Fiber-Weave-Skew abmildern: Spread Glass, NE-Glas und Routing-Techniken

Peer-Review durch Bill Hargin von Z-Zero, LLC

Das Wichtigste in Kürze

Fiber-Weave-Skew lässt sich über das Laminat, über das Routing oder über beides verringern. Auf Materialebene stehen dichtere Glasgewebetypen, mechanisch gespreiztes Glas (Spread Glass), Glas mit niedriger Dielektrizitätskonstante (Low-Dk-Glas) wie NE-Glas sowie zwei oder mehr Glasgewebelagen zur Wahl. Beim Routing sind es die Anpassung des Paarabstands an den Bündelabstand des Glasgewebes, schräges Routing, Zickzack-Routing, das Drehen des Kupferbilds gegenüber dem Laminat und Jogged Routing. Die meisten dieser Techniken sind Teillösungen, deren Wirksamkeit von Frequenz, Leitungslänge und verfügbarem Skew-Budget abhängt, weshalb Entwickler sie oft kombinieren. Bei Datenraten über 56 Gbit/s, etwa bei 112G PAM4 und PCIe Gen6, wird NE-Glas in Kombination mit Spread Glass unverzichtbar, und schräges Routing kann trotzdem nötig sein, um enge Skew-Grenzen einzuhalten.

• Skew kann die halbe Bitperiode aufzehren. Bei einer Skew-Rate von 3 ps/Zoll kommt ein 15 bis 20 Zoll langes differenzielles Paar mit 45 bis 60 ps Skew an, also mit etwa der Hälfte des 100-ps-Unit-Intervals eines 10-Gbit/s-Signals.
• Die Angabe des Glasgewebetyps allein kontrolliert den Skew nicht. Für das mechanische Spreizen von Glasgewebe gibt es keinen Industriestandard. Derselbe Spread-Typ kann daher je nach Laminathersteller auf einer 14-Zoll-Leiterbahn nur 4 ps oder aber bis zu 62 ps Skew erzeugen. Legen Sie neben dem Gewebetyp auch den Laminathersteller fest oder prüfen Sie ihn.
• Die Gewebewahl richtet sich nach Datenrate und Via-Typ. Ein dichteres Gewebe wie 2116 ist günstiger und auf kurzen Leiterbahnen ohne Laser-Microvias bis 10 Gbit/s in der Regel unbedenklich. Spread Glass wie 1067 oder 3313 ist oberhalb von 10 Gbit/s und für HDI-Lagenaufbauten mit lasergebohrten Microvias vorzuziehen.
• NE-Glas verkleinert die Dk-Lücke zwischen Glas und Harz. Low-Dk-Glas senkt die Dk der Glasfilamente von etwa 6,6 auf 4,4 und bringt sie damit näher an die des Harzes. Es ist teurer, weniger Leiterplattenhersteller halten es vorrätig, und es wirkt am besten in Kombination mit Spread Glass.
• Jede Routing-Technik hat ihren Preis. Die Pitch-Anpassung setzt den Leiterbahnabstand auf ein ganzzahliges Vielfaches des Glasbündelabstands, reagiert aber empfindlich auf Registrierungsfehler und nicht quadratische Gewebe. Schräges Routing mit 7 bis 10 Grad mittelt die Dk, die jede Leiterbahn sieht, benötigt aber Platinenfläche und kann Einbrüche in der Einfügedämpfung verursachen. Zickzack-Routing hält ICs auf einer Standardachse ausgerichtet, bringt aber Knickpunkte und zusätzliche Länge mit sich.

Nachdem die vorherigen Artikel den Fiber-Weave-Effekt und seine Modellierungsmethoden vorgestellt haben, wendet sich dieser letzte Teil praktischen Gegenmaßnahmen zu. Um die Größenordnung des Skews einzuordnen, betrachten wir ein differenzielles Paar mit 15 bis 20 Zoll Länge, wie es in kommerziellen Produkten häufig vorkommt. Bei einer Skew-Rate von 3 ps/Zoll treffen das positive und das negative Signal mit 45 bis 60 ps Abstand am Empfänger ein. Bei einem gewöhnlichen 10-Gbit/s-Signal, dessen Unit Interval (UI) 100 ps beträgt, verbraucht dieser Skew etwa die halbe Bitperiode, verengt die Timing-Reserven und löst Bitfehler aus. Bei höheren Datenraten verschärft sich die Lage, weil das Unit Interval weiter schrumpft. Gegenmaßnahmen gegen Skew lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Lösungen auf Materialebene und Routing auf Leiterplattenebene. Wir beginnen mit Ersteren, genauer mit dem Webtyp des Glasgewebes.

