I circuiti stampati multistrato (PCB) sono la spina dorsale di virtualmente ogni dispositivo elettronico moderno, dagli smartphone e dai computer portatili alle apparecchiature mediche e ai sistemi aerospaziali. Come le frequenze operative aumentano e le densità dei componenti, mantenere l'integrità del segnale pulita attraverso questi interconnessi complessi diventa una sfida fondamentale.

Comprensione di Vias in PCB multistrato

Le vie sono strutture essenziali che permettono ai segnali elettrici di viaggiare da uno strato di un PCB all'altro. In una scheda multistrato, che può contenere quattro, sei, dieci o più strati di rame, si sostituisce alle semplici connessioni tramite fori utilizzate in disegni più semplici. La costruzione fisica di una via è tipicamente costituita da un foro forato placcato con rame, insieme a anelli anulari (pad) su ogni strato collegato e un antiblocco (clearance) su breve affidabilità.

Tipi comuni di via

Gli ingegneri possono scegliere tra diverse strutture a seconda della complessità del design, dei vincoli di costo e dei requisiti di velocità del segnale:

  • Le vie a foro sottile[] si estendono attraverso l'intero spessore della tavola, collegando tutti gli strati. Mentre più semplici da produrre, creano robuste e grandi capacità parassitarie, rendendole meno adatte ai segnali ad alta frequenza.
  • Le vie corte[] collegano uno strato esterno ad uno o più strati interni senza passare attraverso l'intera scheda. Riducendo la lunghezza della barra e migliorano la qualità del segnale, ma richiedono processi di fabbricazione più complessi.
  • Le vie incollate[] esistono interamente all'interno degli strati interni, invisibili dalla superficie del bordo. Sono eccellenti per i segnali densi di routing e ad alta velocità perché minimizzano le interferenze con i componenti esterni-strato, ma aggiungono i costi di produzione.
  • Microvias[] sono piccole vie (tipicamente inferiori a 150 μm di diametro) spesso formate da perforazione laser. Sono utilizzate nei disegni di interconnessione ad alta densità (HDI) e offrono una minima induttanza parassita e capacità, rendendole ideali per applicazioni ad alta frequenza.

Via Costruzione e Materiali

Il materiale conduttivo in via è quasi sempre rame, applicato attraverso placcatura elettrolitica seguita da placcatura elettrolitica. Lo spessore della placcatura (tipicamente 1-2 once per piede quadrato) colpisce sia la capacità di consultazione corrente-carrying e la resistenza ad alta frequenza. Il materiale dielettrico intorno alla via—solitamente FR-4, poliimide, o laminati di perdita di specialità—influenza il segnale di impedenza maggiore

Effetti parassitari introdotti da Vias

Ogni via si comporta come un piccolo elemento di circuito indesiderato, soprattutto una combinazione di induttanza di serie e capacità di shunt. Questi effetti parassitari diventano problematici quando i tempi di aumento del segnale sono brevi (digital ad alta velocità) o quando la frequenza del segnale supera diverse centinaia di megahertz. Capire la magnitudine di questi parassiti è il primo passo per controllarli.

Via Induttanza

L'induttanza di una via deriva dall'area del loop costituita dalla barra, dal percorso di ritorno e dai collegamenti interni del piano. Un tipico foro attraverso può avere una induttanza sull'ordine di 0.5 a 2 nanohenries, a seconda della sua altezza e diametro. Questo componente induttivo provoca un urto di impedenza che riflette i segnali, aumenta il tempo di salita e può produrre il droop di tensione nelle reti di distribuzione di potenza.

Via Capacitance

Il diametro di condensazione è di diametro inferiore, con un diametro di dielettrico inferiore, con un diametro di disinfettante (ad esempio, di potenza o di terra) con un diametro di dielettrico.

L'impatto di Via Stubs

Una barra di guida non utilizzata è la parte inutilizzata di un foro attraverso che si estende oltre lo strato dove il segnale passa. Questa stub agisce come una barra di trasmissione a circuito aperto, causando riflessi a frequenze dove la lunghezza del cilindro è uguale a una lunghezza d'onda di quarto.

Sfide di Integrità Segnale causate da Vias

L’induttanza parassita e la capacità delle vie si manifestano come problemi di integrità del segnale concreto che possono derail le prestazioni di un progetto.

Riflessioni segnaletiche e discontinuità di impedenza

L'integrità del segnale si basa sull'impedenza controllata lungo l'intero percorso dal conducente al ricevitore. Quando una via interrompe la linea di trasmissione, cambiando la sua geometria trasversale, l'impedenza istantanea a quel punto differisce dall'impedenza traccia. Questo errore di impedenza provoca una riflessione parziale dell'energia del segnale, che si propaga verso la fonte e può causare l'anello, la risoluzione o il falso triggering.

