CN112911802A - 一种类双绞线错层结构的差分信号线布线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类双绞线错层结构的差分信号线布线方法，涉及PCB技术领域，该方法基于待布线的PCB板的板材属性参数建模得到差分模型，对差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数，然后按照目标布线参数在待布线的PCB板上布设第一信号线和第二信号线形成差分信号线，第一信号线和第二信号线布设在不同层上，且第一信号线和第二信号线在同一层的投影结构周期性相互交替形成双绞线结构，利用该方法布设差分信号线能够在现有生产材料下减小差分对内偏移，减小玻纤效应，从而提高高速差分信号的信号完整性。
Description
技术领域
本发明涉及PCB技术领域，尤其是一种类双绞线错层结构的差分信号线布线方法。
背景技术
印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体，随着现代信息处理技术的不断进步和需求增加，以及大数据、云计算和物联网等技术的日益普及，对超高速和大宽带通信产品的需求愈发强烈，高速PCB设计领域内差分信号线的广泛应用，合理优化差分的信号完整性，已经成为当今系统设计能否成功的关键。
差分信号线就是承载差分信号的一对PCB布线，差分信号由发送端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。在理想状态下，差分信号在PCB差分信号线上传输后达到接收端的时间应当相同，但实际很难达到这一理想状态，差分信号的正端与负端会存在延迟差，也即出现差分对内偏移(intra-pairskew)，影响信号质量，导致差分对内偏移的原因有许多，诸如直角布线、过孔背钻与残桩、驱动器上升下降时间不匹配、玻纤效应等，随着信号速率的提升，玻纤效应对差分信号产生的影响日益凸显。
玻纤效应是由于PCB制造材料导致的，现有常见的PCB的介质层主要由环氧树脂及嵌在环氧树脂中的增强材料玻纤布构成，如图1所示，玻纤布的经纱1(图上横向布置的玻璃纤维)与纬纱2(图上纵向布置的玻璃纤维)相互交织，经纱与纬纱之间的间隙形成为玻纤窗口3，玻纤窗口3导致介质层相对介电常数的局部变化，玻璃纤维介电常数较高，环氧树脂介电常数较低，由于信号传输速度与介电常数的平方根成反比，因此同一对差分信号传输在不同介质上会使两线产生不同的信号延迟，造成差分对内偏移即玻纤效应，玻纤效应导致对内偏移一般为3ps/in～4ps/in，也可能达到7ps/in～10ps/in。如图1中，发送端至接收端的一对差分信号线中正极的信号线所在的路径不禁穿过玻纤布的纬纱还穿过玻纤窗口3，而负极的信号线只经过玻纤布的经纱，这就导致正极的信号线和负极的传播速度不同，本应同时达到接收端的差分信号在接收端产生偏移，贯穿在信号传输路径中的偏移还将导致共模干扰无法被消除，使得差分线抗干扰能力变弱。
目前主要有如下两种方式来降低玻纤效应的影响：(1)从生产角度进行改进，通过选用扁平开纤布来改善玻纤效应，它的特点有两个：一是“开纤”，二是“扁平”，通俗解释就是要把玻纤砸散、锤扁，使玻纤的表面积增大，增加与树脂的接触面积，同时提高平整度，最终的目的就是减小玻纤布的经纱束与纬纱束之间的玻纤窗口3的尺寸，如图2所示的示意图，通过采用扁平开纤布相比于图1可以减小玻纤窗口3的尺寸。但选用窗口较小的扁平开纤布将极大提高板材的成本，而且只能将窗口尽可能缩小，改进效应比较有限。(2)从设计角度进行改进，也即在PCB设计阶段，按照一定的角度布设差分信号线，由于玻纤布的经纱和纬纱是按横经竖纬的方向垂直交织的，因此这两个方向的布线受玻纤效应的影响最大，如果布线能相对于玻纤束偏移一定的角度，就可以减小玻纤效应的影响，如图2所示的示意图，差分信号线不采用如图1所示的横纵走向而是改为使用偏移角度走向，这样使得差分对内偏移小于0.5ps/in。虽然采用一定角度是可以有效减少玻纤效应带来的偏移，但是由于PCB板中的布线角度多样，场景复杂，一定的角度布线只能优化部分布线的玻纤效应，设计时需考量PCB制板时的玻纤方向无法统一设计，按一定角度布线涉及旋转器件方向，增加布局，布线的空间要求，实际的操作难度也较大，效果并不理想。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种类双绞线错层结构的差分信号线布线方法，本发明的技术方案如下：
