Fiberweave Effect in High Speed Designs

אלקטרוניקה והנדסת חומרה  |  עולם המקצועי
Fiberweave Effect in High Speed Designs
דודי טש

ה- FR4 בשטח...

החומר הנפוץ ביותר שממנו בנויים רב המעגלים הוא ה- FR4. בניוזלטרים הקודמים דיברנו על תופעות שונות הגורמות לניחות הסיגנלים. ב- FR4 הניחותים והעיוותים של הסיגנל חמורים יותר בהרבה מבחומרים אחרים המיועדים לתדרים גבוהים, אך למרות זאת ה- FR4 ממשיך להיות בשימוש מאסיבי בשל יתרון אחד והוא המחיר.

יתרה מכך, יצרני הצ'יפים משלבים שיטות של Signal Conditioning כמו Pre/De-Emphasis ו- Equalization ע"מ לאפשר את עליית הקצבים על ה- PCB ועדיין להשתמש בחומרים זולים.

 

הכרת מבנה ה- PCB

 

בכדי להבין את היתרונות או החסרונות של ה- FR4, ראשית יש להכיר את מבנה חומר הגלם. כולנו מכירים את יתרונות המעגל המודפס על פני Wire-up לדוגמא. חומר ה- FR4 הפשוט ביותר מורכב ממצע "קשיח" המהווה את שלד חומר הגלם. החומר הקשיח עובר תהליך של ציפוי בחומר אפוקסי (שרף - Resin), והנה יש מצע ל- PCB.

בעבר החומר ה"קשיח" היה מבוסס על נייר או בד. אחת מהבעיות הקשות שהיו עם חומרים אלה היתה חוסר היכולת לקדוח קדחים מיכניים, בגלל בעיית חוזק מיכני של החומר. הדבר הקרוב ביותר לקדח היה ניקוב חורים, אך גם זה היה מוגבל כמובן בקוטר ובאיכות.

ככל שהמעגלים הפכו לצפופים יותר, והקדחים לקטנים יותר, עלה צורך בחומר קשיח. הפתרון היה שימוש בסיבי זכוכית - פיברגלס. החוזק המיכני של החומר הושג ע"י שזירת הסיבים בצורה של שתי וערב.

הפיברגלס הוא חומר זול מאוד בשל השימוש הנפוץ בתחומי התעשיה השונים כמו תעשיית הרכב, הבניה וכו'...


קצת מספרים...

 

שזירת חוטי הפיברגלס יכולה להיעשות בשיטות שונות כמו:

  1. מרווח שונה בין שזירה לשזירה
  2. שימוש במספר שונה של חוטים כ- Bundle
  3. סוג/עובי החוט שמשתמשים בו בשזירה האופקית (Fill - מתאר שזירה אופקית)
  4. סוג/עובי החוט שמשתמשים בן בשזירה אנכית (Warp - מתאר שזירה אנכית)

האיור הבא מתאר שזירות שונות המבוססות על פיברגלס. ניתן לראות כי מתחת לכל תמונה ישנו מספר המתאר את מאפייני השזירה. הטבלה מרכזת נתונים פרמטריים בהתאם.                                   

איור 1 - Fiberglass Fabric Types


 

 איור 1 - Fiberglass Fabric Types

 

תופעת ה- Fiberweave והשלכותיה

 

לפי איור 1, ניתן לראות כי כתוצאה מהשזירה, ישנם איזורים בעלי מקדם דיאלקטרי שונה ב- PCB.

 

מדוע זה חשוב?

 

1. במעגלי High Speed ישנה חשיבות עליונה ל- Controlled Impedance. אם Trace מנותב עובר לסירוגין בין איזורים בעלי
מקדמים דיאלקטריים Er שונים, האימפדנס האופייני שלו ישתנה לסירוגין בכל מעבר מאיזור לאיזור. איזורים אלה הם בעלי
שטח רחב בהרבה מרוחב הסיגנלים המנותבים.
אם לדוגמא נקח את ה- 1080, השטח של ה"משבצות" הנוצרות כתוצאה מהשזירה של הפיברגלס הוא 16.7x21.3 mil,שטח
שוודאי גדול בהרבה מרוחב סיגנל מנותב לרב כ- 5 או 4mil

2. ידוע כי ה- Propagation Delay תלוי ב- Er גם כן. הדבר חשוב במיוחד בניתוב קווים דיפרנציאליים, כאשר אחד מהסיגנלים
מנותב באיזור אחד והשני באחר, דבר שייגרום לעיוות הסיגנל הדיפרנציאלי.  

 

איור 2 - Impedance Changes in Differential Pairs


איור 2 - Impedance Changes in Differential Pairs

 

איור 3 - מראה את התופעה לפי קנה-מידה של Trace ברוחב 5mil


איור 3 - מראה את התופעה לפי קנה-מידה של Trace ברוחב 5mil

 

המלצות לפתרון

 

1. מחקרים שנעשו באינטל מראים כי הטיה של α=1º- 2º תפתור את בעיית ה- Fiberweave, אך בייצור ה- PCB בוצעו מדידות
והתגלו הטיות שזירה בזוויות של כ- 5º. בשך כך, ההמלצה היא לנתב את הקווים בעריכה בהטייה של כ- α=10º.

 

איור 4 - ניתוב קווים בזווית הטייה של 10º


איור 4 - ניתוב קווים בזווית הטייה של 10º

2. במידה ותהיינה בעיות ניתוב לפי השיטה הראשונה, ניתן להתמודד עם בעיית ה- Fiberweave ע"י ביצוע פאנליזציה באותה זווית הטייה של 10º. הבעיה בשיטה זו שהיא מעט בזבזנית בחומר גלם הייצור אך היא תתן מענה איכותי לבעיה.

3. שיטות נוספות מכוסות בקורס המלא שאני מעביר בנושאי High Speed Board Design & Signal Integrity

 

 ביבליוגרפיה:

 

Advanced Glass Reinforcement Technology for Improved Signal Integrity by R.Dudek
DesignCon2007: Fiber Weave Effect by Jeff Loyer, Richard Kunze, Xioaoning Ye
Signal Integrity Simplified by Eric Bogatin
PCIe 2.0 Signal Integrity Considerations (Fiberweave Effect) by Jeff Loyer

 

כל הזכויות שמורות לחברת Dgtronix המשקיעה מאמצים רבים בכתיבת הניוזלטרים.

 

חברת Dgtronix מספקת שירותי פיתוח חומרה ושירותי Turnkey לחברות המובילות בארץ ובעולם.
התכנים מבוססים על הידע הרחב והייחודי שרכשה Dgtronix בפיתוח מגוון רחב של כרטיסים ומערכות עבור לקוחותיה בתחומי Telecom, ASIC Prototyping, Medical ו- .Aerospace & Defense. 

קורסים קשורים
לכל המאמרים