Die Rolle der Glasgewebetypen

Gegen Fiber-Weave-Skew (FWS) ist die einfachste Lösung auf Materialebene ein dichterer Glasgewebetyp. Gewebtes Glasfasergewebe besteht aus einem ineinandergreifenden Raster von Garnsträngen entlang zweier senkrecht zueinander stehender Achsen. Die Richtung, in der die Bündel straff gehalten werden, ist die Kettrichtung (Warp bzw. Grain), und die Richtung, in der die querliegenden Bündel eingewebt werden, ist die Schussrichtung (Weft bzw. Fill).

Da Garnstärke, Fadenzahl und Flächengewicht von Gewebe zu Gewebe variieren können, vergibt IPC-4412 für jede Kombination eine eigene Typnummer, etwa 106, 1080 oder 2116. Abbildung 2 zeigt einige dieser Gewebetypen.

Der physische Abstand zwischen den Garnbündeln hängt stark vom gewählten Typ ab. Mit dichteren Glasgewebetypen lässt sich der dielektrische Übergang entlang der Übertragungsleitung glätten, sodass lokale Dk-Schwankungen und damit der Skew geringer ausfallen.

Mechanisches Spreizen des Glasgewebes

Herkömmliche Glasgewebe (etwa 106 oder 1080) haben eng gebündelte Faserstränge, die durch große Harztaschen getrennt sind. Um diese Lücken zu verkleinern und Intra-Pair-Skew zu verringern, flachen Laminathersteller die Bündel vor der Harzimprägnierung mechanisch ab, mit Hochdruck-Wasserstrahlen, Ultraschall oder mechanischen Walzen.

Neben dem geringeren Skew ermöglicht Spread Glass auch sauberere lasergebohrte Vias, da seine gleichmäßige Zusammensetzung die Harztaschen minimiert, die ungleichmäßiges Bohren und Metallisierungsfehler verursachen.

Spread Glass hat allerdings einen Haken. Ein bestimmter Spread-Typ wie 3313 wird nicht von jedem Hersteller gleich gefertigt, weil kein Industriestandard das genaue Verfahren oder die Qualität des mechanischen Spreizens regelt. Abbildung 4 zeigt die Nennmaße zweier Laminathersteller und macht Unterschiede in der Faserbreite infolge unterschiedlich starken Spreizens sichtbar.

Diese Streuung bedeutet, dass das Skew-Verhalten von Hersteller zu Hersteller stark schwanken kann. So kann eine 14-Zoll-Leiterbahn mit einem bestimmten Spread-Typ eines Herstellers einen geringen Skew von 4 ps aufweisen, während derselbe Glastyp eines anderen Herstellers auf derselben Strecke bis zu 62 ps Skew erzeugt (Knack 2019).

Sie können also nicht einfach „3313 Spread Glass“ in Ihre Fertigungshinweise schreiben und davon ausgehen, dass Ihre Hochgeschwindigkeitssignale sicher sind. Schlimmer noch: Wechselt Ihr Leiterplattenhersteller mitten in der Produktion aus Kostengründen den Lieferanten, kann Ihr Layout plötzlich und unerwartet versagen, ohne dass sich am Schaltplan etwas geändert hat. Allgemeine Angaben zum Glasgewebetyp reichen deshalb nicht aus, um Skew zu begrenzen; Signalintegrität bei hohen Geschwindigkeiten erfordert, den Laminathersteller ausdrücklich festzulegen oder zu prüfen.

