EDA 設(shè)計(jì)中的等長不等時研究

耶 菲

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

引言

在印制板設(shè)計(jì)中，等長是一個很常見也很成熟的環(huán)節(jié)，在印制板設(shè)計(jì)軟件的等長約束器中可以設(shè)計(jì)各種等長規(guī)則，如一組線的長差不超過X，一組線中以A 線為基準(zhǔn)±長度偏差，或是以A+n mil 為基準(zhǔn)偏差。但是等長線的本質(zhì)就是要保證信號的同時到達(dá)，什么又是同時到達(dá)呢？有些廠家會推薦一組信號線誤差控制在若干ps 內(nèi)，而另一些廠家會給出控制在若干mil 以內(nèi)，既為等長。給出時間的EDA 設(shè)計(jì)人員需要換算長度信息落實(shí)在印制板設(shè)計(jì)中，而給出長度信息的，EDA 設(shè)計(jì)人員可以直接使用在印制板的規(guī)則設(shè)計(jì)中。以DDR3 為例，數(shù)據(jù)手冊中推薦DDR3 的一組數(shù)據(jù)線長差在100 mil 內(nèi)就不會影響其時序，可以算作等長，可是是否在印制板當(dāng)中保證了長差在約束范圍內(nèi)就一定可以保證信號可以同時到達(dá)呢？又有哪些情況會在EDA 設(shè)計(jì)的等長線中影響到時延？一般來說是這樣的，保證了長差就可以保證信號的同時到達(dá)，但是有一些特殊情況例外，這與EDA 設(shè)計(jì)者使用的軟件以及印制板的結(jié)構(gòu)有關(guān)，這里就簡述其中的幾種情況。

1 帶狀線和微帶線

印制板當(dāng)中信號的速度與印制板中傳輸線的結(jié)構(gòu)有關(guān)，帶狀線和微帶線為圖1 所示。對于信號的傳輸速度不一致，所以對于同樣長度的帶狀線和微帶線對于信號的延時不同。

圖1 帶狀線與微帶線

信號在帶狀線中的速率為[1]：

式中：ε0為自由空間介電常數(shù)，取8.89×10-12F/m；εr為材料的相對介電常數(shù)，F(xiàn)R4 帶狀線取值約為4，微帶線取值1～4 之間；μ0為自由空間的磁導(dǎo)率，值為4π×10-7H/m；μr為材料的相對磁導(dǎo)率，取1。計(jì)算得出帶狀線中的傳輸速率約為6 in/ns 或是170 ps/in，微帶線約為7 in/ns 或是140 ps/in。

這就導(dǎo)致兩條長度相等的傳輸線A 和B 線長度都為5 in 的條件下，如果A走在表層，B走在中間層，則其時延差=（160 ps-140 ps）×5=100 ps，如果長度更長則時差更大。

而現(xiàn)在采用更多的是混合設(shè)計(jì)，就是傳輸線從器件管腳經(jīng)過一段微帶線到中間層走一段帶狀線，然后再回到表層通過一段微帶線到達(dá)另一個器件，就是微帶線-帶狀線-微帶線的結(jié)構(gòu)。由上面的計(jì)算可以看出如果物理等長過的兩條線，其微帶線和帶狀線的占比不一致也會導(dǎo)致時延不一致。

這會不會為設(shè)計(jì)帶來很大的風(fēng)險呢？以一般設(shè)計(jì)為例，在一般的DDR 走線中如果遇到表層無法直接扇出，而需要在表層走一段線后在扇出的，一般這個長度不會超過200 mil，則它與其他正常扇出的同組線之間的時延差=（160 ps-140 ps）×0.2 in=4 ps。

這對于組信號的影響非常小。以DDR2 為例，一個DQ 組內(nèi)時差在17 ps 內(nèi)都滿足是需要求[2]，所以只要不是極端情況將一組數(shù)據(jù)線中的一條或幾條線完全走在表層就不會有太大的問題。而對于等長要求更為嚴(yán)格的差分線來說，由于要求同層所以不會存在此類設(shè)計(jì)問題。

