详解 PCB 走线与信号完整性问题

　　在当今电子行业中，PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）作为电子设备的关键组成部分，其走线设计与信号完整性问题至关重要。随着 4G/5G 无线通讯技术的迅猛发展以及电子产品的不断升级换代，目前 PCB 数据接口传输速率已高达 10Gbps 或 25Gbps 以上，且信号传输速率还在持续朝着高速化方向迈进。这就对 PCB 阻抗控制和信号完整性提出了更为严苛的要求。
　　高速信号的 PCB 走线
　　如今，当我们打开 SoC 原厂的 PCB Layout Guide（印刷电路板布局指南）时，常常会看到关于高速信号走线拐角角度的相关建议。通常认为高速信号不应采用直角走线，而应选择 45 度角走线，并且走圆弧会比 45 度拐角效果更佳。那么，事实究竟如何呢？PCB 走线角度该如何设置，是 45 度好还是走圆弧好？90 度直角走线到底行不行呢？
　　实际上，大家开始关注 PCB 走线的拐角角度问题，也不过是近十几二十年的事情。上世纪九十年代初，PC 界的霸主 Intel 主导定制了 PCI 总线技术，似乎从 PCI 接口开始，我们便步入了一个 “高速” 系统设计的时代。随着电子设计和芯片制造技术按照摩尔定律不断发展，IC（Integrated Circuit，集成电路）制程工艺日益提高，IC 的晶体管开关速度越来越快，各种总线的时钟频率也不断提升，信号完整性问题逐渐引起了广泛的研究和重视。
　　早期的 PCB 拉线相对简单，只需将线路拉通、理顺，保证整洁、美观即可，无需过多关注信号完整性问题。例如，HP 经典的 HP3456A 万用表的电路板，就存在大量的 90° 角走线，几乎是故意走的直角，而且绝大多数地方没有铺铜。然而，这种设计存在一定问题，像该 PCB 板的右上角，不仅走直角，拐弯后线宽还变小了，这会造成信号反射问题，进而影响信号完整性。
　　接下来，我们将深入探讨关于高频 / 高速信号的走线拐角角度问题，从锐角到直角、钝角、圆弧一直到任意角度走线，全面分析各种走线拐角角度的优缺点。
　　为什么 PCB 不能以锐角走线？
　　答案是明确的，PCB 不能以锐角走线。先不考虑锐角走线对高速信号传输线的负面影响，仅从 PCB DFM（Design for Manufacturability，可制造性设计）方面来看，就应避免出现锐角走线的情况。因为在 PCB 导线相交形成锐角处，会产生一种叫做酸角 “acid traps” 的问题。在 PCB 制板过程的线路蚀刻环节，“acid traps” 处会出现 PCB 线路腐蚀过度的现象，从而导致 PCB 线路虚断。
　　虽然我们可以借助 CAM 350 进行 DFF Audit 自动检测出 “acid traps” 潜在问题，避免在 PCB 制造时产生加工瓶颈。如果 pcb 板厂工艺人员检测到有酸角 (acid trap) 存在，他们会简单地贴一块铜到这个缝隙中。但很多板厂的工程人员并不懂 Layout（布局），他们只是从 PCB 工程加工的角度修复酸角 (acid trap) 的问题，这种修复是否会带来进一步的信号完整性问题便不得而知了。所以，我们在 Layout 时就应从源头尽量避免产生酸角 (acid trap)。
　　那么，怎样避免拉线时出现锐角，造成 acid trap DFM 问题呢？现代的 EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）设计软件，如 Cadence Allegro、Altium Designer 等，都具备完善的 Layout 走线选项。我们在 Layout 走线时，灵活运用这些辅助选项，能极大地避免产生 “acid trap” 现象。例如，合理设置焊盘的出线角度，避免导线与焊盘形成锐角夹角；利用 Cadence Allegro 的 Enhanced Pad Entry 功能，可在 Layout 时尽可能避免导线与焊盘在出线时形成夹角，从而避免造成 “acid traps” DFM 问题；同时，要避免两条导线交叉形成锐角夹角，灵活应用 Cadence Allegro 布线时切换 ”toggle“选项，能避免导线拉出 T 型分支时形成锐角夹角，防止造成 “acid traps” DFM 问题。