Wie schneidet also ein dichtes, nicht gespreiztes Gewebe im Vergleich zu Spread Glass ab? Bei der Laminatauswahl müssen Entwickler die strukturellen und kostenseitigen Unterschiede zwischen einem dichteren herkömmlichen Gewebe und mechanisch gespreiztem Glas abwägen. Ein dichteres Gewebe (etwa 2116) verringert Harztaschen, indem es mehr Garnstränge pro Zoll unterbringt, während Spread Glass (etwa 1067 oder 3313) diese Bündel abflacht und verbreitert und die Lücken so deutlich verkleinert. Tabelle 1 vergleicht beide Strategien, damit Sie die passende für Ihr Design wählen können.

Tabelle 1: Dichte Gewebe im Vergleich zu Spread Glass.

Greifen Sie standardmäßig zu einem dichteren herkömmlichen Gewebe, wenn Sie an kostenbewussten Standarddesigns arbeiten (etwa PCIe Gen 3), bei denen die Leiterbahnen kurz sind und keine Laser-Microvias benötigt werden. Wechseln Sie zu Spread Glass, sobald Ihr Design in sehr hohe Datenraten vordringt (etwa PCIe Gen 5/6, DDR5/DDR6 oder 112G SerDes) oder einen Lagenaufbau mit High-Density-Interconnect (HDI) nutzt, der auf lasergebohrte Blind- und Buried-Microvias angewiesen ist. Das Spreizen verkleinert die harzreichen Lücken zwar deutlich, beseitigt sie aber nicht vollständig. Das Material bleibt ein Verbund aus Glasfilamenten und Harz. Deshalb können zusätzliche Gegenmaßnahmen oder eine Kombination davon weiterhin nötig sein.

Low-Dk-Glas

Low-Dk-Glas (oft als L-Glas oder NE-Glas bezeichnet) gehört zu den wirksamsten Lösungen des Skew-Problems auf Materialebene. Low-Dk-Glasfaserrezepturen senken die Dk der Glasfilamente von etwa 6,6 auf 4,4. Weil die Dielektrizitätskonstante der Glasfasern damit viel näher an der des Harzes liegt, entsteht im Laminat eine sehr gleichmäßige elektrische Umgebung. Das minimiert Unterschiede in der Ausbreitungsgeschwindigkeit, unabhängig davon, wie die Leiterbahnen zum Gewebe ausgerichtet sind. Tabelle 2 vergleicht Standard-E-Glas (das herkömmliche Material mit hoher Dk) mit NE-Glas.

Low-Dk-Glas bietet klare Vorteile für Hochgeschwindigkeitsdesigns, besonders sobald die Datenraten über 25 Gbit/s steigen. Es verringert den Skew deutlich, ohne auf die später besprochenen aufwendigen Routing-Techniken zurückzugreifen, etwa Zickzack-Routing oder winkelbasierte Verfahren, die zusätzliche Platinenfläche kosten. Die Nachteile sind Kosten und Verfügbarkeit: Low-Dk-Laminate sind deutlich teurer, und viele Leiterplattenhersteller halten diese speziellen Glastypen nicht vorrätig, was die Lieferzeiten verlängern kann. Entscheidend ist, dass Low-Dk-Glas oft mit Spread Glass kombiniert wird; ohne gespreizte Bündel bleiben harzreiche Lücken bestehen, die den Nutzen für die Skew-Reduzierung begrenzen.

Zwei oder mehr Glasgewebelagen

Zwei oder mehr Lagen Glasgewebe einzusetzen ist eine sehr wirksame konstruktive Technik, um Fiber-Weave-Skew in Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu verringern. Statt die angestrebte Dielektrikumsdicke mit einer einzelnen dicken Glasgewebelage zu erreichen, spezifizieren Entwickler zwei oder mehr dünnere Laminatlagen (z. B. zwei Lagen 106- oder 1067-Glas statt einer Lage 2116 oder 7628). Da die Glasgarne jeder Lage unabhängig gewebt sind, liegen ihre Webmuster beim Stapeln nicht exakt übereinander. Das Ergebnis ist eine gleichmäßigere dielektrische Umgebung und damit weniger Skew.

Der Vorteil des Mehrlagenansatzes ist die Verfügbarkeit. Die meisten Leiterplattenhersteller unterstützen ihn ohne spezielle oder proprietäre Ausrüstung. Dünnere Glastypen und zusätzliche Handhabung erhöhen allerdings die Material- und Fertigungskosten. Außerdem kann das Stapeln mehrerer dünner Lagen leichte Schwankungen in der endgültigen Dielektrikumsdicke verursachen.

