verbesserte Layoutgestaltung kann die EMI-EMV-Leistung der PCB verbessern.

Routing-Herausforderungen bei Hochfrequenz-PCBs:

Hochfrequenz-Schaltungen sind sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) und Übersprechen (Crosstalk), was ein präzises Routing erfordert. Schlechtes Routing kann zu Signalverschlechterung, erhöhtem Rauschen und Funktionsproblemen führen. Einige Lösungen sind:

• Impedanzkontrolle: Halten Sie die Leiterbahnimpendanz durch geeignete Leiterbahnbreiten und Abstände entsprechend dem PCB-Material und der Signalfrequenz konstant.

• Übersprechen minimieren: Halten Sie Hochgeschwindigkeitssignale auseinander und verwenden Sie differentielle Paare zur Rauschreduktion.

• Signalreflexion vermeiden: Leiterbahnlängen für differentielle Paare angleichen und ordnungsgemäß terminieren.

• Vias reduzieren: Beschränken Sie die Anzahl der Vias, um Signalverluste und unnötige Verzögerungen zu vermeiden.

Manuelles vs. automatisches Routing für Hochgeschwindigkeitssignale:

Die meisten modernen PCB-Routing-Softwareprogramme verfügen über automatische Router mit konfigurierbaren Einschränkungen zur Steuerung der Routing-Methoden und der Anzahl der Durchkontaktierungen. Die Fähigkeiten der Routing-Engines und die verfügbaren Einschränkungen variieren erheblich zwischen den verschiedenen EDA-Unternehmen. Beispielsweise kann die Möglichkeit zur Steuerung des Serpentinen-Routing-Musters (Zickzack) oder des Abstands zwischen Differentialpaaren unterschiedlich sein.

Diese Variabilität beeinflusst, ob die automatisch gerouteten Leiterbahnen mit den Absichten des Designers übereinstimmen. Darüber hinaus hängt die Einfachheit der manuellen Anpassung eng mit den Fähigkeiten der Routing-Engine zusammen, wie z. B. der Möglichkeit, Leiterbahnen, Durchkontaktierungen oder sogar Leiterbahnen in der Nähe von Kupferfüllungen zu verschieben. Daher ist die Auswahl einer Routing-Engine mit leistungsstarken Funktionen der Schlüssel zur Lösung dieser Probleme.

Tipps für besseres Routing im HF-PCB-Design:

1.  Getrennte analoge und digitale Bereiche: Im Allgemeinen ist es richtig, digitale und analoge Erdungen zu trennen. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass Signalleitungen getrennte Bereiche (Graben) nicht überqueren, und übermäßige Rückstrompfadlängen für Strom und Signale zu vermeiden.

2. Routing von Quarzoszillatoren: Es handelt sich um analoge Oszillationsschaltungen mit positiver Rückkopplung. Um stabile Oszillationssignale zu erzeugen, müssen bestimmte Anforderungen an die Schleifenverstärkung und die Phase erfüllt sein. Diese Oszillationsspezifikationen sind anfällig für Störungen, und selbst das Hinzufügen von Erdungsschutzbahnen kann die Störungen möglicherweise nicht vollständig isolieren. Wenn der Oszillator zu weit entfernt platziert wird, können Störgeräusche auf der Grundplatte die Oszillationsschaltung mit positiver Rückkopplung beeinträchtigen. Daher muss der Quarzoszillator so nah wie möglich am Chip platziert werden.

3. EMI-Reduzierung: Das Grundprinzip lautet, dass Widerstände, Kondensatoren oder Ferritperlen, die zur EMI-Minderung hinzugefügt werden, keine Abweichungen von den elektrischen Eigenschaften des Signals verursachen dürfen. Es ist besser, EMI-Probleme vorrangig durch Routing-Anordnungen und PCB-Lagenstapelungstechniken zu lösen oder zu reduzieren, z. B. durch das Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen auf internen Lagen. Widerstände, Kondensatoren oder Ferritperlen sollten nur als letztes Mittel eingesetzt werden, um die Beeinträchtigung der Signalintegrität so gering wie möglich zu halten.

Was ist Differential Routing?

