Роль с помощью дизайна в минимизации проблем целостности сигналов в многослойных ПКБ

Многослойные печатные платы (PCB) являются основой практически каждого современного электронного устройства, от смартфонов и ноутбуков до медицинского оборудования и аэрокосмических систем. По мере увеличения рабочих частот и плотности компонентов поддержание чистой целостности сигнала через эти сложные межсоединения становится первостепенной задачей. Среди многих факторов, влияющих на качество сигнала, благодаря дизайну выделяется как критический вклад в деградацию сигнала, так и мощный инструмент для смягчения. Vias - крошечные проводящие туннели, которые соединяют различные медные слои - вводят паразитные элементы, которые могут искажать, отражать или излучать сигналы, если не тщательно спроектированы. Эта статья исследует, как дизайн непосредственно влияет на целостность сигнала в многослойных печатных платах и обеспечивает действенные стратегии для минимизации таких проблем, как отражения, перекрестные и электромагнитные помехи (EMI).

Понимание Vias в многослойных ПХД

Виас являются существенными структурами, которые позволяют электрическим сигналам перемещаться от одного слоя ПХБ к другому. В многослойной плате, которая может содержать четыре, шесть, десять или более слоев меди, заменяя простые соединения через отверстие, используемые в более простых конструкциях. Физическая конструкция с помощью обычно состоит из просверленного отверстия, покрытого медью, наряду с кольцевыми кольцами (папками) на каждом соединенном слое и антипапкой (зачисткой) на несвязанных слоях для предотвращения непреднамеренных шорт. Надежность и производительность этих свай зависят от тщательного рассмотрения их геометрии, размещения и типа.

Типы Via

Инженеры могут выбирать из нескольких сквозных конструкций в зависимости от сложности конструкции, ограничений по стоимости и требований к скорости сигнала:

Через строительство и материалы

Проводящий материал в суайсах почти всегда медный, применяется через безэлектронную обшивку с последующим гальваническим покрытием. Толщина покрытия (обычно 1-2 унции на квадратный фут) влияет как на пропускную способность тока, так и на высокочастотное сопротивление. Диэлектрический материал вокруг суа - обычно FR-4, полиимид или специализированные ламинаты с низкими потерями потерь - влияет на импеданс и потерю сигнала суай. На более высоких частотах коэффициент диэлектрической постоянной и диссипации подложки становятся значительными факторами в производительности. Чтобы узнать больше об электрических свойствах с помощью материалов, обратитесь к стандартам IPC для классификаций ламината ПХБ.

Паразитические эффекты, введенные Vias

Каждый сквозной сигнал ведет себя как маленький нежелательный элемент цепи — прежде всего, как комбинация последовательной индуктивности и шунтирующей емкости. Эти паразитические эффекты становятся проблематичными, когда время подъема сигнала короткое (высокоскоростной цифровой) или когда частота сигнала превышает несколько сотен мегагерц. Понимание величины этих паразитов является первым шагом к их контролю.

Через индуктивность

Индуктивность сквозного возникает из области петли, образованной сквозным стволом, обратной траекторией тока и внутренними плоскими соединениями. Типичный сквозной проход может иметь индуктивность порядка 0,5-2 нанохондрий в зависимости от его высоты и диаметра. Этот индуктивный компонент вызывает импедансный удар, который отражает сигналы, увеличивает время подъема и может производить падение напряжения в распределительных сетях. Формула для сквозной индуктивности (приблизительно) является L = (h/5) * nH, где h h — по высоте и d — по диаметру.d]d — по диаметру. Для минимизации индуктивности конструкторы должны уменьшать по высоте (меньше слоев или использовать микровиа) и увеличивать по диаметру, хотя последний также увеличивает емкость.

Через емкость

Емкость на сквозной поверхности происходит между сквозной бочку и смежными медными плоскостями (например, силовыми или наземными слоями) через диэлектрик. Клиренс антипода создает небольшой конденсатор с параллельной пластиной. Приблизительная емкость сквозной поверхности задается C = (1.41 × ε r × D × h) / (D2 — d) pF, где D — диаметр антипода, d — диаметр сквозной площадки, а h — диэлектрическая толщина. Более высокая емкость замедляет края сигнала и способствует затуханию сигнала. Уменьшение размера антипода или использование более толстых диэлектриков может снизить емкость, но эти регулировки должны балансировать с требованиями, соответствующими импедансу.

Влияние Via Stubs

Сквозная заглушка — неиспользуемая часть сквозной скважины, через которую проходит слой, где происходит переход сигнала. Эта заглушка действует как заглушка линии передачи с открытым замыканием, вызывая отражения на частотах, где длина заглушки равна четверти длины волны. Для высокоскоростных сигналов (например, 10 Гбит/с и выше) заглушки могут вызывать тяжелые зависящие от частоты потери и резонансные выемки, которые ухудшают диаграммы глаз. Удаление или минимизация заглушек через заднее бурение (операция по бурению после покрытия, которая удаляет нежелательную бочку) является обязательным для многих высокоскоростных конструкций. Подробное руководство по эффектам заглушки можно найти в технических документах из IEEE по высокоскоростному моделированию межсоединений.