Traversata tra le vie

Le vie poste vicino possono accoppiare energia attraverso la mutua induttanza e capacità, soprattutto se portano segnali ad alta velocità o ad alta velocità. La traversata di fine e fine tra le vie può superare quella tra tracce parallele a causa della natura tridimensionale dell'accoppiamento.

Interferenza elettromagnetica (EMI)

Il loop formato dal segnale tramite il percorso di ritorno più vicino (solitamente un terreno tramite o una capacità di un piano adiacente) crea una piccola antenna a ciclo. L'efficienza delle radiazioni aumenta con l'area del loop e la frequenza del segnale. I sintomi comuni dell'EM includono test di emissioni o interferenze con i circuiti sensibili vicini.

Strategie di progettazione per minimizzare le emissioni di segnale indotte da Via‐Indotto

Con una solida comprensione dei problemi, gli ingegneri possono implementare tecniche collaudate per preservare l'integrità del segnale attraverso interconnessioni multistrato.

Ottimizzazione della Via Geometria

Le dimensioni di un anello di diametro inferiore a quello desiderato, il diametro di pad, e la distanza di antipad, controllano direttamente la sua L e C. Un buon punto di partenza è quello di utilizzare il più piccolo via diametro che il fabbricante può produrre in modo affidabile, poiché le vie più piccole generalmente hanno una capacità inferiore (anche se l'induttanza può aumentare leggermente).

Via Luogo e Routing

Il posizionamento strategico delle vie può ridurre significativamente il degrado del segnale. Evitare di posizionare le vie vicino ai bordi delle tavole o vicino ad altre tracce ad alta velocità. Quando possibile, inserire un terreno tramite adiacente ad ogni segnale attraverso un percorso di ritorno a bassa induttanza; questo è particolarmente efficace quando si passano i segnali tra gli strati. Per coppie differenziali, entrambe le tracce della coppia devono passare allo stesso luogo (trasferimenti a binari) per mantenere la trasversalità differenziata.

Indietro-Drilling e via Stub Riduzione

Per i progetti che operano sopra 1 GHz, è spesso necessario un back-drilling (chiamato anche perforazione controllata) che utilizza un bit di perforazione più grande per rimuovere il barile di rame non utilizzato dalla barra di via, lasciando solo la parte necessaria per il percorso del segnale effettivo.

Tecniche di messa a terra e di schermatura

Le vie di terra svolgono un duplice ruolo: si accorciano insieme piani di terra per mantenere un riferimento a bassa impedenza e schermano il segnale tramite l'altro. Posizionando un anello di terra attraverso un segnale ad alta velocità tramite (una via-fence o una coassiale via struttura) può ridurre la crosstalk e l'EMI. La spaziatura tra il terreno deve essere inferiore a λ/20 alla massima frequenza di interesse per terra per agire come barriera efficace.

Strutture avanzate

Microvias (laser-drilled via con diametri ≤ 0.15 mm) offrono i più piccoli parassiti e sono comunemente impilati o sganciati nei disegni HDI. Via‐in-pad (VIP) mette una via direttamente all’interno di un pad saldante del componente, riducendo la lunghezza di routing e l’induttanza al dispositivo.

Simulazione e verifica delle prestazioni via

Anche le migliori regole di progettazione non possono garantire l'integrità del segnale per i disegni nuovi o estremi. Gli strumenti di simulazione permettono agli ingegneri di modellare via in 3D, estrarre i parametri S e visualizzare gli effetti prima della fabbricazione.

Strumenti di simulazione elettromagnetica 3D

Software come Ansys HFSS, CST Studio Suite, o Keysight ADS possono creare un modello a onde complete di una via di transizione. Il modello include la via barile, pad, antipad, piani adiacenti e la dielettrica stack-up. Questi strumenti calcolano il profilo di impedenza, la perdita di inserimento, la perdita di ritorno e la crosstalk su un ampio range di frequenza.

Misurazione tramite perdita di impedenza e inserimento

La riflettrice Time‐domain (TDR) può misurare l'impedenza di una linea di trasmissione a risoluzione di picosecondo, rivelando discontinuità. Le misurazioni Frequency‐domain utilizzando un analizzatore di rete vettoriale (VNA) forniscono parametri S‐parametri che quantificano la perdita di inserimento e la perdita di ritorno.

Conclusioni

Il progetto continua a essere un fattore fondamentale per determinare se un design funzioni in modo affidabile ad alta velocità. L'induttanza parassita e la capacità delle vie di introdurre riflessi, crosstalk e EMI che possono corrompere i segnali e aumentare i tassi di simulazione bit-error.