Bei Stripline-Leiterbahnen können Entwickler für das obere und das untere Substrat zwei Gewebe mit unterschiedlichem Pitch verwenden, um die Dk-Schwankung auszumitteln (Abbildung 6).

Nachdem wir behandelt haben, was das Laminat zur Skew-Reduzierung beitragen kann, wenden wir uns nun dem zu, was Entwickler beim Routing tun können.

Geometrische Ausrichtung: Leiterbahnabstand an den Gewebe-Pitch anpassen

Eine Technik gegen Fiber-Weave-Skew besteht darin, den Abstand der beiden Leiterbahnen eines differenziellen Paares an den Bündelabstand des Glasgewebes anzupassen. Stimmen diese Geometrien überein, liegen positive und negative Leiterbahn entlang eines geraden Pfades zwangsläufig über identischen Bereichen der Glas-Harz-Matrix, wie Abbildung 7 zeigt.

Verläuft eine Leiterbahn über der Mitte eines dichten Glasbündels, verläuft ihr Gegenstück über der Mitte eines benachbarten Bündels; kreuzt eine Leiterbahn einen harzreichen Bereich, kreuzt ihr Gegenstück einen ähnlichen. So gleichen sich die Ausbreitungsgeschwindigkeiten an, und der Intra-Pair-Skew wird neutralisiert. Um den Bündelabstand eines Gewebetyps zu berechnen, benötigen Sie die in IPC-4412 angegebene Fadendichte, also die Zahl der Garnbündel pro Zoll in jeder Richtung. Der Bündelabstand ist einfach der Kehrwert dieser Zahl. Ein 1080-Gewebe hat beispielsweise eine Nennkonstruktion von 60 Garnen pro Zoll in Kettrichtung und 47 Garnen pro Zoll in Schussrichtung. Daraus ergibt sich ein Bündelabstand in Kettrichtung von 1/60 = 0,01666 Zoll bzw. 16,66 mil. Um entlang der Kettachse theoretisch keinen Skew zu erhalten, setzen Sie den Leiterbahnabstand daher auf ein ganzzahliges Vielfaches von 16,66 mil.

Ein starrer, angepasster Pitch lässt sich in engen Bereichen wie BGA-Breakout-Feldern nicht einhalten. Da sich Fiber-Weave-Skew jedoch proportional zur Strecke aufbaut, tragen diese kurzen Engstellen im Breakout wenig zum gesamten Phasenfehler bei. Entwickler können enge Pinfelder daher mit kompakter Geometrie durchqueren und den Paarabstand auf ein Vielfaches des Glasbündelabstands verbreitern, sobald der Pfad freie Platinenbereiche erreicht. So lassen sich breitere Leiterbahnen verwenden, die Skin-Effekt- und Leiterverluste minimieren, während der Skew auf langen, riskanten Abschnitten der Übertragungsleitung wirksam neutralisiert wird.

Die Pitch-Anpassung hat einige praktische Grenzen und Fallstricke. Erstens ist es wegen normaler Fertigungstoleranzen schwer sicherzustellen, dass die Leiterbahnen an den Glasbündeln ausgerichtet bleiben. Schon ein leichter Drehversatz bei der Registrierung zwischen Kupferbild und Laminat kann etwa dazu führen, dass eine lange 15-Zoll-Leiterbahn die räumliche Ausrichtung zum darunterliegenden Bündelmuster verliert. Zweitens beeinflusst der Leiterbahnabstand die differenzielle Impedanz, sodass für die Pitch-Anpassung eine Leiterbahnbreite gewählt werden muss, die bei gegebener Dielektrikumshöhe sowohl die Impedanz- als auch die Skew-Ziele erfüllt. Hinzu kommt, dass viele gängige Gewebe nicht quadratisch sind; ein 1080-Glasgewebe hat zum Beispiel unterschiedliche Fadenzahlen in Kett- und Schussrichtung (60 × 47 Fäden pro Zoll), sodass sich der erforderliche Leiterbahnabstand komplett ändert, sobald ein Signal um eine 90-Grad-Ecke biegt. Quadratische Gewebe sind deshalb vorzuziehen, da sie in beiden Richtungen einen gleichbleibenden Abstand ermöglichen. Bei nicht quadratischen Geweben müssen Designteams mit ihren Leiterplattenherstellern abstimmen, wie Kett- und Schussrichtung der Platine über alle Fertigungsschritte nachverfolgt werden. Sind diese Randbedingungen und Fertigungsabhängigkeiten für ein Layout zu einschränkend, können Entwickler stattdessen auf alternative Routing-Techniken auf Leiterplattenebene ausweichen.