Проблемы целостности сигналов, вызванные Vias

Паразитическая индуктивность и емкость суицидов проявляются как конкретные проблемы целостности сигнала, которые могут сорвать производительность дизайна. Инженеры должны признать, как эти проблемы появляются в симуляциях и измерениях.

Сигнальные отражения и прерывности импеданса

Целостность сигнала зависит от контролируемого импеданса по всему пути от водителя до приемника. Когда с помощью прерывания линии передачи - изменение ее геометрии поперечного сечения - мгновенное импеданс в этой точке отличается от следа импеданса. Это несоответствие импеданса вызывает частичное отражение энергии сигнала, которое распространяется обратно к источнику и может вызвать звон, перерасход или ложное срабатывание. Коэффициент отражения на с помощью примерно пропорционален отклонению импеданса. Для поддержания управления импедансом дизайнеры могут использовать землю через заборы, регулировать диаметры антипапки или использовать моделирование с помощью перехода в таких инструментах, как Ansys HFSS или Keysight ADS.

Перекресток между виасами

Виас, расположенные близко друг к другу, могут связывать энергию через взаимную индуктивность и емкость, особенно если они несут высокоскоростные или высокоскоростные сигналы. Ближний и дальний перекрестный контакт между суками может превышать этот между параллельными следами из-за трехмерной природы связи. В плотных конструкциях сумы для разных сетей могут иметь одинаковый клиренс анти-накладки, увеличивая перекрестный контакт. Методы смягчения включают увеличение через шаг, добавление земли через между сигнальными супами (коаксиальное экранирование) и избегание параллели через пробеги на длинные вертикальные расстояния. Для всестороннего анализа механизмов перекрестного скрещивания обратитесь к документации Алтий на высокоскоростной конструкции.

Электромагнитная интерференция (EMI)

Виас может действовать как непреднамеренные антенны, излучающие электромагнитную энергию. Петля, образованная сигналом через и его ближайший обратный путь (обычно земля через или емкость к соседней плоскости), создает небольшую петлевую антенну. Эффективность излучения увеличивается с областью петли и частотой сигнала. Общие симптомы EMI включают неисправность регуляторных тестов выбросов или помехи в близлежащих чувствительных цепях. Для уменьшения EMI от проходов, держать обратные пути близко и низкоиндуктивность (например, помещать землю рядом с каждым сигналом через), использовать непрерывные наземные плоскости и избегать прорезывания плоскостей с длинными через отверстия клиренса. Дополнительные методы защиты описаны в статьях журнала Compliance Magazine на PCB EMI.

Стратегии проектирования для минимизации проблем с сигналами, вызванными Via

При глубоком понимании проблем инженеры могут реализовать проверенные методы для сохранения целостности сигнала через многослойные межсоединения. Следующие стратегии решаются с помощью геометрии, размещения и передовых вариантов производства.

Оптимизация с помощью геометрии

Размеры с помощью - диаметр, размер прокладки и противоударный просвет - непосредственно управляют его паразитическим L и C. Хорошая отправная точка - использовать наименьший диаметр, который производитель может надежно производить, поскольку меньшие прокладки обычно имеют меньшую емкость (хотя индуктивность может немного увеличиться). Типичные рекомендуемые диаметры для цифровых конструкций составляют 0,2 мм (8 мил) или 0,25 мм (10 мил) для стандартных ПХД и 0,1 мм (4 мил) или меньше для микроволн HDI. Размер пада должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить хорошее кольцевое кольцо (обычно 0,1 мм больше диаметра сверла на стороне), но не больше, чтобы избежать добавления дополнительной емкости. Клиренс антипода должен быть сопоставлен с желаемым импедансом; типичное значение 0,15 мм (6 мил) больше, чем диаметр прокладки. Калькуляторы импеданса в большинстве инструментов проектирования ПХБ могут точно настроить эти параметры.

Через размещение и маршрут

Стратегическое размещение сквозняков может значительно уменьшить деградацию сигнала. Избегайте размещения сквозняков вблизи краев плат или вблизи других высокоскоростных следов. По возможности вставьте землю через соседний с каждым сигналом путь возврата; это особенно эффективно при переходе сигналов между слоями. Для дифференциальных пар оба следа пары должны переходить в одном и том же месте (парные сквозняки) для поддержания дифференциального импеданса. Избегайте того, чтобы сигнал сквозняков пересекал щель или зазор в плоскости отсчета, так как эти силы возвращают токи для перемещения вокруг зазора, увеличивая индуктивность и EMI. Используйте несколько сквозняков для высокоточных силовых соединений для снижения как индуктивности, так и сопротивления.