2 過孔長度的影響

嚴(yán)格來說這類應(yīng)該屬于不等長的情況，因?yàn)榇祟惽闆r軟件中顯示等長可是實(shí)際情況長度不相等。因?yàn)橐恍┸浖粫⑦^孔長度計(jì)入到傳輸線長度中。現(xiàn)在一些新版本的軟件，修復(fù)了這些問題。如圖2 所示。

圖2 過孔長差

以2 mm，16 層的印制板中的2 條線為例，都從top 到bottom。A 線top-bottom-top-bottom；B 線top-bottom。其中每一個“-”代表一個換層過孔，因?yàn)榘搴? mm 由top 到bottom 則過孔長度為2 mm。

如果AB 兩條走線在設(shè)計(jì)及軟件中等長，則因?yàn)槠錄]有算入過孔長度其真實(shí)長差為兩個過孔的長度。

真實(shí)長差=2 mm×2=4 mm=160 mil，在印制板設(shè)計(jì)中這樣的長差是一個無法被忽視的存在，可能會導(dǎo)致一組信號的時序問題。

在以另外兩條線為例，板厚2 mm 16 層，A 線top-3-top；B 線top-14-top。

在印制板設(shè)計(jì)中，如果同一層無法走下A、B 兩條線，將A、B 兩條線分別走在不同的信號層是非常常見的情況。以1-3 層過孔長度0.2 mm計(jì)算，由于印制板多為對稱性，1-14 層過孔長度為2 mm-0.2 mm=1.8 mm 其過孔帶來的長差。

A 線過孔長度=0.2 mm×2=0.4 mm。B 線過孔長度=1.8 mm×2=3.6 mm。AB現(xiàn)在軟件中等長，其實(shí)際長差=3.2 mm=128 mil。

這也會為信號帶來不小的影響，這樣的長度不應(yīng)當(dāng)被忽視。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免同類傳輸線過孔數(shù)量不一致的情況，對于要求比較高的同組線，盡量同層，這不光使一組線的傳輸環(huán)境相同，也會避免此類因過孔導(dǎo)致的長差問題。而在一些新的設(shè)計(jì)軟件中已經(jīng)將VIA 的長度考慮在等長長度中，這需要在設(shè)計(jì)時將印制板的疊層信息設(shè)置在軟件中。如果不能正確地設(shè)置疊層結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致軟件的計(jì)算有所偏差。

3 過孔時延的影響

由于過孔結(jié)構(gòu)與帶狀線和微帶線結(jié)構(gòu)的不一致，導(dǎo)致信號在過孔中的速度與在帶狀線和微帶線中的速度也不一致。

信號在微帶線中的速率約為170 ps/in；信號在過孔中的速率約為360 ps/in。仍以上節(jié)兩條信號線A、B 為例：A 線top-3-top；B 線top-14-top。

過孔長度。A 線過孔長度=0.2 mm×2=0.4 mm；B 線過孔長度=1.8 mm×2=3.6 mm。

其過孔長差為3.2 mm，延時差為24 ps。這樣量級的時延將可能對如DDR3 的數(shù)據(jù)線帶來影響，不應(yīng)被忽略[3]。

所以即便是使用手工計(jì)算或是使用軟件將過孔的長度計(jì)算在傳輸線長度內(nèi)，對于要求精確等長的一些信號線，同組盡量走同層避免由于過孔長度帶來的時延導(dǎo)致信號完整性問題。

4 芯片封裝內(nèi)時延

嚴(yán)格來說芯片內(nèi)延時也不屬于不等長的情況，因?yàn)槲覀儐为?dú)討論P(yáng)CB 走線時是不等長的，但是從整個鏈路上來說，我們要保持信號路徑的整體長度相等。