Bei der Differenzsignalübertragung, auch als Differenzsignale bekannt, werden zwei völlig identische und entgegengesetzt polarisierte Signale zur Übertragung einer Datenmenge verwendet. Die Entscheidung basiert auf der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Signalen. Um sicherzustellen, dass die beiden Signale vollständig konsistent sind, muss die Verlegung parallel verlaufen, mit einheitlicher Leitungsbreite und einheitlichem Abstand.

Das Routing von Differentialpaaren sollte angemessen eng und parallel sein. Der Abstand beeinflusst die Differentialimpedanz, einen kritischen Designparameter. Die Parallelität gewährleistet eine konsistente Differentialimpedanz. Abweichungen im Abstand können zu einer inkonsistenten Differentialimpedanz führen, was sich auf die Signalintegrität und die Zeitverzögerung auswirkt.

Wie führt man Differential-Routing in einem Design durch?

Beim Differentialpaar-Routing sind zwei wichtige Aspekte zu beachten: Es muss sichergestellt werden, dass die Leiterbahnen des Paares gleich lang sind und dass der Abstand zwischen den beiden Leiterbahnen (bestimmt durch die differentielle Impedanz) konstant bleibt. Diese Leiterbahnen sollten parallel verlaufen. Das parallele Routing kann auf zwei Arten umgesetzt werden: nebeneinander auf derselben Schicht oder über-unter auf benachbarten Schichten. Die nebeneinander liegende Methode wird häufiger verwendet.

• Differential-Routing für ein Taktsignal mit einem einzigen Ausgang:  Differential-Routing ist nur sinnvoll, wenn sowohl die Signalquelle als auch der Empfänger Differenzsignale sind. Daher ist es nicht möglich, Differential-Routing für ein Taktsignal mit einem einzigen Ausgang zu verwenden.

• Konzept des Anpassungswiderstands: Ein Anpassungswiderstand wird in der Regel zwischen dem Differenzpaar am Empfänger hinzugefügt. Der Widerstandswert sollte der Differenzimpedanz entsprechen, um die Signalqualität zu verbessern.

• Erdungskabel zwischen Differentialpaar: Im Allgemeinen sollten zwischen Differentialsignalen keine Erdungskabel hinzugefügt werden. Der Hauptvorteil von Differentialsignalen ist nämlich ihre gegenseitige Kopplung, die Vorteile wie Flussausgleich und Störfestigkeit mit sich bringt. Das Hinzufügen von Erdungskabeln in der Mitte würde den Kopplungseffekt stören.

Kupferfüllung in PCB-Layern:

Meistens wird Kupfer in freien Bereichen mit Masse verbunden. Bei Hochgeschwindigkeitssignalen ist der Abstand zu den Leiterbahnen wichtig, da Kupfer die charakteristische Impedanz leicht reduzieren kann. Außerdem darf die Kupferfüllung die Impedanz anderer Layer, z. B. in Dual-Stripline-Konfigurationen, nicht beeinflussen.

1. EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit): Große Masse- oder Versorgungsflächen wirken als Schirmung. Spezielle Masseflächen wie PGND bieten zusätzlichen Schutz.

2. PCB-Herstellungsanforderungen: Kupferfüllungen auf Layern mit wenigen Leiterbahnen erleichtern Beschichtung und verhindern Verformung während des Laminierens.

3. Signalintegritätsanforderungen: Kupferfüllungen sorgen für Rückstrompfade, reduzieren die Notwendigkeit zusätzlicher DC-Leiterbahnen, dienen der Wärmeableitung und erfüllen spezielle Bauteilmontageanforderungen.

Was ist ein „Signal-Rückstrompfad“?

Der Rückstrompfad bezeichnet den Weg, den der Strom zurück zum Treiber nimmt. Bei Hochgeschwindigkeitssignalen fließt der Strom von der Quelle über die Leiterbahn zur Last und zurück über die kürzeste Verbindung durch Masse oder Versorgung.

Dr. Johnson erklärte, dass die Hochfrequenzsignalübertragung im Wesentlichen ein Prozess der Aufladung der Dielektrizitätskapazität zwischen Leiterbahn und DC-Layer ist. Die Signalintegritätsanalyse untersucht die elektromagnetischen Eigenschaften dieses Feldes und deren Kopplung.