　　能不能以 90° 走线
　　高频高速信号传输线应避免以 90° 的拐角走线，这是各种 PCB Design Guide 中着重强调的。因为高频高速信号传输线需要保持特性阻抗一致，而采用 90° 拐角走线，在传输线拐角处会改变线宽，90° 拐角处线宽约为正常线宽的 1.414 倍，线宽的改变会造成信号的反射。同时，拐角处的额外寄生电容也会对信号的传输造成时延影响。
　　当信号沿着均匀互连线传播时，不会产生反射和传输信号的失真。但如果均匀互连线上有一个 90° 拐角，则会在拐角处造成 PCB 传输线宽的变化，根据相关电磁理论计算，这必然会带来信号的反射影响。直角走线对信号的影响主要体现在三个方面：一是拐角可以等效为传输线上的容性负载，减缓上升时间；二是 90° 拐角处线宽约为正常线宽的 1.414 倍，引起阻抗不连续，进而造成信号的反射；三是直角产生的 EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰），容易发射或接收电磁波，产生 EMI。
　　传输线的直角带来的寄生电容可以通过经验公式 C = 61W (Er) 1/2/ZO 来计算。其中，C 指拐角的等效电容（单位 pF），W 指走线的宽度（单位 inch），Er 指介质的介电常数，ZO 就是传输线的特征阻抗。
　　对于高速数字信号来说，90° 拐角对高速信号传输线会造成一定的影响。对于现在高密高速 pcb，一般走线宽度为 4 - 5mil，一个 90° 拐角的电容量大约为 10fF，经测算，此电容引起的时延累加大约为 0.25ps，所以，5mil 线宽的导线上的 90° 拐角并不会对现在的高速数字信号（100 - psec 上升沿时间）造成很大影响。而对于高频信号传输线，为了避免集肤效应（Skin effect）造成的信号损坏，通常会采用宽一点的信号传输线，例如 50Ω 阻抗，100mil 线宽，这 90° 拐角处的线宽约为 141mil，寄生电容造成的信号延时大约为 25ps，此时，90° 拐角将会造成非常严重的影响。同时，微波传输线总是希望能尽量降低信号的损耗，90° 拐角处的阻抗不连续和额外的寄生电容会引起高频信号的相位和振幅误差、输入与输出的失配，以及可能存在的寄生耦合，进而导致电路性能的恶化，影响 PCB 电路信号的传输特性。因此，对于 90° 信号走线，建议尽量避免。
　　度外斜切线
　　除了射频信号和其他有特殊要求的信号，PCB 上的走线应优选以 45° 走线。需要注意的是，45° 角走线绕等长时，拐角处的走线长度要至少为 1.5 倍线宽，绕等长的线与线之间的间距要至少 4 倍线宽的距离。由于高速信号线总是沿着阻抗的路径传输，如果绕等长的线间距太近，由于线间的寄生电容，高速信号会走捷径，从而出现等长不准的情况。现代的 EDA 软件的绕线规则都可以很方便地设置相关的绕线规则。
　　以 arc 弧形走线
　　如果不是技术规范明确要求要以弧形走线，或者是 RF（Radio Frequency，射频）微波传输线，个人认为没有必要走弧形线。因为高速高密度 PCB 的 Layout，大量的弧形线后期修线非常麻烦，而且大量的弧形走线也比较费空间。不过，对于类似 USB3.1 或 HDMI2.0 这样的高速差分信号，走圆弧线是可行的。当然，对于 RF 微波信号传输线，还是优先走圆弧线，甚至可以采用 “45° 外斜切” 线走线。
　　总结
　　随着信号传输的高速化、高频化发展，对 PCB 阻抗控制和信号完整性的要求越来越高。对于 PCB 板上传输的数字信号来说，电子工业界应用的包括 FR4 在内的许多电介质材料，在低速低频传输时一直被认为是均匀的。但当系统总线上电子信号速率达到 Gbps 级别时，这种均匀性假设不再成立，此时交织在环氧树脂基材中的玻璃纤维束之间的间隙引起的介质层相对介电常数的局部变化将不可忽视，介电常数的局部扰动将使线路的时延和特征阻抗与空间相关，从而影响高速信号的传输。基于 FR4 测试基板的测试数据表明，由于微带线与玻纤束相对位置差异，导致测量所得的传输线有效介电常数波动较大，值之差可以达到△εr = 0.4。尽管这些空间扰动看上去较小，但会严重影响数据速度为 5 - 10Gbps 的差分传输线。