Schräges Routing

Beim schrägen Routing werden Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen bewusst in einem Winkel ungleich null (typischerweise 7–10°) zur Kett- oder Schussrichtung des Glasgewebes geführt statt parallel dazu.

Durch die Schrägstellung kreuzt die Leiterbahn entlang ihrer Länge mehrere Glasbündel und harzreiche Bereiche und mittelt so die lokalen Schwankungen der Dielektrizitätskonstante aus, die das Gewebe verursacht. Dadurch sehen beide Leiterbahnen eines differenziellen Paares eine gleichmäßigere effektive Dk.

Ein großer Vorteil des schrägen Routings ist, dass es den Skew auch bei Standardglastypen wie 1080 oder 2116 verringert und teure Spread-Glass-Laminate damit überflüssig machen kann. Die Technik vergrößert jedoch die benötigte Platinenfläche und macht die Leiterbahnplanung komplexer. Die Bauteilplatzierung muss so angeordnet werden, dass das Routing in einem bestimmten Winkel zum Glasgewebe verläuft. Außerdem fehlt in dichten Bereichen wie BGA-Breakouts unter Umständen schlicht der Platz, um Leiterbahnen schräg zu führen.

Schräges Routing verringert differenziellen Skew zwar deutlich, bringt aber einen eigenen Nachteil für die Signalintegrität mit sich: stärkere Einbrüche in der Einfügedämpfung durch die Periodizität des Glasgewebes. Ein DesignCon-Paper von 2010 zeigte, dass eine 45°-Führung die Einzelzellen-Periodizitätsresonanz mit der niedrigsten Frequenz erzeugen kann (Miller, Blando und Novak 2010). Schräges Routing bringt also eigene Zielkonflikte beim Timing-Skew mit sich.

Zickzack-Routing

Zickzack-Routing ist eine Variante des schrägen Routings, bei der die Leiterbahn periodisch um ihren Nennpfad pendelt. Wie beim einfachen schrägen Routing verlaufen die Segmente in Winkeln ungleich null zum Glasgewebe; der Unterschied ist, dass der Winkel seine Richtung wechselt, statt eine konstante Neigung beizubehalten. Abbildung 9 zeigt das Zickzack-Routing schematisch.

Es wird empfohlen, die Leiterbahn so zu führen, dass sie mindestens das Dreifache des Glasfaser-Pitches überquert (W ≥ 3 × Glas-Pitch), bevor sie die Richtung wechselt.

Zickzack-Routing verringert den Skew auf Kosten der Platinenfläche. Im Vergleich zum einfachen schrägen Routing kann es die Bauteilplatzierung vereinfachen, weil miteinander kommunizierende ICs entlang einer normalen horizontalen oder vertikalen Achse ausgerichtet bleiben können, während schräges Routing eine leicht versetzte Platzierung erfordert, um dem diagonalen Leiterbahnverlauf zu folgen. Andererseits bringt Zickzack-Routing physische und elektrische Nachteile mit sich, die schräges Routing vermeidet: Wegen seiner Knickpunkte kann ein Zickzack-Pfad unter lokalen Impedanzsprüngen leiden, während einfaches schräges Routing einen gleichmäßigen Pfad ohne Ecken oder Reflexionen beibehält. Außerdem führt das Zickzack-Verfahren zu einer größeren physischen Gesamtlänge, was die Übertragungsverluste entlang des Kanals erhöht.

