現(xiàn)在但凡打開SoC原廠的PCB Layout Guide，都會(huì)提及到高速信號(hào)的走線的拐角角度問題，都會(huì)說高速信號(hào)不要以直角走線，要以45度角走線，并且會(huì)說走圓弧會(huì)比45度拐角更好。事實(shí)是不是這樣？PCB走線角度該怎樣設(shè)置，是走45度好還是走圓弧好？90度直角走線到底行不行？

大家開始糾結(jié)于PCB走線的拐角角度，也就是近十幾二十年的事情。上世紀(jì)九十年代初，PC界的霸主Intel主導(dǎo)定制了PCI總線技術(shù)。似乎從PCI接口開始，我們開始進(jìn)入了一個(gè)“高速”系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)代。電子設(shè)計(jì)和芯片制造技術(shù)按照摩爾定律往前發(fā)展，由于IC制程的工藝不斷提高，IC的晶體管開關(guān)速度也越來越快，各種總線的時(shí)鐘頻率也越來越快，信號(hào)完整性問題也在不斷的引起大家的研究和重視。早期PCB拉線菌應(yīng)該還是比較單純，把線路拉通、擼順，整潔、美觀即可，不用去關(guān)注各種信號(hào)完整性問題。5G天線PCB廠跟大家探討一下關(guān)于高頻/高速信號(hào)的走線拐角角度問題。我們從銳角到直角、鈍角、圓弧一直到任意角度走線，看看各種走線拐角角度的優(yōu)缺點(diǎn)。

為什么PCB不能以銳角走線？

PCB能不能以銳角走線，答案是否定的。先不管以銳角走線會(huì)不會(huì)對(duì)高速信號(hào)傳輸線造成負(fù)面影響，單從PCB DFM方面，就應(yīng)該避免出現(xiàn)銳角走線的情形。   

因?yàn)樵赑CB導(dǎo)線相交形成銳角處，會(huì)造成一種叫酸角“acid traps”的問題。在PCB制板過程中，在PCB線路蝕刻環(huán)節(jié)，在“acid traps”處會(huì)造成PCB線路腐蝕過度，帶來PCB線路虛斷的問題。雖然，我們可以借助CAM 350 進(jìn)行DFF Audit自動(dòng)檢測(cè)出“acid traps”潛在問題，避免在PCB在制造產(chǎn)生時(shí)產(chǎn)生加工瓶頸。如果pcb板廠工藝人員檢測(cè)到有酸角(acid trap)存在，他們將簡單地貼一塊銅到這個(gè)縫隙中。很多板廠的工程人員他們其實(shí)并不懂Layout的，他們只是從PCB工程加工的角度修復(fù)酸角(acid trap)的問題，但這種修復(fù)是否能帶來進(jìn)一步的信號(hào)完整性問題便不得而知了，所以我們?cè)贚ayout時(shí)就應(yīng)該從源頭去盡量避免產(chǎn)生酸角(acid trap)。怎樣避免拉線時(shí)出現(xiàn)銳角，造成acid trap DFM 問題？ 

現(xiàn)代的EDA設(shè)計(jì)軟件(如Cadence Allegro、Altium Designer等)都帶有了完善的Layout走線選項(xiàng)，我們?cè)贚ayout走線時(shí)，靈活運(yùn)用這些輔助選項(xiàng)，可以極大的避免我們?cè)贚ayout時(shí)產(chǎn)生產(chǎn)生“acid trap”現(xiàn)象。  

焊盤的出線角度設(shè)置，避免導(dǎo)線與焊盤形成銳角角度的夾角，利用 Cadence Allegro 的 Enhanced Pad Entry 功能能夠讓我們?cè)贚ayout時(shí)盡可能的避免導(dǎo)線與焊盤在出線時(shí)形成夾角，避免造成“acid traps”DFM問題。避免兩條導(dǎo)線交叉形成銳角夾角。靈活應(yīng)用 Cadence Allegro 布線時(shí)切換 ” toggle “ 選項(xiàng)，可以避免導(dǎo)線拉出T型分支時(shí)形成銳角夾角，避免造成“acid traps”DFM問題。

PCB Layout能不能以90°走線

高頻高速信號(hào)傳輸線應(yīng)避免以90°的拐角走線，是各種PCB Design Guide中極力要求的，因?yàn)楦哳l高速信號(hào)傳輸線需要保持特性阻抗一致，而采用90°拐角走線，在傳輸線拐角處，會(huì)改變線寬，90°拐角處線寬約為正常線寬的 1.414倍，由于線寬改變了，就會(huì)造成信號(hào)的反射。同時(shí)，拐角處的額外寄生電容也會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸造成時(shí)延影響。當(dāng)然，當(dāng)信號(hào)沿著均勻互連線傳播時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生反射和傳輸信號(hào)的失真。如果均勻互連線上有一個(gè)90°拐角，則會(huì)在拐角處造成PCB傳輸線寬的變化，根據(jù)相關(guān)電磁理論計(jì)算得出，這肯定會(huì)帶來信號(hào)的反射影響。

直角走線的對(duì)信號(hào)的影響就是主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

 o 拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載，減緩上升時(shí)間

 o 90°拐角處線寬約為正常線寬的 1.414倍，引起阻抗不連續(xù)，進(jìn)而造成信號(hào)的反射

 o 直角尖端產(chǎn)生的EMI，尖端容易發(fā)射或接收電磁波，產(chǎn)生EMI

傳輸線的直角帶來的寄生電容可以由下面這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算：C=61W(Er)1/2/ZO 