信號的整個路徑=印制板走線+焊盤、管腳長度+芯片內(nèi)走線。同一組信號在PCB 走線長度完全一致的情況下如果焊盤、管腳長度或是芯片內(nèi)部走線長度不一致也會引發(fā)信號無法同時到達(dá)芯片DIE，導(dǎo)致同一組信號的時序混亂。這時PCB 在設(shè)計(jì)等長時應(yīng)當(dāng)考慮補(bǔ)償印制板焊盤、管腳長度和芯片內(nèi)部走線長度的不一致。

一般來說芯片內(nèi)部的pin delay 會以表格的方式由廠家提供給設(shè)計(jì)師，單位為ps。設(shè)計(jì)師將延時轉(zhuǎn)換為PCB 長度信息，并補(bǔ)償在PCB 的設(shè)計(jì)中[4]。如圖3 為在EDA 設(shè)計(jì)軟件中設(shè)計(jì)pin delay 補(bǔ)償。

圖3 設(shè)置pin delay 補(bǔ)償

還有一種為管腳長度不一致，這種一般出現(xiàn)在連接器中，如下頁圖4，圖中B 和D 管腳長度不一致，則在有等長要求的信號使用此類連接器時應(yīng)根據(jù)管腳、焊盤長差在PCB 走線時作出補(bǔ)償[5]。

圖4 連接器管腳長差

此類PIN DELAY 由于不是在印制板當(dāng)中，所以信號在管腳以及芯片內(nèi)部的傳播速度很可能不一致，這就是芯片廠家一般會以ps 為單位來描述pin delay 以確保時序完整。

5 玻纖效應(yīng)

印制板當(dāng)中信號的速度與印制板中傳輸線所參考的介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。FR4 的具體材料為環(huán)氧玻璃布纖維，從微觀角度上來說，玻璃纖維和樹脂的介電常數(shù)不一致，這會導(dǎo)致走在玻璃纖維上的傳輸線延時與走在樹脂上的傳輸線延時不一致。

以極端情況為例：A、B 兩條線，A 線完全參考玻璃纖維，B 線完全參考樹脂，玻璃纖維的εr值為6，樹脂材料的εr值為3～4，取3.5。A 線信號速率4.8 in/ns；B 線信號速率6.4 in/ns。

以兩條都長度為1in 的A 線和B 線來說：A 線時延200 ps/in；B 線時延150 ps/in。

如果這兩條線剛好分別是一對差分線的正和負(fù)，這樣的時差為50 ps，對于速率高于若干差分線的信號質(zhì)量都會產(chǎn)生毀滅性打擊。其實(shí)玻纖效應(yīng)對差分線的影響不僅于時延，兩條線的阻抗和衰減都不一致，會帶來很多差模干擾，但本文僅針對時延進(jìn)行討論。

為了避免此類問題的發(fā)生，可以考慮選用玻璃纖維更加致密的板材，或選擇玻璃纖維布質(zhì)地更加均勻的板材，從源頭上減小此類問題的發(fā)生?；蚴褂糜行甭市弊呔€，減少使用0°和90°走線，（inter 有推薦采用斜10°走線）使一對差分中的兩條線交替參考玻璃纖維以及樹脂，以減小極端情況的發(fā)生。是否可以在生產(chǎn)印制板中采用帶角度下料的方式，使印制板中現(xiàn)有設(shè)計(jì)的0°和90°走線不至于單獨(dú)參考玻璃纖維或是樹脂材料，而是交替參考已解決此類問題的發(fā)生。

6 結(jié)論

印制板中等長的目的在于保證并行信號的時序及信號完整性。本文僅從印制板的結(jié)構(gòu)、材料、器件和設(shè)計(jì)軟件等方面列舉了一些等長不等時的問題，其實(shí)還有其他原因帶來的等長不等時。以上列舉的等長不等時的問題，如果出現(xiàn)在印制板中即便是等長仍然會產(chǎn)生時序及信號完整性問題。如果可以的話盡量從設(shè)計(jì)上避免此類不一致，如果無法避免應(yīng)評估其帶來的影響，或是通過計(jì)算補(bǔ)償其帶來的時延差。