Le Tabbed routing (routage par onglets) est une méthode innovante développée par Intel pour pallier l’espace limité disponible sur les cartes de circuits imprimés, qui ne permettent souvent pas d’accueillir la largeur et l’isolement requis pour les lignes de transmission. Les onglets permettent d’ajouter de la longueur aux pistes plus courtes afin d’aligner leur temps de propagation avec les pistes plus longues.
Cette contrainte peut entraîner des désadaptations d’impédance et une diaphonie importante. En utilisant efficacement l’isolement disponible sur le PCB et en intégrant de petits blocs appelés « onglets » dans la structure de la ligne de transmission, le routage par onglets améliore l’adaptation d’impédance du signal et réduit la diaphonie. Une structure typique est illustrée dans le schéma ci-dessous. Bien que le routage par onglets puisse théoriquement être appliqué à n’importe quel bus, il est principalement utilisé dans les applications de bus DDR (double débit de données) en raison des défis de routage spécifiques associés aux différents types de bus.
Pourquoi utiliser le routage par onglets ?
Examinons le schéma général du routage des circuits imprimés DDR, qui peut être divisé en trois parties : la zone CPU, la zone de routage et la zone du connecteur DIMM ou DRAM. (Tout d’abord, il est important de comprendre les caractéristiques de câblage du bus DDR et les concepts clés tels que Pin Field, Breakout et Open Field.)
À l’aide du schéma ci-dessous, agrandissez et affinez la zone du processeur et une partie de la zone de routage. Pour cette configuration de circuit imprimé, en supposant une impédance de ligne de transmission requise de 40 ohms, ce qui nécessite une largeur de ligne de 150 µm. Pour répondre aux exigences PDG, l’isolement des lignes doit être de 450 µm.
Le champ de broches désigne la zone entourant les billes BGA et leurs vias correspondants dans la région CPU/BGA. Une caractéristique clé de cette zone est qu’une grande partie de l’isolement du circuit imprimé est occupée par les pastilles BGA et les vias reliant leurs traces, ce qui laisse peu de place pour l’acheminement des signaux. Pour accueillir toutes les traces de signaux dans cet espace restreint, il faut utiliser des largeurs de traces plus étroites et un isolement réduit.
Par exemple, en raison de la zone restreinte, la largeur de la ligne de transmission est limitée à 88 µm. Par rapport à la largeur standard de 150 µm, cela entraîne une augmentation de l’impédance, créant une discontinuité dans le chemin du signal. De plus, l’isolement des lignes a tendance à être plus irrégulier et généralement plus petit (par exemple 100 µm) par rapport à l’isolement standard de 450 µm, ce qui augmente la diaphonie des signaux.
Un autre type de champ de broches est utilisé dans le routage des lignes à ruban de couche interne et les configurations DDR multicanaux. Dans cette approche, les traces dans la région BGA sont routées sur des couches PCB plus profondes et ne peuvent passer qu’entre les vias. Entre deux vias adjacents, seules deux traces de signal peuvent être routées, chacune avec une largeur d’environ 88 µm et un isolement de 100 µm. Cette configuration entraîne une impédance plus élevée. Dans une configuration de stripligne idéale, la diaphonie d’extrémité lointaine devrait rester relativement faible.
La section qui suit le champ de broches est appelée champ de dérivation, qui offre davantage d’espace de routage disponible. Cependant, en raison de la haute densité des lignes de signaux DDR, une zone dédiée est toujours nécessaire pour répartir les traces de signaux. Par conséquent, le champ de dérivation reste quelque peu limité en termes d’espace. En général, des traces d’une largeur de 100 µm et d’un isolement de 200 µm sont utilisées dans cette zone. Par rapport au routage standard (largeur de 150 µm et isolement de 450 µm), cette configuration entraîne une impédance relativement élevée et une diaphonie accrue.