Weitere Gegenmaßnahmen

Es gibt zwei weitere Gegenmaßnahmen, die hier der Kürze halber nicht behandelt werden. Die erste dreht das gesamte Kupferbild gegenüber dem Laminat und erzielt so eine ähnliche Wirkung wie schräges Routing. Die zweite, mitunter Jogged Routing genannt, versetzt jeden Leiter um den Abstand innerhalb des Paares, sodass die beiden Leiterbahnen die glasreichen und harzreichen Bereiche tauschen, die sie zuvor belegt hatten; dieser Tausch der Umgebungsbedingungen hilft, ihre Laufzeiten anzugleichen (Abbildung 10).

Fazit

Dieser Artikel hat sowohl Materialentscheidungen als auch Routing-Strategien zur Verringerung des Fiber-Weave-Effekts betrachtet. Ein einfaches, universelles Mittel wäre ideal, doch die meisten Techniken bieten nur Teillösungen, deren Wirksamkeit von Frequenz, Leitungslänge und verfügbarem Skew-Budget abhängt. In der Praxis kombinieren Entwickler oft mehrere Methoden; bei Datenraten über 56 Gbit/s – etwa bei 112G PAM4 und PCIe Gen6 – wird NE-Glas mit Spread Glass unverzichtbar, und schräges Routing kann dennoch nötig sein, um enge Skew-Grenzen einzuhalten.

Weiterführende Artikel

Teil 1: Den Fiber-Weave-Effekt verstehen: vom Glasgewebe zum differenziellen Skew

Teil 2: Modellierung von Fiber-Weave-Skew: analytische Grenzen und statistische Vorhersage

Teil 3: Fiber-Weave-Skew abmildern: Spread Glass, NE-Glas und Routing-Techniken (dieser Artikel)

Häufig gestellte Fragen

Wie lässt sich Fiber-Weave-Skew verringern?

Fiber-Weave-Skew lässt sich über das Laminat, über das Routing oder über beides verringern. Auf Materialebene gehören dazu dichtere Glasgewebetypen, mechanisch gespreiztes Glas, Low-Dk-Glas wie NE-Glas sowie zwei oder mehr Glasgewebelagen. Beim Routing gehören dazu die Anpassung des Paarabstands an den Glasbündelabstand, schräges Routing, Zickzack-Routing, das Drehen des gesamten Kupferbilds gegenüber dem Laminat und Jogged Routing. Die meisten Techniken bieten nur Teillösungen, deren Wirksamkeit von Frequenz, Leitungslänge und verfügbarem Skew-Budget abhängt, weshalb Entwickler oft mehrere kombinieren. Oberhalb von 56 Gbit/s wird NE-Glas mit Spread Glass unverzichtbar, und schräges Routing kann trotzdem nötig sein, um enge Skew-Grenzen einzuhalten.

Was ist Spread Glass?

Spread Glass ist ein Glasgewebe, dessen Garnbündel der Laminathersteller vor der Harzimprägnierung abflacht, mit Hochdruck-Wasserstrahlen, Ultraschall oder mechanischen Walzen. Das Abflachen verkleinert die harzreichen Lücken zwischen den Bündeln, was den Intra-Pair-Skew verringert und außerdem sauberere lasergebohrte Vias ermöglicht. Das Spreizen beseitigt die Lücken nicht vollständig, weil das Material weiterhin ein Verbund aus Glasfilamenten und Harz ist, sodass weitere Gegenmaßnahmen nötig sein können.

Warum reicht die Angabe eines Spread-Glass-Typs nicht aus, um den Skew zu kontrollieren?

Kein Industriestandard regelt das genaue Verfahren oder die Qualität des mechanischen Spreizens, daher wird ein Spread-Typ wie 3313 nicht von jedem Laminathersteller gleich gefertigt. Auf einer 14-Zoll-Leiterbahn kann ein Spread-Typ eines Herstellers 4 ps Skew zeigen, während derselbe Typ eines anderen Herstellers bis zu 62 ps erreicht. Wechselt ein Leiterplattenhersteller mitten in der Produktion den Laminatlieferanten, kann ein funktionierendes Layout ohne jede Schaltplanänderung versagen. Bei Hochgeschwindigkeitsdesigns muss deshalb zusätzlich zum Glastyp auch der Laminathersteller festgelegt oder geprüft werden.

Dichteres Gewebe oder Spread Glass: Was sollten Sie verwenden?