一种类双绞线错层结构的差分信号线布线方法，该方法包括：
确定待布线的PCB板的板材属性参数；
基于板材属性参数建模得到差分模型，差分模型是待布线的PCB板及其上布设的差分信号线的三维模型，差分信号线包括第一信号线和第二信号线，第一信号线和第二信号线布设在PCB板内的不同层上，且第一信号线和第二信号线在同一层的投影结构周期性相互交替形成双绞线结构；
对差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数，目标布线参数下的仿真结果满足预定指标要求；
按照目标布线参数在待布线的PCB板上布设第一信号线和第二信号线形成差分信号线。
其进一步的技术方案为，差分信号线的布线参数至少包括线宽、垂直距离、水平距离和比例因子，线宽是第一信号线和第二信号线的宽度，垂直距离是第一信号线所在的层与第二信号线所在的层之间的层间距，水平距离是第一信号线和第二信号线在同一层的投影结构之间的最大距离，比例因子与第一信号线和第二信号线的投影结构之间的交替周期相关。
其进一步的技术方案为，对差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数，包括：
确定差分信号线的目标线宽、目标垂直距离和目标水平距离；
调节比例因子得到不同比例因子下的skew值，将对应的skew值在预定指标要求指示的预定偏移范围内的比例因子作为目标比例因子；
确定目标布线参数包括目标线宽、目标垂直距离、目标水平距离和目标比例因子。
其进一步的技术方案为，第一信号线和第二信号线均呈三角函数波形式的周期性结构，在以第一信号线的布线方向为x轴、第一信号线所在层的平面上垂直于x轴的方向为y轴所确定的坐标系下，第一信号线的函数表达式为
t为参数，S表示差分信号线的水平距离，W表示差分信号线的线宽，σ表示差分信号线的比例因子。
其进一步的技术方案为，对差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数，包括：
对建模得到差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的性能参数的仿真值，性能参数包括S参数和skew值，S参数包括插入损耗和回波损耗；
按照仿真所使用的布线参数在待布线的PCB板上布设差分信号线制备得到试验样品，并利用网络分析仪获取试验样本的性能参数的实测值；
根据相同布线参数下的性能参数的实测值和仿真值校准差分模型直至性能参数的实测值和仿真值的差值在预定误差范围内；
对校准后的差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数。
其进一步的技术方案为，确定待布线的PCB板的板材属性参数，包括：
确定PCB板中的环氧树脂的介电常数以及玻纤布的介电常数；
利用扫描电子显微镜获取PCB板中的玻纤布形成的玻纤窗口的尺寸，玻纤窗口是玻纤布的经线和纬线交织形成的间隙。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种类双绞线错层结构的差分信号线布线方法，利用该方法布设差分信号线能够在现有生产材料下减小差分对内偏移，减小玻纤效应，从而提高高速差分信号的信号完整性。
附图说明
图1是差分信号线与玻纤布的交织示意图。
图2是现有为了减少玻纤效应所采用的改进方法形成的差分信号线与玻纤布的交织示意图。
图3是本申请的差分信号线布线方法的流程图。
图4是本申请的差分信号线的侧面剖视层叠示意图。
图5是本申请的差分信号线在同一层的投影结构与玻纤布的交织示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种类双绞线错层结构的差分信号线布线方法，请参考图3所示的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S1，确定待布线的PCB板的板材属性参数。