Une fois que les pistes de signal se sont déployées dans la zone de dérivation, elles pénètrent dans une zone plus large où le routage peut avoir lieu, appelée zone ouverte. Dans cette zone, le routage standard suit les règles de conception, avec une largeur de piste de 150 µm et un isolement de 450 µm. Dans la conception DDR, la réflexion du signal et la diaphonie sont les deux principaux défis. Les ingénieurs et les concepteurs doivent s’efforcer de maintenir une impédance constante et de minimiser autant que possible la diaphonie.
L’approche conventionnelle en matière de conception de PCB consiste à utiliser autant que possible une largeur et un isolement de ligne standard. Cela signifie que la longueur des zones de broches et de connexion doit être réduite au minimum. Idéalement, tout le routage devrait suivre l’approche du champ ouvert, où le routage standard selon les règles de conception peut être appliqué. Cependant, cela est difficile à réaliser dans la conception de circuits imprimés DDR, car cela augmente considérablement les coûts en raison de la nécessité de couches de routage supplémentaires pour répartir les traces de signal BGA.
Lorsque la longueur des câbles dans les zones des broches et des connecteurs ne peut être réduite au minimum, Intel recommande d’utiliser la méthode de routage par onglets. Cette technique consiste à ajouter des onglets dans ces zones afin de maintenir une impédance constante et de réduire la diaphonie lointaine.
Principes et simulations du routage par onglets
Comme mentionné ci-dessus, le routage par onglets remplit deux fonctions principales :
- Réduire l’impédance dans cette zone, améliorer l’adaptation d’impédance et réduire ainsi la réflexion du signal.
- Réduire la diaphonie entre les signaux, plus précisément, réduire la diaphonie lointaine.
Le premier point est assez intuitif : l’ajout d’onglets augmente la largeur de la ligne, ce qui réduit l’impédance et la rapproche de l’impédance d’un routage normal. La simulation peut être utilisée pour vérifier l’effet de l’ajout d’onglets. L’exemple suivant est tiré de la documentation publiée par Intel. Pour une paire de lignes microstrips, la longueur de couplage est de 20cm environ.
La valeur de diaphonie lointaine diminue de 42 mV à 2 mV lorsque l’on compare les résultats avec et sans routage par onglets. Cependant, dans les projets réels, en raison des limitations de la surface du circuit imprimé, la taille des onglets ne peut pas être ajustée arbitrairement et les résultats peuvent varier.
Son rôle et son effet peuvent également être observés dans le diagramme de l’œil dans le domaine temporel. Vous trouverez ci-dessous un exemple simple de cette topologie.
Le tableau suivant compare les résultats de la simulation du diagramme de l’œil avant et après l’application du routage par onglets. Les résultats montrent que la largeur et la hauteur de l’œil s’améliorent à des degrés divers après l’ajout du détourage.
Routage par onglets – conception et application
Dans la conception des PCB, différents types d’onglets sont utilisés dans différentes zones afin d’optimiser l’intégrité du signal et l’adaptation d’impédance. Vous trouverez ci-dessous plusieurs types d’onglets et leurs différences :
a. Onglets interdigitaux (zone de rupture) :
b. Onglets dans le champ de broches :
c. Dans les projets de conception réels, il peut exister différentes méthodes de routage par onglets en fonction de la forme du circuit imprimé et de la zone de routage :
d. Paramètres de routage par onglets : dans les projets de conception, les logiciels de conception de PCB tels qu’Allegro intègrent des plug-ins qui permettent de réaliser automatiquement la conception du routage par onglets en saisissant simplement les paramètres requis.
En général, les onglets opposés sont utilisés à la fois dans le champ de broches et dans le champ ouvert pour contrôler la capacité et l’impédance mutuelles, améliorant ainsi l’intégrité du signal. Les onglets du champ de broches sont utilisés spécifiquement pour l’adaptation d’impédance dans la zone du champ de broches, tandis que les onglets interdigitaux traitent principalement la densité des traces et la diaphonie dans le champ ouvert extérieur.
