In un circuito stampato ad alta velocità (PCB) il design, l'integrità del segnale è la base di prestazioni affidabili. Poiché i tassi di dati si arrampicano nella gamma gigabit-per-second, ogni discontinuità fisica lungo un percorso di segnale diventa una potenziale fonte di degradazione.

La Fisica di Via Parasitics

Induttanza parassita e capacità

La sua geometria — lunghezza del barile, diametro, pad e anti-pad — crea una rete RLC localizzata (resistenza, induttanza, capacità). L'induttanza parassita di una via attraverso-foro è approssimativamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale al suo diametro.

La capacità parassita si pone principalmente tra il pad e i piani terra adiacenti, e tra la barra e gli strati di rame che passa attraverso. L'anti-pad (il foro di sdoganamento nel piano di alimentazione/terra) mitiga questa capacità ma non può eliminarla completamente. L'eccesso di capacità abbassa la caratteristica impedenza della via, causando un errore che riflette l'energia verso la sorgente.

Via Stubs e Resonances

Quando un segnale passa attraverso una via che continua a strati non utilizzati, la parte rimanente del barile forma un stub. Ad alte frequenze, questa stub agisce come un risonatore di onde trim. Ad esempio, una robusta 1,6 mm di lunghezza in una tipica scheda FR4 (er ~4) ha una risonanza vicino 21 GHz.

Tipi di Via e loro implicazioni di integrità segnaletica

Viali attraverso-Hole

Il tipo più comune, attraverso il foro attraverso il trapano attraverso tutti gli strati. Sono economici e facili da produrre, ma contribuiscono alla massima induttanza parassita e capacità. Per coppie differenziali ad alta velocità, due vie attraverso fori in prossimità possono introdurre la conversione del modo (rumore comune-modo). Il grande foro crea anche un grande anti-pad nei piani di riferimento, interrompendo il percorso di ritorno corrente.

Via ciechi e birruffati

Le vie di comunicazione sono completamente racchiuse all'interno dello stack-up. Entrambi i tipi riducono la lunghezza del barile ed eliminano le stube per segnali che non hanno bisogno di attraversare l'intera scheda. Abbassano l'induttanza parassita e la capacità, migliorano la qualità del segnale e liberano l'area di routing su strati di superficie. Tuttavia, aumentano i costi di produzione e richiedono i disegni di spesa sequenziali.

Microvias

Le microvia (di diametro di 0,15 mm) sono azionati a laser e utilizzate nelle schede HDI (interconnessione ad alta densità) e le loro dimensioni ridotte riducono al minimo i parametri: una microvia può avere induttanza inferiore a 0,1 nH e capacità sotto 0,1 pF. Sono ideali per l'interruzione di bga e il routing denso.

Strategie per il posizionamento ottimale di Via

Tenere Vias Away da sentieri di segnale critico

Non posizionare via direttamente sul percorso di una traccia ad alta velocità se non assolutamente necessario. Invece, tracciare la traccia in una via che mantiene una transizione costante del piano di riferimento. La distanza tra una via e una traccia adiacente dovrebbe essere almeno 3-5 volte lo spessore dielettrico che separa la traccia dal suo piano di riferimento per ridurre al minimo l'accoppiamento del bordo e la crosstalk.

Usare Via terra per il percorso di ritorno Continuità

Quando un segnale attraverso transizioni da uno strato all'altro, la corrente di ritorno deve anche passare a un nuovo piano di riferimento. Senza un terreno vicino via, la corrente di ritorno deve trovare un percorso alternativo, spesso attraverso la decoupling di condensatori o di capacità di randa, aumentando l'induttanza del loop e EMI.

Minimizza Via Conte

Ogni via aggiunge effetti parassitari. Quando possibile, traccia segnali critici su un singolo strato senza via. Utilizzare tracce più lunghe con meno vie piuttosto che molti segmenti brevi con frequenti variazioni di livello. Per collegamenti seriali ad alta velocità (ad esempio, PCIe Gen5, 32 Gb/s), limitando il totale tramite conteggio a due o tre per canale è una regola di progettazione comune.

Allineare Vias con Piani Terrestri

La distanza anti-pad nel piano terra dovrebbe essere così piccola come le tolleranze di produzione permettono. Un più grande anti-pad aumenta l’induttanza parassita della via e interrompe la struttura coassiale-come della via di transizione. Allineare la via in modo che il segnale passa attraverso un piano terra continuo. Dove esistono piani a terra multipli, assicurarsi che tutti siano collegati elettricamente vicino alla via con ulteriori viali.

Ottimizzare Via Dimensioni e Forma

Tuttavia, i vincoli di produzione (dimensione minima del trapano, rapporto di aspetto) limitano quanto possono essere piccoli. Per un 0.2 mm tramite in una scheda di 1,6 mm, il rapporto di aspetto è 8:1, che è vicino al limite per molti costruttori. Utilizzare il più piccolo via consentito dalle regole di progettazione e il produttore di pcb scelto.

Indietro-Drilling per la riduzione di Stub

Come discusso, le stube causano risonanza. La retro-drilling rimuove la porzione inutilizzata di viale attraverso fori. Posizionare le vie retro-drilled con attenzione: la tolleranza di profondità di trapano (±100 μm tipico) significa che non è sempre possibile cancellare esattamente allo strato di segnale. Per i migliori risultati, utilizzare le vie cieche/buried, dove possibile per i percorsi robusti sensibili, o fare affidamento su back-drilling con margine aggiuntivo.