可选的在本申请中，PCB板的板材属性参数主要包括介质层的参数，包括环氧树脂的介电常数、玻纤布的介电常数和玻纤布形成的玻纤窗口的尺寸，则本申请通过查询板材厂家的相关资料可以确定该型号的PCB板的环氧树脂的介电常数以及玻纤布的介电常数，利用扫描电子显微镜(SEM)可以获取PCB板中的玻纤布形成的玻纤窗口的尺寸，玻纤窗口是玻纤布的经线和纬线交织形成的间隙，如图1和2中附图标记3所示。
步骤S2，基于板材属性参数建模得到差分模型。
构建得到的差分模型是待布线的PCB板及其上布设的差分信号线的三维模型，如图4和5所示，差分信号线包括第一信号线4和第二信号线5，PCB板的介质层包括多层层叠内嵌在环氧树脂中的玻纤布，第一信号线4和第二信号线5都位于层叠的两层玻纤布之间，现有常规的一组差分信号线的两条信号线处于同一层中，而本申请中的第一信号线4和第二信号线5布设在PCB板内的不同层上，请参考图4。第一信号线4和第二信号线5在同一层的投影结构周期性相互交替形成双绞线结构，如图5所示。
步骤S3，对差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数，目标布线参数下的仿真结果满足预定指标要求。
在本申请中，请参考图4，差分信号线的布线参数至少包括线宽W、垂直距离D2、水平距离S和比例因子σ。其中，线宽W是第一信号线4和第二信号线5的宽度，第一信号线4和第二信号线5等宽。垂直距离S是第一信号线4所在的层与第二信号线5所在的层之间的层间距。水平距离S是第一信号线4和第二信号线5在同一层的投影结构之间的最大距离。比例因子σ与第一信号线4和第二信号线5的投影结构之间的交替周期相关。
可选的，本申请在对差分模型进行仿真确定目标布线参数之前，首先还会对差分模型进行校准，从而避免因建模而导致的误差，则具体做法是：对建模得到差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的性能参数的仿真值，性能参数包括S参数和skew值，S参数包括插入损耗和回波损耗。按照仿真所使用的布线参数在待布线的PCB板上布设差分信号线制备得到试验样品，并利用网络分析仪获取试验样本的性能参数的实测值。根据相同布线参数下的性能参数的实测值和仿真值校准差分模型直至性能参数的实测值和仿真值的差值在预定误差范围内。
经过上述步骤，差分模型已经完成校准，则可以对校准后的差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数。在本申请中，通常会根据设计目标预先确定好差分信号线的目标线宽、目标垂直距离和目标水平距离，也即线宽W、垂直距离D2和水平距离S都是预先固定好的，然后调节比例因子σ得到不同比例因子σ下的skew值，将对应的skew值在预定指标要求指示的预定偏移范围内的比例因子作为目标比例因子通常会选取skew值最小的比例因子作为目标比例因子。然后将最初确定好的目标线宽、目标垂直距离、目标水平距离以及仿真确定好的目标比例因子作为目标布线参数。
步骤S4，按照目标布线参数在待布线的PCB板上布设第一信号线4和第二信号线5形成差分信号线。在本申请中，第一信号线4和第二信号线5均呈三角函数波形式的周期性结构，则如图5所示，在以第一信号线4的布线方向为x轴、第一信号线所在层的平面上垂直于x轴的方向为y轴所确定的坐标系下，第一信号线的函数表达式为
t为参数，S表示差分信号线的水平距离，W表示差分信号线的线宽，σ表示差分信号线的比例因子。然后将第一信号线以平行于X轴的对称轴镜像，即可以得到第二信号线的函数表达式。将目标线宽的第一信号线和第二信号线分别布设在垂直间距为目标垂直距离的不同层上，且使得第一信号线和第二信号线之间为目标水平距离，两者即形成满足预定指标要求的错层类双绞线结构。
在一个实例中，假设环氧树脂的介电常数为2，玻纤布的介电常数为6，差分线水平长度(X方向的长度)为500mils，差分阻抗为Zdiff＝100Ω，分别按照常规的同层平行结构以及本申请提供的错层类双绞线结构进行差分信号线的布线，采用的布线参数如下：
| 差分耦合方式 | W | S | T | D1 | D2 | D3 | Zdiff |
| 同层平行结构 | 4mil | 10mil | 0.6mil | 3mil | - | 4.5 | 100 |
| 错层类双绞线结构 | 4mil | 10mil | 0.6mil | 3.4mil | 3 | 3.4 | 100 |