Stack-Up-Probleme bei Hochfrequenz-PCBs:

Bei einer 4-Layer-Platine stellt die Definition einer freien Bohrung oder Via als Multilayer sicher, dass sie auf allen Layern erscheint. Wird sie nur für das Top-Layer definiert, erscheint sie ausschließlich dort. Falsche Stack-Ups verschärfen EMI, Impedanzabweichungen und thermische Probleme, die die Leistung der Platine beeinträchtigen. Lösungen:

• Optimieren Sie die Layer-Konfiguration: Verwenden Sie dedizierte Masse- und Versorgungsebenen zur EMI-Abschirmung und zur Erhaltung der Signalintegrität.

• Auswahl des Dielektrikums: Materialien mit niedrigem Verlustfaktor (Df) und stabiler Dielektrizitätskonstante (Dk) verwenden, um Signalverluste zu minimieren.

• Planung der Signallayer: Kritische Hochfrequenzsignale sollten benachbarte Referenzflächen haben, um Rauschen und Crosstalk zu minimieren.

• Thermisches Management: Kupferflächen und thermische Vias zur effizienten Wärmeableitung nutzen.

Beispiel: Leistungsaufnahme auf einer 12-lagigen Leiterplatte mit drei Stromversorgungsebenen (2,2 V, 3,3 V, 5 V):

Die Anordnung der drei Stromversorgungen auf drei separaten Ebenen verbessert die Signalqualität, da eine Ebenenübergreifende Teilung unwahrscheinlich ist. Die Ebenenübergreifende Teilung ist ein kritischer Faktor, der die Signalqualität beeinflusst, obwohl sie von Simulationssoftware in der Regel ignoriert wird. Bei Stromversorgungs- und Masseebenen sind beide für Hochfrequenzsignale gleichwertig.

In der Praxis sollten neben der Signalqualität auch Faktoren wie die Kopplung der Stromversorgungsebenen (Nutzung benachbarter Masseebenen zur Verringerung der Wechselstromimpedanz der Stromversorgungsebenen) und die symmetrische Schichtanordnung berücksichtigt werden.

Wie hilft Stack-Up bei EMI-Reduktion?

EMI muss auf Systemebene angegangen werden; PCB allein kann nicht alle Probleme lösen. Beim Stack-up-Design zur EMI-Reduzierung besteht das Ziel darin, den kürzesten Rückweg für Signale bereitzustellen, den Kopplungsbereich zu minimieren und Differentialmodus-Interferenzen zu unterdrücken.

Darüber hinaus trägt eine enge Kopplung der Masse- und Stromversorgungsschichten, wobei die Stromversorgungsschicht gegenüber der Masseschicht entsprechend zurückgesetzt ist, zur Minderung von Gleichtaktstörungen bei.

Hochfrequenzmaterialauswahl:

Bei der Auswahl des PCB-Materials muss ein Gleichgewicht zwischen den Designanforderungen, der Herstellbarkeit und den Kosten gefunden werden. Zu den Designanforderungen gehören elektrische und mechanische Aspekte. Bei der Entwicklung von sehr schnellen PCBs (Frequenzen über GHz) werden Materialüberlegungen noch wichtiger.

Beispielsweise kann das häufig verwendete Material FR-4 aufgrund dielektrischer Verluste bei Frequenzen von mehreren GHz zu einer erheblichen Signaldämpfung führen, wodurch es ungeeignet ist. Aus elektrischer Sicht müssen die Dielektrizitätskonstante und der dielektrische Verlust des Materials mit der vorgesehenen Frequenz kompatibel sein. Materialien wie FR-4 sind aufgrund ihrer höheren Df- und Dk-Schwankungen für ultrahohe Frequenzen möglicherweise nicht ausreichend. Einige Lösungen für dieses Problem sind:

• Spezialisierte Hochfrequenzlaminate wie Rogers, Isola oder Taconic verwenden.

• Materialkompatibilität mit Fertigungsprozessen prüfen, um Delamination oder Verzug zu vermeiden.