在上式中，C就是指拐角的等效電容(單位pF)，W指走線的寬度(單位inch)，Er指介質(zhì)的介電常數(shù)，ZO就是傳輸線的特征阻抗。

對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)來說，90°拐角對(duì)高速信號(hào)傳輸線會(huì)造成一定的影響，對(duì)于我們現(xiàn)在高密高速pcb來說，一般走線寬度為4-5mil，一個(gè)90°拐角的電容量大約為10fF，經(jīng)測(cè)算，此電容引起的時(shí)延累加大約為0.25ps，所以，5mil線寬的導(dǎo)線上的90°拐角并不會(huì)對(duì)現(xiàn)在的高速數(shù)字信號(hào)（100-psec上升沿時(shí)間）造成很大影響。而對(duì)于高頻信號(hào)傳輸線來說，為了避免集膚效應(yīng)（Skin effect）造成的信號(hào)損壞，通常會(huì)采用寬一點(diǎn)的信號(hào)傳輸線，例如50Ω阻抗，100mil線寬，這90°拐角處的線寬約為141mil，寄生電容造成的信號(hào)延時(shí)大約為25ps，此時(shí)，90°拐角將會(huì)造成非常嚴(yán)重的影響。同時(shí)，微波傳輸線總是希望能盡量降低信號(hào)的損耗，90°拐角處的阻抗不連續(xù)和而外的寄生電容會(huì)引起高頻信號(hào)的相位和振幅誤差、輸入與輸出的失配,以及可能存在的寄生耦合,進(jìn)而導(dǎo)致電路性能的惡化,影響 PCB 電路信號(hào)的傳輸特性。關(guān)于90°信號(hào)走線，5G天線PCB廠的觀點(diǎn)是，盡量避免以90°走線。

45度外斜切線

除了射頻信號(hào)和其他有特殊要求的信號(hào)，我們PCB上的走線應(yīng)該優(yōu)選以45°走線。要注意一點(diǎn)的是，45°角走線繞等長時(shí)，拐角處的走線長度要至少為1.5倍線寬，繞等長的線與線之間的間距要至少4倍線寬的距離。由于高速信號(hào)線是沿著阻抗的路徑傳輸，如果繞等長的線間距太近，由于線間的寄生電容，高速信號(hào)走了捷徑，就會(huì)出現(xiàn)等長不準(zhǔn)的情況?，F(xiàn)代的EDA軟件的繞線規(guī)則都可以很方便的設(shè)置相關(guān)的繞線規(guī)則。以arc弧形走線    如果不是技術(shù)規(guī)范明確要求要以弧形走線，或者是RF微波傳輸線，5G天線PCB廠覺得，沒有必要去走弧形線，因?yàn)楦咚俑呙芏萈CB的Layout，大量的弧形線后期修線非常麻煩，而且大量的弧形走線也比較費(fèi)空間。    

對(duì)于類似USB3.1或HDMI2.0這樣的高速差分信號(hào)，5G天線PCB廠認(rèn)為 還是可以走圓弧線的。當(dāng)然，對(duì)于RF微波信號(hào)傳輸線，還是優(yōu)先走圓弧線，甚至是要走“采用 45° 外斜切”線走線。

總結(jié)
    

隨著4G/5G無線通訊技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的不斷升級(jí)換代，目前PCB數(shù)據(jù)接口傳輸速率已高達(dá)10Gbps或25Gbps以上，且信號(hào)傳輸速率還在不斷的朝著高速化方向發(fā)展。隨著信號(hào)傳輸?shù)母咚倩?、高頻化發(fā)展，對(duì)PCB阻抗控制和信號(hào)完整性提出了更高的要求。對(duì)于PCB板上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)來說，電子工業(yè)界應(yīng)用的包括FR4在內(nèi)的許多電介質(zhì)材料，在低速低頻傳輸時(shí)一直被認(rèn)為是均勻的。但當(dāng)系統(tǒng)總線上電子信號(hào)速率達(dá)到Gbps級(jí)別時(shí)，這種均勻性假設(shè)不再成立，此時(shí)交織在環(huán)氧樹脂基材中的玻璃纖維束之間的間隙引起的介質(zhì)層相對(duì)介電常數(shù)的局部變化將不可忽視，介電常數(shù)的局部擾動(dòng)將使線路的時(shí)延和特征阻抗與空間相關(guān)，從而影響高速信號(hào)的傳輸?；贔R4測(cè)試基板的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，由于微帶線與玻纖束相對(duì)位置差異，導(dǎo)致測(cè)量所得的傳輸線有效介電常數(shù)波動(dòng)較大，值之差可以達(dá)到△εr=0.4。盡管這些空間擾動(dòng)看上去較小，它會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)速度為5-10Gbps的差分傳輸線。在一些高速設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，為了應(yīng)對(duì)玻纖效應(yīng)對(duì)高速信號(hào)的影響，我們可以采用zig-zag routing布線技術(shù)以減緩玻纖效應(yīng)的影響。Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 及后續(xù)版本帶來了對(duì)zig-zag布線模式的支持。在Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 菜單中選擇”Route -> Unsupported Prototype -> Fiber Weave Effect” 打開zig-zag routing功能。

二十年前我們PCB Layout不用關(guān)注是否要走弧形線，不用擔(dān)心PCB板材玻璃纖維對(duì)高速信號(hào)的影響。不存在一成不變的PCB Layout規(guī)則，隨著PCB制造工藝的提升和數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，有可能現(xiàn)在正確的規(guī)則在將來將變得不再適用。