Ein dichteres herkömmliches Gewebe wie 2116 verringert Harztaschen, indem es mehr Garnstränge pro Zoll unterbringt. Es bietet eine mittlere Skew-Reduzierung, ist bis 10 Gbit/s in der Regel unbedenklich und kostet weniger, eignet sich aber nur schlecht bis mäßig für das Laserbohren. Es passt zu kostenbewussten Standarddesigns wie PCIe Gen 3, bei denen die Leiterbahnen kurz sind und keine Laser-Microvias benötigt werden. Spread Glass wie 1067 oder 3313 bietet eine hohe Skew-Reduzierung und eine ausgezeichnete Eignung für das Laserbohren, allerdings mit Aufpreis. Es ist oberhalb von 10 Gbit/s vorzuziehen, etwa für Designs mit PCIe Gen 5/6, DDR5/DDR6 oder 112G SerDes, sowie für HDI-Lagenaufbauten, die auf lasergebohrte Blind- und Buried-Microvias angewiesen sind.

Was ist NE-Glas, und wie verringert es den Skew?

Low-Dk-Glas, oft als L-Glas oder NE-Glas bezeichnet, senkt die Dielektrizitätskonstante der Glasfilamente von etwa 6,6 auf 4,4. Liegt die Dk des Glases näher an der Dk des Harzes, wird das Laminat elektrisch gleichmäßiger, was Unterschiede in der Ausbreitungsgeschwindigkeit verringert, unabhängig davon, wie die Leiterbahnen zum Gewebe ausgerichtet sind. Am deutlichsten sind die Vorteile, sobald die Datenraten über 25 Gbit/s steigen. Die Nachteile sind ein erheblicher Aufpreis und eine eingeschränkte Verfügbarkeit, weil viele Leiterplattenhersteller diese Glastypen nicht vorrätig halten. Low-Dk-Glas wird oft mit Spread Glass kombiniert, weil nicht gespreizte Bündel weiterhin harzreiche Lücken hinterlassen.

Wie passt man den Pitch eines differenziellen Paares an den Pitch des Glasgewebes an?

Setzen Sie den Abstand zwischen den beiden Leiterbahnen des Paares auf ein ganzzahliges Vielfaches des Glasbündelabstands, sodass beide Leiterbahnen entlang eines geraden Pfades über gleichwertigen Glas- und Harzbereichen liegen. Der Bündelabstand ist der Kehrwert der Fadendichte nach IPC-4412. Bei 1080-Glas mit 60 Garnen pro Zoll in Kettrichtung beträgt der Bündelabstand in Kettrichtung 1/60 Zoll bzw. 16,66 mil. In BGA-Breakout-Feldern, in denen kein angepasster Pitch Platz findet, führen Sie das Paar mit kompakter Geometrie und verbreitern den Abstand, sobald es freie Platinenfläche erreicht; die kurzen Breakout-Abschnitte tragen wenig zum gesamten Phasenfehler bei. Die Pitch-Anpassung reagiert empfindlich auf Drehversatz bei der Registrierung zwischen Kupferbild und Laminat, sie schränkt die Leiterbahnbreite ein, weil der Pitch auch die differenzielle Impedanz beeinflusst, und bei nicht quadratischen Geweben wie 1080 (60 × 47 Fäden pro Zoll) ändert sich der erforderliche Abstand bei jeder 90-Grad-Richtungsänderung.

Welchen Winkel sollte man beim schrägen Routing wählen?

Beim schrägen Routing werden Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen typischerweise in einem Winkel von 7 bis 10 Grad zur Kett- oder Schussrichtung des Glasgewebes geführt. In diesem Winkel kreuzt jede Leiterbahn mehrere Glasbündel und harzreiche Bereiche, was die lokalen Schwankungen der Dielektrizitätskonstante ausmittelt, sodass beide Leiterbahnen eines Paares eine gleichmäßigere effektive Dk sehen. Es funktioniert mit Standardglastypen wie 1080 oder 2116 ohne teures Spread Glass, benötigt aber mehr Platinenfläche, erfordert eine auf den Routing-Winkel abgestimmte Bauteilplatzierung und passt unter Umständen nicht in dichte Bereiche wie BGA-Breakouts. Schräges Routing kann außerdem Einbrüche in der Einfügedämpfung durch die Periodizität des Glasgewebes verursachen: Ein DesignCon-Paper von 2010 zeigte, dass eine 45-Grad-Führung die Einzelzellen-Periodizitätsresonanz mit der niedrigsten Frequenz erzeugen kann.

