Specifika a výhody topologického routeru TopoR

V lednovém vydání tohoto časopisu byl stručně popsán router plošných spojů TopoR od ruské firmy Eremex. Nyní přinášíme informace z přednášky S. Yu. Luzina [1] z konference embedded world konané v Norimberku v únoru 2013, která vysvětluje výhody topologického způsobu tažení plošných spojů.

Existuje několik možností, jak zvýšit hustotu plošných spojů na desce:

• Zmenšit velikost propojovacích otvorů a pájecích plošek.
• Zmenšit šířku plošných spojů a jejich izolačních mezer.
• Nahradit průchozí propojovací otvory slepými (blind) a pohřbenými (burried)via otvory.
• Přidat další vrstvy desky.

Zatímco tyto způsoby fungují a opravdu umožňují položit více spojů na desku, přináší současně podstatné zvýšení nákladů na její výrobu. Existuje ovšem ještě jedna možnost, jak docílit podobného výsledku bez negativního dopadu na výrobní náklady: přizpůsobivé, topologické pokládání spojů pod jakýmkoliv úhlem (any-angle routování) tak, jak je použité v programu TopoR (TOPOlogical Router).

V tomto článku se podíváme na jeden ze tří konceptů routování desky v programu TopoR, a to na any-angle routování čili tažení spojů pod jakýmkoliv úhlem.

Obr. 1 Deska s Intel 8008 od Bill Pentz z roku 1972 (DigiBarn computer museum)

Když se podíváme na obrázek desky plošných spojů navržené ještě před příchodem CAD systémů pro návrh DPS (obr. 1), vidíme, že geometrie plošných spojů se od těch dnešních desek značně liší. Proč jsou plošné spoje na desce vytvarovány do různě zakřivených tvarů, když je jistě jednodušší je nakreslit v pravoúhlém systému pomocí jednoduchých úseček?

Obr. 2 Hledání možnosti protažení spoje v pravoúhlé mřížce

Je zřejmé, že dnešní geometrie tažení plošných spojů je ovlivněna CAD návrhovými systémy a používanými algoritmy routování, jakým je např. tažení spoje v ortogonální mřížce (obr. 2).

Proč návrháři desek pokládají plošné spoje pouze v předepsaném směru s tím, že nanejvýše srazí rohy při změně směru? Na první pohled takové počínání nedává smysl.

Obr. 3 Tři možnosti propojení dvou párů vývodů

Na obr. 3 jsou zobrazeny tři možnosti propojení dvou párů vývodů.

První varianta propojení kolmými spoji (vlevo) má nejdelší spoje a navíc i dlouhé paralelní úseky spojů. Druhá varianta se sraženými rohy nabízí plošné spoje celkově kratší, přičemž jsou kratší i výsledné paralelní segmenty spojů. Ve třetí variantě (vpravo) jsou spoje nejkratší a navíc nemají žádné paralelní segmenty.

Přeslechy

Paralelní segmenty plošných spojů jsou zdrojem přeslechů mezi spoji. Velikost přeslechu je lineárně závislá na délce paralelních segmentů, zatímco nelineárně klesá se vzdáleností mezi spoji. Tak například intenzita přeslechů mezi dvěmi plošnými spoji dlouhými 1mm, s počáteční mezerou mezi nimi d a taženými pod úhlem α, klesá s velikostí úhlu, nezávisí na délce spojů a je pouze omezena hodnotou E:

Z toho vyplývá, že tažení spoje pod jakýmkoliv úhlem pomáhá snížit celkovou délku spoje a výrazně zmenšit přeslechy.

Délka plošného spoje

Porovnejme nyní dva způsoby tažení plošných spojů mezi součástkami s 25 vývody a s roztečí pájecích plošek 0,25 mm a 0,2 mm (obr. 4). Z obrázku vidíme, že v případě any-angle routování je minimální vzdálenost mezi součástkami podstatně kratší než při ortogonálním pokládání spojů. Z toho ale také vyplývá, že je plocha desky zabraná plošnými spoji u tohoto způsobu routování daleko menší. To znamená, že any-angle routování nejenom zkrátí délku spojů, ale také si vystačí s podstatně menší plochou desky.

Obr. 4 Dva návrhy propojení: ortogonální a any-angle

Diferenciální signály

Přenos diferenciálních signálů si vyžaduje, aby zpoždění ve skupinách signálů, jako jsou adresy, data nebo příkazy, bylo stejné. Konstanta zpoždění signálu T (s/mm) závisí na parametrech média [2]:

kde εr je relativní dielektrická permeabilita dielektrika a c je rychlost světla ve vakuu (mm/s).

Běžně je tažení diferenciálních signálů založeno na symetrické geometrii diferenciálního páru, přičemž materiál desky se pokládá za uniformní prostředí. Tento předpoklad je ovšem daleko od pravdy. Skleněná vlákna v materiálu desky jsou skleněnou tkaninou napuštěnou syntetickou pryskyřicí.

Obr. 5 Tažení diferenciálních párů přes desku pod úhlem

Střední hodnota dielektrické permeability desky FR-4 je 4 až 4,5, přičemž dielektrická permeabilita je kolem 5,8 u skleněných vláken a 3,8 u pryskyřice [2]. Jestliže jeden ze dvou plošných spojů rovnoběžně tažených na stejné straně desky je tažen podél shluku skleněných vláken, zatímco druhý mezi nimi, potom se jejich rychlost přenosu signálu může lišit až 1,23×, i když geometrie obou spojů je stejná. Tento nežádoucí efekt lze zmírnit tažením plošných spojů střídavě sem a tam nebo šikmo přes plochu desky (obr. 5). Tím se ovšem zase blížíme k metodě tažení spojů pod jakýmkoliv úhlem (any-angle).

Tepelný odpor desky

Termální vodivost materiálu FR-4 je 0,25 Wt/mK, zatímco u mědi to je 380 Wt/mK, což je o 3 třídy vyšší hodnota. Zvětšení měděných ploch na signálních vrstvách desky vede k velké změně v tepelném odporu desky. Přitom ovšem platí, že ten závisí na směru tažení plošných spojů, takže je i 10× menší podél plošných spojů v porovnání s kolmým směrem na spoje.

Obr. 6 Any-angle routování

Pokud se tedy plošné spoje táhnou v preferovaném směru na jedné vrstvě, zatímco na přilehlých vrstvách jsou taženy kolmo, potom tepelné zatížení jednotlivých vrstev desky může vést k zvlnění desky. Naproti tomu u any-angle položení spojů sice také nastávají v některých částech desky podobné poměry, ale pouze na velmi krátkých segmentech spojů, zatímco v ostatních místech desky jsou spoje položeny navzájem různě (obr. 6). To pomůže vyrovnat tepelný odpor vrstev desky v různých směrech, a tak snížit riziko zvlnění desky.

Shrnutí

Rozhození plošných spojů v preferovaném směru routování přináší v návrhu desky následující výhody:

• Celkové snížení délky plošných spojů
• Podstatné zmenšení plochy desky potřebné pro položení plošných spojů
• Zmenšení elektromagnetického přeslechu mezi spoji zkrácením celkové délky spojů a zkrácením paralelních segmentů spojů
• Omezení nesouladu ve zpoždění signálu u skupin a diferenciálních spojů, které je jinak způsobené heterogenním materiálem desky
• Snížení rizika zvlnění desky způsobené jejím tepelným zatížením