그만큼 “보이지 않는 살인자” 뒷길이 매칭: 정말로 DDR을 올바르게 라우팅하고 있습니까??

소개: 완벽한 길이 일치의 오류

에서 PCB 설계 지역 사회, 위험한 신화가 지속된다: “트레이스 길이를 일치시키세요, 타이밍 문제가 사라집니다.” 많은 엔지니어들이 DDR을 라우팅하고 있습니다., PCIE, 또는 구불구불한 미학에 집착하는 다른 고속버스. 그들은 물리적 길이 오류가 다음 범위에 속할 때를 축하합니다. 5 밀. 그러나 시스템 클럭이 GHz 범위에 들어가고 데이터 속도가 Gbps 임계값을 초과하는 경우, 답답한 현상이 나타난다. 물리적 길이가 완벽하게 일치합니다.. 그러나 신호 타이밍이 표류합니다.. 아이 다이어그램이 닫힙니다..

이번 실패는 노력 부족이 아니다.. 눈에 보이지 않는 킬러의 작품이다. 그 안에 숨어있는 물리적인 효과 PCB 라미네이트, 칩 패키지, 그리고 구리 표면. 오늘, 우리는 고속 길이 매칭에서 가장 간과되는 5가지 함정을 분석합니다..

1. 내부 코너 효과와 스킨 효과: 전자가 내부 차선을 차지하는 이유

고전적인 시뮬레이션을 고려해보세요. 두 개의 신호 트레이스가 정확하게 측정합니다. 100 밀. 하나는 직선. 그 외 구불구불한. 어떤 신호가 수신기에 먼저 도착합니까?? 직관은 직선이 이긴다고 제안한다. 다른 사람들은 동일한 길이가 동일한 도착 시간을 의미한다고 가정합니다.. 시뮬레이션은 그렇지 않다는 것을 증명합니다: 구불구불한 흔적이 승리합니다.

왜 이런 일이 발생합니까??

고주파에서, 신호 전송은 단순한 전자 드리프트가 아닙니다.. 전자파 전파이다. 주파수가 상승함에 따라, 전자는 숙련된 경주용 자동차 운전자처럼 행동합니다. 가장 낮은 임피던스의 경로인 내부 차선을 자동으로 찾습니다.. 너비가 유한한 트레이스의 경우, 전자기장은 각 굽힘의 내부 가장자리를 따라 전류를 집중시킵니다.. 이것 “내부 코너 효과” 기하학적 중심선에 비해 실제 전기 경로가 단축됩니다..

이것이 스킨 효과의 실제 모습입니다. 전자기 이론에 따르면, 교류는 주파수가 증가함에 따라 도체 표면에 집중됩니다.. 피부 깊이 (디) 이 침투를 결정합니다.

공식: δ = √(아르 자형 / 오전)

• 저주파에서, 전류는 전체 구리 단면을 채웁니다..

• ~에 5 GHz, 전류는 구리 표면의 몇 마이크로미터 내에서만 흐릅니다..

이것은 무엇을 의미합니까?? 구리 두께를 증가시키면 2 더 낮은 DC 저항을 위한 온스, 고주파 신호는 노력을 무시합니다. 그들은 단지 표면만을 사용합니다. 더 넓은 트레이스는 더 짧은 시간을 제공합니다. “내부 차선 지름길” 굽은 곳에서, 더 큰 타이밍 오류 생성. 초고속 설계로, 지나치게 넓은 흔적은 길이가 일치하는 악몽이 됩니다..

2. 칩 내부: 패키지에 숨겨진 길이

우리는 매 밀리미터 단위로 측정합니다. PCB 캘리퍼스나 소프트웨어로 추적. 그러나 칩을 떠나기 전과 칩에 들어간 후에 신호가 이동하는 거리를 설명할 수 있습니까?? 핀 딜레이입니다.

칩 패키지 열기. 내부에, 다이는 미세한 본딩 와이어를 통해 핀이나 볼에 연결됩니다.. BGA 패키지, 볼이 전체 바닥 표면을 덮는 동안 다이는 중앙에 위치합니다.. 본드 와이어의 길이는 매우 다양합니다.. 하나의 신호는 짧은 와이어를 통해 다이 가장자리에서 볼 A1로 이동할 수 있습니다.. 다른 하나는 다이 중심 근처에서 시작되어 복잡한 내부 트레이스를 통해 Ball B23으로 연결될 수 있습니다..

Intel과 같은 칩 제조업체는 타이밍 제약 문서에 명확하게 명시되어 있습니다.: I/O 타이밍 계산 (tSU, tH) 코어 로직에서 패키지 핀까지의 내부 지연을 포함해야 합니다..

올바른 길이 방정식은 다음과 같습니다.:
L1 (칩 A의 내부 지연) + L2 (PCB 트레이스) + L3 (칩 B의 내부 지연) = 상수

만약에 PCB 레이아웃 엔지니어는 L1과 L3의 변형을 무시하고 L2만 일치시킵니다., 신호는 완벽하게 일치하는 보드 트레이스에서도 서로 다른 시간에 다이에 도착합니다.. 전문 시뮬레이션 도구 및 턴키 설계 (MTK 참조 레이아웃과 같은) 이러한 내부 차이를 설명하기 위해 정확하게 존재합니다.. 엔지니어가 참조 위치를 복사하도록 강제하면 전체 지연 일치가 보장됩니다..