Conseils pour la conception du routage par onglets DDR
- Cohérence du nombre d’onglets : au sein de chaque groupe DQ ou DQS, le nombre d’onglets doit être cohérent, avec une tolérance de ±1. Si la longueur de rupture d’un signal DQ ou DQS ne permet pas l’utilisation d’un routage par onglets, aucun des autres signaux de ce groupe ne doit l’utiliser non plus. Cela garantit des retards de signal uniformes dans tout le groupe de largeur identique.
- Conception de la taille et de l’isolement : la taille et l’isolement des onglets doivent être déterminés en fonction de facteurs spécifiques tels que la configuration d’empilement, la largeur des pistes, l’espace de routage disponible et d’autres contraintes de conception. Ces paramètres doivent être vérifiés par simulation afin de garantir une adaptation d’impédance optimale et une suppression efficace de la diaphonie.
Le routage par onglets est-il adapté au DDR particulaire ?
- Les DDR à puce présentent généralement une configuration plus compacte avec une longueur de bus relativement courte. En raison de leur boîtier et de leurs connexions périphériques, elles peuvent ne pas disposer d’une zone de connexion aussi prononcée que celle que l’on trouve dans les DDR à base de DIMM.
- La zone des broches des DDR à puce présente généralement des longueurs de routage plus courtes et une région plus petite de discontinuité d’impédance, ce qui rend le déséquilibre d’impédance moins préoccupant que dans le cas des DDR à barrette DIMM. Par conséquent, le besoin de routage par onglets pour résoudre les problèmes d’impédance est proportionnellement moindre.
- La longueur du champ de broches peut varier selon les différents boîtiers DDR, ce qui rend difficile la normalisation du nombre d’onglets utilisées. Cette variabilité affecte la cohérence du retard du signal et augmente la complexité du maintien d’une correspondance précise des longueurs.
- La DDR sur puce offre une plus grande flexibilité dans les méthodes de câblage et le choix des couches, et ne nécessite pas toujours un routage en surface important. Si le routage par onglets présente des avantages notables en termes de réduction de la diaphonie et de contrôle de l’impédance dans le routage en surface, ces avantages sont moins prononcés lorsque la DDR sur puce ne repose pas fortement sur les couches de surface.
- De manière générale, la mémoire DIMM DDR est généralement utilisée dans les appareils tels que les ordinateurs et les serveurs qui exigent des performances élevées et des vitesses plus rapides, tandis que la mémoire DDR à puce est plus couramment utilisée dans les appareils soumis à des contraintes d’espace et d’alimentation plus strictes. Ces appareils ont généralement des vitesses plus faibles et les problèmes d’intégrité du signal sont moins critiques.
Lorsque vous utilisez le routage par onglets dans la conception de PCB, il est important de noter que les onglets peuvent augmenter le couplage entre les lignes de signal. S’ils sont placés trop près d’autres traces, le cuivre supplémentaire peut renforcer le couplage capacitif ou inductif, entraînant une augmentation de la diaphonie. Des onglets mal conçus peuvent également résonner à certaines fréquences, amplifiant le bruit à haute fréquence et détériorant l’intégrité du signal.
Pour atténuer ces risques, la taille, l’isolement et d’autres paramètres des onglets doivent être soigneusement optimisés par simulation. Ce processus de conception est plus complexe, et l’ajout d’onglets augmente la difficulté de fabrication des circuits imprimés, ce qui entraîne une augmentation des coûts et des délais de production.
Conclusions
Le routage par onglets est une méthode de conception innovante développée par Intel pour les scénarios où l’espace de routage des circuits imprimés est limité. Il permet la compensation d’impédance et réduit la diaphonie à distance dans les zones restreintes, améliorant ainsi les performances globales du signal. Largement utilisé dans la conception de circuits imprimés DDR, le routage par onglets peut également être appliqué dans les domaines de l’emballage, des interposeurs et autres.
Références:
1.Tabbed_Routing_Basics_563771_rev1_0, Intel
2.Cheng-Yu Tsai,etc, « Mitigate Package Level Crosstalk Using Tabbed Design”, in 2023 IEEE, 979-8-3503-8412-3
3. PCB-west-2016-new-techniques-address-layout-challenges-high-speed-routing-cp, Cadence.
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