Via schermatura e recinzione

Per segnali analogici o RF estremamente sensibili che si affiancano a linee digitali ad alta velocità, si consideri [] attraverso la recinzione[: una fila di terra attraverso le due tracce del segnale sullo stesso strato. Ciò crea una barriera elettromagnetica parziale che riduce la crosstalk. Allo stesso modo, schermatura di un singolo via circondandola con un anello di terra tramite (collegato a tutti gli strati di terra) può sopprimere la radiazione e migliorare l'isolamento.

Via di posizionamento in coppie differenziali

Le vie differenziali devono mantenere la simmetria. Posizionare entrambe le vie di una coppia equidistant da qualsiasi via terra e mantenere i loro antipad identici. Evitare di mettere un terreno tra le due vie differenziali, in quanto questo rompe la simmetria e crea la conversione indesiderata di common-mode. Invece, posizionare il terreno attraverso fuori la coppia. La distanza tra le due vie del segnale dovrebbe corrispondere alla distanza di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza adiacente alla distanza di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza dalla coppia per la coppia di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza di distanza verso l'-indie-terra per ridurre al passo-indie-indie-terra per-indie-indietro-indietro-edge sulla distanza.

Parametri Stack-Up e Via Design

Trasmissioni del piano di riferimento

Un passaggio attraverso più strati può passare tra diversi piani di riferimento. Ad esempio, un segnale che si sposta da uno strato 1 (referenza: strato 2 terra) a uno strato 4 (referenza: strato 5 terra) deve vedere un percorso di ritorno continuo. Se il passaggio attraverso un piano di alimentazione, la corrente di ritorno deve salire a quel piano tramite condensatori di decoup.

Design anti-Pad

Il diametro del parasole dovrebbe essere di circa 1,5-2 volte il diametro del pad. Un anti-pad eccessivamente grande aumenta la duttilità; un troppo piccolo aggiunge capacità. Per transizioni controllate dall'impedenza, utilizzare la simulazione elettromagnetica 3D per regolare la dimensione del parasole. In alcuni disegni, anti-blocco non circolare (ad esempio, l'equilibrio degli occhielli.

Via-in-Pad (VIP)

La placcatura tramite il pad di atterraggio di un componente (via-in-pad) è comune nei disegni BGA per ridurre la lunghezza del ventilatore. Tuttavia, VIP aumenta la capacità parassita e aggiunge un piccolo anello induttivo. Riempimento e planarizzazione della via (con riempimento conduttivo o non conduttivo) mitiga questi effetti.

Simulazione e verifica

Simulazione 3D Full-Wave

Strumenti come Ansys HFSS, CST Microonde Studio, o Keysight EMPro possono modellare l'esatta geometria delle via e la loro stack-up circostante. Queste simulazioni catturano risonanze, conversione modale e accoppiamento che 2D o modelli analitici manca.

Riflessione del tempo-dominio (TDR)

Le misurazioni TDR sui prototipi forniscono una visione diretta delle variazioni di impedenza causate dalle vie. Un'immersione o un picco nella traccia TDR in via di posizione indicano una capacità o un'induttanza in eccesso, rispettivamente.

Misura di perdita di inserimento e di perdita di ritorno

Gli analizzatori di rete vettoriali misurano i parametri S dei buoni di prova che includono le vie. Confronta i risultati misurati con le previsioni simulate per convalidare i modelli.Per la produzione ad alto volume, imposta i criteri di passaggio/fallimento per la perdita di inserimento tramite indotto per lunghezza e la perdita di ritorno alla frequenza di Nyquist del tasso di dati operativo.

Constrati di fabbricazione e considerazioni sui costi

Minimo Via Dimensioni e Aspect Ratio

La produzione standard di pcb può produrre fori meccanici fino a 0,2 mm con rapporti di aspetto fino a 10:1. La produzione ad alto volume può spingere a 0,15 mm con proporzioni di 12:1, ma produce una caduta. Le microvia a laser possono essere piccole come 25 μm, ma richiedono processi HDI. Per i prototipi convenienti, attenersi a 0.3 mm o 0.25 mm tramites.

Costi di rientro

Il back-drilling richiede una configurazione aggiuntiva e un'operazione di perforazione secondaria. Aggiunge circa il 5-10% al costo della scheda, ma può migliorare notevolmente la qualità del segnale per i canali di lunga data. Molte specifiche del collegamento seriale (ad esempio, PCIe Gen5, Ethernet 25G) raccomandano di eseguire il back-drilling per tutte le vie nel percorso critico.

Rendimento e affidabilità

Le piccole vie e i rapporti di alto aspetto riducono i rendimenti dovuti a vuoti di placcatura e crepe di barili durante il ciclo termico. Nelle applicazioni ad alta affidabilità (aerospaziale, automobilistico), evitare i più piccoli diametri a meno che non siano riempiti.

Conclusioni

Ottimizzazione tramite posizionamento per la qualità del segnale in PCB ad alta velocità è una sfida multidimensionale. Richiede una profonda comprensione dei parassiti elettrici presentati da via, un'attenta selezione di tipo e geometria, e un uso giudizioso delle strategie di posizionamento come cucitura a terra, rimozione della stub e l'evitare di percorsi critici.

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