3. 비아 효과: 레이어 간 임피던스 트랩

다층 디자인에서, 비아는 불가피하다. 그러나 비아는 전송선에서 가장 일반적인 임피던스 불연속성을 나타냅니다.. 연구에 따르면 기생 성분을 통해 신호 품질이 심각하게 저하되는 것으로 나타났습니다..

주요 기생 요소:

• 기생 용량: 비아 패드와 안티 패드 사이에 형성됨.
  대략적인 공식: c = 1.41 * 이자형 * 티 * D1 / (D2 – D1)
  이렇게 하면 상승 에지가 느려지고 지연이 늘어납니다..

• 기생 인덕턴스: 비아 구조에 내재되어 있음.
  대략적인 공식: L = 5.08h * [ln(4시간/일) + 1]
  이는 동시 스위칭 노이즈의 원인이 됩니다. (사회보장번호) 그리고 파워 레일 소음.

더 깊은 문제: 스텁 및 비기능성 패드. Layer에 신호가 들어올 때 1 레이어에서 종료됩니다. 3, 레이어의 사용되지 않은 비아 부분 3 레이어로 8 스텁이 된다. 이 스텁은 고속에서 안테나 역할을 합니다., 반사 생성. 백 드릴링으로 과도한 스터브 재료 제거. 그러나 사용하지 않는 레이어의 작동하지 않는 패드로 인해 발생하는 추가 지연을 고려하는 엔지니어는 거의 없습니다..

모범 사례: DQS 및 DQ와 같은 고속 그룹의 경우, 동일한 레이어 수와 비아 수를 적용합니다.. 단지 길이를 맞추기 위해 비아를 추가하지 마십시오. 임피던스 불연속성은 몇 밀리 길이의 불일치보다 더 빠르게 신호 무결성을 파괴합니다..

4. 레이어 간 속도 차이: 표면이 정말 빠른가요??

여기에 고전적인 오해가 있습니다.: “표면 추적이 더 빠릅니다.” 진실은 유전율에 있다.

신호 속도 (다섯) PCB의 유전율은 유전 상수에 의해 결정됩니다. (~이다):
V = C / √어

여기서 C는 빛의 속도입니다. (~11.8인치/ns 또는 300,000,000 밀리미터/초).

• 내부 레이어 (스트립 라인): FR4에 완전히 내장된 신호. FR4 Er 범위는 다음과 같습니다. 4.2 에게 4.5. 속도는 광속의 약 절반이다.: 5.5–6인치/ns.

• 외층 (마이크로 스트립): 신호는 한쪽이 FR4를 향하고 있습니다., 공기 (=1) 다른 한편으로는. 이는 “유효 유전 상수” (에레프) FR4의 명목 가치보다 낮음. 결과: 더 빠른 전파, 일반적으로 6.5~7인치/ns.

DDR 데이터 버스가 외부 레이어 트레이스와 내부 레이어 트레이스를 혼합하는 경우, 물리적 길이가 완벽하게 일치하더라도 상당한 타이밍 왜곡이 발생합니다.. 이 속도 차이는 전파 지연 규칙을 통해 보상되어야 합니다., 단순한 길이 매칭이 아닌.

5. 유리 직조 효과: 보이지 않는 유전체 움푹 들어간 곳

마지막으로, 시뮬레이션으로도 포착하기 어려운 미세한 살인자: 유리 직조 효과. FR4는 균질하지 않습니다.. 에폭시수지를 함침시킨 직조된 유리섬유입니다.. 유리섬유는 유전율이 높다 (~6). 에폭시 수지는 훨씬 낮습니다. (~3).

고속 추적 경로가 유리 섬유 번들 위로 직접 이동하는 경우, 그 아래의 유전 상수는 트레이에 있는 트레이스와 극적으로 다릅니다. “에폭시가 풍부한” 영역. 이로 인해 동일한 버스 전반에 걸쳐 전파 속도에 작지만 중요한 변화가 발생합니다.. 평행 트레이스 - 유리 위에 하나, 에폭시 위에 하나 - 다른 시간에 도착 .

솔루션:

1. 더 나은 재료: 보다 균일한 유전체 분포를 위해 확산 유리 또는 평면 유리 고속 라미네이트를 사용하십시오..

2. 각도 라우팅: 중요한 버스를 각도로 라우팅 (10° 또는 45°) 유리 직조 그리드와 정렬되지 않도록 .

결론: 트레이스 아티스트에서 타이밍 닥터까지

현대의 고속 PCB 설계 진화했다. “길이 매칭” 더 이상 기하학적 인종이 아닙니다.. 재료 과학을 포함하는 복잡한 최적화입니다., 전자기장 이론, 반도체 패키징. EDA 길이 판독에만 의존하는 것은 시각 장애인과 코끼리와 같습니다..

진정한 신호 무결성에는 “총 지연” 사고방식. 칩 내부 지연 포함, 스텁을 통해, 계산 시 레이어 간 재료 차이. 설명할 수 없는 타이밍 문제가 발생할 때, 그리기 그만해. 더 깊은 물리적 효과를 조사해 보세요..

당신이 필요로하는 경우 PCB 공급업체 이러한 복잡성을 마스터하는 사람 또는 다음 고속 프로젝트에 전문 제조 및 설계 지원에 대한 견적이 필요한 경우 당사 엔지니어링 팀에 문의하십시오.. 우리는 단지 보드를 만드는 것이 아닙니다. DC에서 GHz까지의 신호 전송 문제를 해결합니다..