Wie schneidet Zickzack-Routing im Vergleich zu schrägem Routing ab?

Beim Zickzack-Routing wechselt der Winkel der Leiterbahnsegmente um den Nennpfad, statt eine konstante Neigung beizubehalten, und die Leiterbahn sollte mindestens das Dreifache des Glasfaser-Pitches überqueren, bevor sie die Richtung wechselt. Sein Vorteil gegenüber schrägem Routing liegt in der Bauteilplatzierung: Miteinander kommunizierende ICs können entlang einer normalen horizontalen oder vertikalen Achse ausgerichtet bleiben. Seine Nachteile sind lokale Impedanzsprünge an den Knickpunkten und eine größere physische Länge, die die Übertragungsverluste erhöht. Einfaches schräges Routing behält einen gleichmäßigen Pfad ohne Ecken bei.

Quellen

Hargin, Bill. 2019a. „How to Avoid Getting Totally Skewed, Part Two.“ Printed Circuit Design & Fab, 23. Juli 2019. https://www.pcdandf.com/pcdesign/index.php/current-issue/266-material-matters/13801-pcb-material-matters-1908.

Hargin, Bill. 2019b. „How to Avoid Getting Totally Skewed, Part Three.“ Printed Circuit Design & Fab, 21. August 2019. https://www.pcdandf.com/pcdesign/index.php/current-issue/266-material-matters/13881-material-matters-1909.

Hargin, Bill. 2019c. „How to Avoid Getting Totally Skewed, Part Four.“ Printed Circuit Design & Fab, 20. September 2019. https://www.pcdandf.com/pcdesign/index.php/current-issue/266-material-matters/13964-how-to-avoid-getting-totally-skewed-part-four.

Hargin, Bill. 2019d. „What's the Difference between 106 and 1067 Glass?“ Printed Circuit Design & Fab, 22. Mai 2019. https://pcdandf.com/pcdesign/index.php/current-issue/266-material-matters/13668-material-matters-1906.

Intel. 2011. PCB Dielectric Material Selection and Fiber Weave Effect on High-Speed Channel Routing. Application Note AN-528. Intel Corporation. https://www.intel.com/content/www/us/en/content-details/654621/an-528-pcb-dielectric-material-selection-and-fiber-weave-effect-on-high-speed-channel-routing.html.

Knack, Kella. 2019. „The Impact of Glass Weave Styles on Blind Vias and Differential Skew.“ Altium Resources, 22. September 2019. https://resources.altium.com/p/impact-glass-weave-styles-blind-vias-and-differential-skew.

Miller, Jason R., Gustavo Blando und Istvan Novak. 2010. „Additional Trace Losses due to Glass-Weave Periodic Loading.“ Vortrag auf der DesignCon, Santa Clara, CA, Februar 2010. https://www.signalintegrityjournal.com/ext/resources/White-papers-App-notes/4119_DC10_Glass_Weave_Losses_SUN_v11.pdf

Nalla, Kartheek. 2016. „Mitigation of Glass Weave Skew Using a Combination of Low DK Spread Glass, Multi-Ply Dielectric and Routing Direction.“ Masterarbeit, Missouri University of Science and Technology. https://scholarsmine.mst.edu/masters_theses/7859.

Über den Fachgutachter

Bill Hargin

,

Gründer von Z-zero

Bill Hargin ist Gründer von Z-zero mit Sitz in Scottsdale, Arizona, dem Entwickler der Software Z-planner Enterprise für den PCB-Lagenaufbau und die Materialauswahl. Er verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in Signalintegrität und Fertigung von Leiterplatten, unter anderem in leitenden Marketingpositionen für die Software HyperLynx von Mentor Graphics und den PCB-Laminatbereich von Nan Ya Plastics. Er ist Autor des Buches Stackups: The Design within the Design und hat gemeinsam mit Eric Bogatin DesignCon-Forschung zu Glasgewebe-Skew veröffentlicht.