PCB走線角度選擇，到底該不該90°？

2021年11月15日 10:59
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現在但凡打開SoC原廠的pcb Layout Guide，都會提及到高速信號的走線的拐角角度問題，都會說高速信號不要以直角走線，要以45°角走線，并且會說走圓弧會比45°拐角更好。

事實是不是這樣？PCB走線角度該怎樣設置，是走45°好還是走圓弧好？90°直角走線到底行不行？



PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖1


大家開始糾結于pcb走線的拐角角度，也就是近十幾二十年的事情。上世紀九十年代初，PC界的霸主Intel主導定制了PCI總線技術。
（很感謝Intel發布了PCI接口，正是有了PCI總線接口的帶寬提升，包括后來的AGP總線接口，才誕生了像3DFX VOODOO巫毒這樣的顯卡，在當時也次體驗到了古墓麗影勞拉的風采，還有暴爽的飛車2、經典的雷神之錘等等，回想起來，正是有了3D游戲等多媒體應用的市場需求，才促進了PC的技術的發展，包括后來的互聯網及智能手機的普及。）
似乎從PCI接口開始，我們開始進入了一個“高速”系統設計的時代。
20世紀90年代以后，正是有了一幫這樣的玩家對3D性能的渴望，使得相應的電子設計和芯片制造技術能夠按照摩爾定律往前發展，由于IC制程的工藝不斷提高，IC的晶體管開關速度也越來越快，各種總線的時鐘頻率也越來越快，信號完整性問題也在不斷的引起大家的研究和重視。比如現在人們對4K高清家庭影音視頻的需求，HDMI2.0傳輸標準速率已經達到了18Gbps。
之前，pcb拉線君應該還是比較單純的同學，把線路拉通，擼順，整潔美觀即可，不用去關注各種信號完整性問題。比如下圖所示的HP經典的HP3456A六位半萬用表的電路板所示，大量的90°角走線。
HP3456A沒有淚滴，幾乎是故意走的直角（某些地方本來一個斜角走完，它偏要連續走幾個直角），絕大多數地方沒有鋪銅。



PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖2



右上角，拐直角不止，線寬還變小了？



PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖3



直角、搭橋、鋪銅，模擬就真的不能鋪銅嗎？


PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖4



直角，45°斜線，任意角度斜線，方焊盤，圓焊盤，唯獨不見淚滴。



PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖5



高速信號線拐一下90°真的就不行？這里跟大家探討一下關于高頻/高速信號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缺點。


PCB能不能以銳角走線


PCB能不能以銳角走線，答案是否定的，先不管以銳角走線會不會對高速信號傳輸線造成負面影響，單從PCB DFM方面，就應該避免出現銳角走線的情形。

因為在PCB導線相交形成銳角處，會造成一種叫酸角“acid traps”的問題，啥？ 酸豆角？ 好吧，挺喜歡酸豆角拌面，但是這里的pcb上的酸角卻是個令人討厭的東西。 在pcb制板過程中，在pcb線路蝕刻環節，在“acid traps”處會造成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進行DFF Audit自動檢測出“acid traps”潛在問題，避免在PCB在制造產生時產生加工瓶頸，如果pcb板廠工藝人員檢測到有酸角(acid trap)存在，他們將簡單地貼一塊銅到這個縫隙中。

很多板廠的工程人員他們其實并不懂layout的，他們只是從PCB工程加工的角度進行了修復酸角(acid trap)的問題，但這種修復會不會帶來進一步的信號完整性問題便不得而知了，所以我們在layout是就應該從源頭去盡量避免產生酸角(acid trap)。

怎樣避免拉線時出現銳角，造成acid trap DFM問題？現代的EDA設計軟件(如Cadence Allegro、Altium Designer等)都帶有了完善的Layout走線選項，我們在layout走線可以靈活運用這些輔助選項，可以極大的避免我們在layout時產生產生“acid trap”現象。

焊盤的出線角度設置避免導線與焊盤形成銳角角度的夾角。



PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖6



利用Cadence Allegro的Enhanced Pad Entry功能能夠讓我們在layout時盡可能的避免導線與焊盤在出線時形成夾角，避免造成“acid traps”DFM問題。

PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖7


避免兩條導線交叉形成銳角夾角。


PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖8



靈活應用Cadence Allegro布線時切換”toggle“選項，可以避免導線拉出T型分支時形成銳角夾角，避免造成“acid traps”DFM問題。



PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖9

pcb layout能不能以90°走線


高頻高速信號傳輸線應避免以90°的拐角走線，是各種PCB Design Guide中極力要求的，因為高頻高速信號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，就會造成信號的反射，同時，拐角處的額外寄生電容也會對信號的傳輸造成時延影響。
當然，當信號沿著均勻互連線傳播時，不會產生反射和傳輸信號的失真，如果均勻互連線上有一個90°拐角會，則會在拐角處造成pcb傳輸線寬的變化，根據相關電磁理論計算得出，這肯定會帶來信號的反射影響。
90°拐角對高速信號傳輸線會有負面影響，理論上是這樣，但理論終究是理論，實際情況90°拐角對高速信號傳輸線造成的影響是否是舉足輕重的呢？理論上是一定的但是這種影響是不是致命的？90°拐角對于高速數字信號和高頻微波信號傳輸線的影響是不是一樣的？
根據這篇論文《right angle corners on printed circuit board traces,time and frequency domain analysis》和Howard Johnson 的這篇文章《Who’s Afraid of the Big Bad Bend?》及 Eric Bogatin的著作《信號完整性與電源完整性分析(第二版) 》第八章的內容，我們可以得出以下結論：
對于高速數字信號來說，90°拐角對高速信號傳輸線會造成一定的影響，對于我們現在高密高速pcb來說，一般走線寬度為4-5mil，一個90°拐角的電容量大約為10fF，經測算，此電容引起的時延累加大約為0.25ps，所以，5mil線寬的導線上的90°拐角并不會對現在的高速數字信號（100-psec上升沿時間）造成很大影響。
而對于高頻信號傳輸線來說，為了避免集膚效應（Skin effect）造成的信號損壞，通常會采用寬一點的信號傳輸線，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延時大約為25ps，此時，90°拐角將會造成非常嚴重的影響。
同時，微波傳輸線總是希望能盡量降低信號的損耗，90°拐角處的阻抗不連續和而外的寄生電容會引起高頻信號的相位和振幅誤差、輸入與輸出的失配,以及可能存在的寄生耦合,進而導致電路性能的惡化,影響PCB電路信號的傳輸特性。
關于90°信號走線，觀點是盡量避免以90°走線.前面不是說90°拐角對高速數字信號的影響可以忽略嗎？
當然，單個90°拐角對高速數字傳輸線所帶來的信號質量影響，相對于導線與參考平面高度的偏差，導線自身蝕刻過程中線寬線距均勻性的變化偏差，板材介電常數對頻率信號的變化，甚至過孔寄生參數所帶來的影響都要比90°拐角所帶來的問題大得多。
但是如今的高速數字電路傳輸線總避免不了要繞等長的，十幾二十個拐角疊加起來，這90°拐角所累計疊加起來的影響造成的信號上升延時將變得不可忽略。高速信號總是沿著阻抗的路徑傳輸，以90°拐角繞等長，終的實際信號傳輸路徑會比原來的要略短一些。
而且現在的高速數字信號傳輸速率正在變得越來越高，目前的HDMI2.0標準，傳輸帶寬速率已經達到了18Gbps，90°拐角走線將不再符合要求，而且現在都21世紀了，現在的EDA軟件即便是那些使用的，對45°走線都已經支持的很好了。
同時，以90°拐角走線，以工程美學來說，也不太符合人們的審美觀。所以，對于現在的layout來說，不論你是不是走的高頻/高速信號線，我們都要盡量避免以90°拐角進行走線，除非有特殊的要求。
對于大電流走線，有時我們會以鋪銅銅皮替換走線的方式布線，在鋪銅的拐角處，也需要以兩個45°拐角替換90°拐角，這樣不僅美觀，而且不會存在EMI隱患。

以45°走線


除了射頻信號和其他有特殊要求的信號，我們PCB上的走線應該優選以45°走線。要注意一點的是，45°角走線繞等長時，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。

由于高速信號線總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，高速信號走了捷徑，就會出現等長不準的情況。 現代的EDA軟件的繞線規則都可以很方便的設置相關的繞線規則。



PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖10

以arc弧形走線


如果不是技術規范明確要求要以弧形走線，或者是rf微波傳輸線，個人覺得，沒有必要去走弧形線，因為高速高密度pcb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空間。
對于類似USB3.1或HDMI2.0這樣的高速差分信號，個人認為還是可以走下圓弧線的。



PCB走線角度選擇，到底該不該90°？的圖11



當然，對于RF微波信號傳輸線，還是優先走圓弧線，甚至是要走“采用 45°外斜切”線走線。

以任意角度走線


隨著4G/5G無線通訊技術的發展和電子產品的不斷升級換代，目前PCB數據接口傳輸速率已高達10Gbps或25Gbps以上，且信號傳輸速率還在不斷的朝著高速化方向發展。隨著信號傳輸的高速化、高頻化發展，對PCB阻抗控制和信號完整性提出了更高的要求。
對于PCB板上傳輸的數字信號來說，電子工業界應用的包括FR4在內的許多電介質材料，在低速低頻傳輸時一直被認為是均勻的。
但當系統總線上電子信號速率達到Gbps級別時，這種均勻性假設不再成立，此時交織在環氧樹脂基材中的玻璃纖維束之間的間隙引起的介質層相對介電常數的局部變化將不可忽視，介電常數的局部擾動將使線路的時延和特征阻抗與空間相關，從而影響高速信號的傳輸。
基于FR4測試基板的測試數據表明，由于微帶線與玻纖束相對位置差異，導致測量所得的傳輸線有效介電常數波動較大，、值之差可以達到△εr=0.4。盡管這些空間擾動看上去較小，它會嚴重影響數據速度為5-10Gbps的差分傳輸線。
在一些高速設計項目中，為了應對玻纖效應對高速信號的影響，我們可以采用zig-zag routing布線技術以減緩玻纖效應的影響。
Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015及后續版本帶來了對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。

歲月是把殺豬刀，正如二十年前我們pcb layout不用關注是否要走弧形線，不用擔心pcb板材玻璃纖維對高速信號的影響一樣。可能二十年后您再看這篇文字，會覺觀點相當的out…

所以，不存在一成不變的pcb layout規則，隨著pcb制造工藝的提升和數據傳輸速率的提高，有可能現在正確的規則在將來將變得不再適用。所以為一枚合格的拉線君，一定要與時俱進，掌握產業技術方向的發展，才能不被大浪淘沙所淘汰。


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