其中，两种差分耦合方式中，W都表示差分信号线的线宽，S都表示差分信号线的水平距离，T都差分信号线的厚度。同层平行结构中，D1表示两条信号线所在层与PCB板介质层上表面之间的垂直距离，D3表示两条信号线所在层与PCB板介质层下表面之间的垂直距离。错层类双绞线结构中，D1表示第一信号线1所在层与PCB板介质层上表面之间的垂直距离，D3表示第二信号线5所在层与PCB板介质层下表面之间的垂直距离。
通过以上参数在HFSS 3D模块中建立高精度3D结构仿真模型也即差分模型，比例因子优化为σ＝25之后，对比传统同层平行结构与错层类双绞线结构的仿真结果可以得出，传统同层平行结构下差分对内偏移为18ps/in，采用错层类双绞线结构使得差分对内偏移减小到0.03ps/in以内，在不改变板材的基础上实现了差分对内偏移最小化。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种类双绞线错层结构的差分信号线布线方法，其特征在于，所述方法包括：
确定待布线的PCB板的板材属性参数；
基于所述板材属性参数建模得到差分模型，所述差分模型是所述待布线的PCB板及其上布设的差分信号线的三维模型，所述差分信号线包括第一信号线和第二信号线，所述第一信号线和所述第二信号线布设在所述PCB板内的不同层上，且所述第一信号线和第二信号线在同一层的投影结构周期性相互交替形成双绞线结构；
对所述差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数，所述目标布线参数下的仿真结果满足预定指标要求；
按照所述目标布线参数在所述待布线的PCB板上布设第一信号线和第二信号线形成差分信号线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述差分信号线的布线参数至少包括线宽、垂直距离、水平距离和比例因子，所述线宽是所述第一信号线和所述第二信号线的宽度，所述垂直距离是所述第一信号线所在的层与所述第二信号线所在的层之间的层间距，所述水平距离是所述第一信号线和所述第二信号线在同一层的投影结构之间的最大距离，所述比例因子与所述第一信号线和所述第二信号线的投影结构之间的交替周期相关。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数，包括：
确定所述差分信号线的目标线宽、目标垂直距离和目标水平距离；
调节比例因子得到不同比例因子下的skew值，将对应的skew值在所述预定指标要求指示的预定偏移范围内的比例因子作为目标比例因子；
确定所述目标布线参数包括所述目标线宽、目标垂直距离、目标水平距离和目标比例因子。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一信号线和所述第二信号线均呈三角函数波形式的周期性结构，在以所述第一信号线的布线方向为x轴、第一信号线所在层的平面上垂直于x轴的方向为y轴所确定的坐标系下，所述第一信号线的函数表达式为
t为参数，S表示所述差分信号线的水平距离，W表示所述差分信号线的线宽，σ表示所述差分信号线的比例因子。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数，包括：
对建模得到差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的性能参数的仿真值，性能参数包括S参数和skew值，S参数包括插入损耗和回波损耗；
按照仿真所使用的布线参数在待布线的PCB板上布设差分信号线制备得到试验样品，并利用网络分析仪获取所述试验样本的性能参数的实测值；
根据相同布线参数下的性能参数的实测值和仿真值校准所述差分模型直至性能参数的实测值和仿真值的差值在预定误差范围内；
对校准后的所述差分模型进行仿真得到差分信号线在不同布线参数下的仿真结果并根据仿真结果确定目标布线参数。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述确定待布线的PCB板的板材属性参数，包括：
确定所述PCB板中的环氧树脂的介电常数以及玻纤布的介电常数；
利用扫描电子显微镜获取所述PCB板中的玻纤布形成的玻纤窗口的尺寸，所述玻纤窗口是玻纤布的经线和纬线交织形成的间隙。
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