Tipps zur Vermeidung von Hochfrequenzinterferenzen:

Die Grundidee zur Vermeidung von Hochfrequenzstörungen besteht darin, elektromagnetische Feldstörungen durch Hochfrequenzsignale, auch als Übersprechen bezeichnet, zu minimieren. Dies kann durch Vergrößerung des Abstands zwischen Hochgeschwindigkeitssignalen und analogen Signalen oder durch Hinzufügen von Erdungsschutz-/Shunt-Leitungen neben analogen Signalen erreicht werden. Achten Sie außerdem auf Störgeräusche von der digitalen Erdung zur analogen Erdung.

Simulation und Testing:

Hersteller verwenden Röntgenprüfungen, um Probleme wie Ätz- oder Laminierungsfehler zu erkennen. Bei fertigen Leiterplatten nach der SMT-Montage wird in der Regel ICT (In-Circuit Testing) eingesetzt, wobei während des PCB-Designs ICT-Testpunkte hinzugefügt werden müssen. Wenn Probleme auftreten, kann mit speziellen Röntgenprüfgeräten festgestellt werden, ob die Fehler während der Herstellung entstanden sind. Einige Lösungen sind:

• Simulationstools wie HFSS oder ADS zur Modellierung nutzen.

• Signal- und Power-Integrity-Analysen durchführen.

• TDR und VNA für reale Messungen einsetzen.

Sorgfältige Beachtung von Routing- und Stack-Up-Herausforderungen ermöglicht zuverlässige Signalübertragung, minimales Rauschen und konsistente Leistung. Richtige Materialwahl, Layer-Optimierung und gründliche Tests stellen sicher, dass das Design modernen Hochgeschwindigkeitsanforderungen entspricht.

Was sind Test-Coupons?

Test-Coupons werden verwendet, um die charakteristische Impedanz einer hergestellten PCB mit TDR zu prüfen. Kontrollierte Impedanz umfasst Single-Ended-Leitungen und differentielle Paare. Leiterbahnbreite und Abstand auf dem Test-Coupon müssen den kontrollierten Linien auf der PCB entsprechen.

Der kritischste Punkt ist die Lage des Massepunkts während der Messung. Um die Induktivität zu minimieren, sollte der Massepunkt des TDR-Sondenkopfs nah am Messpunkt liegen. Abstand und Methode müssen zum verwendeten Sondenkopf passen.

Testpunkte bei Hochgeschwindigkeitssignalen: Ob die Signalqualität beeinträchtigt wird, hängt davon ab, wie die Testpunkte hinzugefügt werden und wie hoch die Signalgeschwindigkeit ist. Im Allgemeinen können externe Testpunkte (die nicht vorhandene Durchkontaktierungen oder DIP-Pins als Testpunkte verwenden) direkt auf der Leiterbahn oder durch Herausziehen eines kleinen Abzweigs aus der Leiterbahn hinzugefügt werden.

Grundsätzlich sollten Testpunkte so klein wie möglich sein (und dennoch die Anforderungen der Testgeräte erfüllen) und Abzweigungen sollten so kurz wie möglich gehalten werden.

FAQ:

1. Können Sie Bücher und Ressourcen zum Hochgeschwindigkeits-PCB-Design empfehlen?

• „Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic“ von Howard Johnson
• „Signal and Power Integrity – Simplified“ von Eric Bogatin
• „Electromagnetic Compatibility Engineering“ von Henry W. Ott

Diese Bücher behandeln Signalintegrität, EMI und praktische Designstrategien. Online-Ressourcen wie Cadence, Keysight und JLCPCB-Blogs bieten ebenfalls wertvolle Tutorials und Designhinweise.

2. Benötigt das Design von flexiblen und Rigid-Flex-PCBs spezielle Software und Standards?

Ja, für flexible und Rigid-Flex-PCBs werden spezialisierte Softwarelösungen wie Altium Designer, Cadence Allegro oder Mentor Graphics benötigt. Diese Tools unterstützen Funktionen wie Biegesimulationen und Layer-Stack-Up-Konfigurationen. Standards wie IPC-2223 sind wichtig, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten, einschließlich Materialauswahl, Biegetoleranzen und Leiterbahnrouting.