Сокращение количества спазмов и Via Stub

Для конструкций, работающих выше 1 ГГц, часто требуется обратное бурение (также называемое бурением с контролируемой глубиной). Процесс использует больший сверл для удаления неиспользованного медного ствола из сквозного заглушка, оставляя только часть, необходимую для фактического сигнального пути. Заднее бурение уменьшает резонансную выемку и улучшает потерю вставки, устраняя емкостную и индуктивную нагрузку заглушки. Глубина заклепки должна контролироваться точно, чтобы избежать повреждения целевого слоя. Многие производители предлагают эту услугу по дополнительной цене. Для еще лучшей производительности рассмотрите возможность использования слепых или закапываемых сквозняков, которые по своей сути не имеют заглушек. Подробное сравнение методов удаления заглушек можно найти в статьях EDN Network о высокоскоростной конструкции ПХБ.

Заземление и щитовые техники

Наземные сквозняки играют двойную роль: они сокращают вместе наземные плоскости для поддержания опорного сигнала низкого давления и защищают сигнал сквозняками друг от друга. Размещение кольца наземных сквозняков вокруг высокоскоростного сигнала с помощью (сквозной забор или коаксиальная сквозная структура) может уменьшить перекрестное скрещивание и EMI. Разрыв между наземными сквозняками должен быть меньше λ/20 на самой высокой интересующей частоте, чтобы действовать как эффективный барьер. Кроме того, сшивание сквозняков вокруг периферии доски гарантирует, что наземные плоскости на всех слоях имеют одинаковый потенциал, устраняя наземные петли. Для конструкций со смешанными сигналами отдельные наземные потоки с помощью одного моста (через или след) предотвращают цифровой шум от загрязнения аналоговых секций.

Продвинутые структуры Via

Когда плотность и производительность требуют большего, инженеры могут использовать передовые технологии. Microvias (лазерно-буреные с помощью диаметров ≤ 0,15 мм) предлагают наименьшие паразиты и обычно укладываются или шатаются в конструкциях HDI. Via-in-pad (VIP) помещает с помощью непосредственно в паяльную площадку компонента, уменьшая длину маршрутизации и индуктивность к устройству. VIP должен быть заполнен (часто эпоксидной или проводящей пастой) и затем планаризован, чтобы обеспечить правильное образование паяльных соединений. Другой развивающейся техникой является использование медно-наполненных с помощью (также называемых проводящими заполненными с помощью), которые полностью занимают отверстие, устраняя заглушку и уменьшая проблемы теплового расширения. Эти структуры описаны в технических колонках PCB007 .

Моделирование и проверка производительности Via

Даже лучшие правила проектирования могут не гарантировать целостность сигнала для новых или экстремальных конструкций. Инструменты моделирования позволяют инженерам моделировать с помощью 3D, извлекать S-параметры и визуализировать эффекты перед изготовлением.

3D электромагнитный инструмент моделирования

Программное обеспечение, такое как Ansys HFSS, CST Studio Suite или Keysight ADS, может создавать полноволновую модель с помощью перехода. Модель включает в себя с помощью ствола, прокладок, антипап, смежных плоскостей и диэлектрического стекапа. Эти инструменты вычисляют профиль импеданса, потери вставки, потери возврата и перекрестные помехи в широком диапазоне частот. Они также генерируют эквивалентную схему, которая может использоваться в симуляции системного уровня (например, в моделях SPICE или IBIS). Запуск параметрических прометеней по размерностям помогает определить оптимальную геометрию для целевой полосы пропускания.

Измерение через импеданс и потерю вставки

Помимо моделирования важна физическая верификация. Отражательная метрика домена времени (TDR) может измерять импеданс линии передачи с разрешением пикосекунды, выявляя разрывы. Измерения частот домена с использованием векторного анализатора сети (VNA) обеспечивают S-параметры, которые количественно определяют потери вставки и потери возврата. Сравнение измеренных результатов с моделированием помогает калибровать модели для будущих конструкций. Многие производители печатных плат предлагают услуги по тестированию по цене для критической чистой проверки.

Заключение

Проектирование через многослойную ПХД не является запоздалой мыслью в многослойной разработке ПХД; это основной фактор в определении того, будет ли дизайн работать надежно на высоких скоростях. Паразитическая индуктивность и емкость с помощью вводит отражения, перекрестные разговоры и EMI, которые могут повреждать сигналы и увеличивать скорости бит-ошибок. Понимая физику, стоящую за этими эффектами, и применяя преднамеренные стратегии проектирования - такие как оптимизация через размер, устранение заглушки, размещение наземных с помощью и использование передовых с помощью структур - инженеры могут минимизировать проблемы целостности сигнала, не жертвуя плотностью компоновки или производственной осуществимостью. Поскольку рабочие частоты платы продолжают расти, мастерство с помощью дизайна останется важным навыком для любого дизайнера ПХБ или инженера целостности сигнала. Продолжение обучения через отраслевые ресурсы и практика моделирования гарантирует, что с помощью в вашей следующей доске будет способствовать производительности, а не проблемы, которые будут отлажены.