Оптимизация с помощью размещения для качества сигнала в высокоскоростных ПКБ
В высокоскоростной конструкции печатной платы (PCB) целостность сигнала является основой надежной производительности. По мере того, как скорость передачи данных поднимается в гигабит за секунду, каждое физическое прекращение вдоль сигнального пути становится потенциальным источником деградации. Vias - пластинчатые отверстия, которые соединяют следы на разных слоях - являются одними из наиболее распространенных и наиболее эффективных разрывов. Хотя необходимые для маршрутизации в многослойных платах, через введение паразитной индуктивности и емкости, которые могут искажать формы волн, создавать отражения и увеличивать электромагнитные помехи (EMI). Оптимизация через размещение является поэтому не только вторичным фактором, но и центральной задачей в достижении чистой, надежной передачи сигнала. Эта статья расширяет фундаментальные стратегии, углубляясь в физику через паразитов, передовые методы размещения, методологии моделирования и производственные компромиссы, которые инженеры должны балансировать для обеспечения высокопроизводительных, готовых к производству конструкций.
Физика Via Parasitics
Паразитическая индуктивность и способность
Сквозная не является идеальным проводником. Его геометрия — длина ствола, диаметр, прокладка и антипрокладка — создает локализованную сеть RLC (сопротивление, индуктивность, емкость). Паразитическая индуктивность сквозной скважины через примерно пропорциональна ее длине и обратно пропорциональна ее диаметру. Для типичного диаметра 0,3 мм через в доске толщиной 1,6 мм индуктивность может быть порядка 0,5-1,0 нН. На частоте сигнала 1 ГГц это импеданс (wL) составляет примерно 3-6 Ω — достаточно, чтобы вызвать значительные проблемы целостности сигнала, когда импеданс трассы составляет 50 Ω.
Паразитическая емкость возникает в первую очередь между сквозной прокладкой и прилегающими наземными плоскостями, а между сквозным стволом и медными слоями, через которые она проходит. Противокалиберная прокладка (отверстие зазора в плоскости мощности / грунта) смягчает эту емкость, но не может полностью устранить ее. Избыточная емкость снижает характерное импедансное сопротивление сквозного, вызывая несоответствие, которое отражает энергию обратно к источнику. Отражение проявляется как звон, дрожь и увеличение частоты битовых ошибок.
С помощью резонансов и резонансов
Когда сигнал проходит через сквозной канал, который продолжает неиспользованный для более глубоких слоев, оставшаяся часть ствола образует заглушку. На высоких частотах эта заглушка действует как четвертьволновый резонатор. Например, заглушка длиной 1,6 мм в типичной плате FR4 (er ~4) имеет резонанс около 21 ГГц. Однако даже гармоники могут вызывать проблемы при более низких скоростях передачи данных; заглушка размером 0,8 мм может резонировать близко к 3-й гармонике сигнала 5 Гбит/с. Заглушки вызывают выемки потерь при вставке и искажение групповой задержки. Заднее бурение — контролируемое удаление неиспользованной ствола — широко распространенный метод устранения заглушек. Наилучшая практика — держать длину заглушки ниже 10-12 мил для сигналов 25 Гбит/с.
Виды виас и их последствия для целостности сигнала
Сквозные мозоли
Наиболее распространенный тип, сквозные отверстия через сверло через все слои. Они недороги и просты в изготовлении, но способствуют наивысшей паразитарной индуктивности и емкости. Для высокоскоростных дифференциальных пар две сквозные отверстия в непосредственной близости могут вводить режим конверсии (шум в обычном режиме). Большое отверстие также создает большую анти-папку в плоскостях отсчета, нарушая обратный ток пути.
Слепые и погребённые виасы
Слепые прокладки соединяют внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями без прохождения через всю доску. Похороненные прокладки полностью заключены в стек-ап. Оба типа уменьшают длину ствола и устраняют заглушки для сигналов, которые не нужно пересекать всю доску. Они снижают паразитарную индуктивность и емкость, улучшают качество сигнала и освобождают площадь маршрутизации на поверхностных слоях. Однако они увеличивают стоимость изготовления и требуют последовательной ламинации. Для конструкций с высоким слоем счет с несколькими высокоскоростными полосами улучшенная целостность сигнала часто оправдывает расходы.
Микрофлора
Микровии (обычно < 0,15 мм диаметром) лазерно-буреные и используются в HDI (взаимосвязанных с высокой плотностью) платах. Их небольшой размер минимизирует паразитов: микровиа может иметь индуктивность ниже 0,1 нН и емкость ниже 0,1 пФ. Они идеально подходят для прорыва bga и плотной маршрутизации. Сложенные микровии (один поверх другого) обеспечивают короткое вертикальное соединение с минимальным нарушением. Пошатнувшиеся микровии предлагают немного больше паразитического контроля, избегая непрерывной медной колонны.
Стратегии оптимального размещения
Держите Vias подальше от критических сигналов
Не ставьте проходы непосредственно на пути высокоскоростного следа, если это не является абсолютно необходимым. Вместо этого маршрутируйте след к местоположению с помощью, которое поддерживает последовательный переход плоскости отсчета. Расстояние между с помощью и соседним следом должно быть по меньшей мере в 3-5 раз больше диэлектрической толщины, отделяющей след от плоскости отсчета, чтобы минимизировать сцепление ребра и перекрестное сцепление.
Используйте наземные виа для непрерывности пути возвращения
Когда сигнал через переходы от одного слоя к другому, обратный ток также должен переключаться на новую плоскость отсчета. Без близкого грунта через, обратный ток должен найти альтернативный путь, часто через разъединение конденсаторов или бродячей емкости, увеличивая индуктивность петли и EMI. Поместите землю через , прилегающую к каждому сигналу через , прилегающую к каждому сигналу через (в пределах 40-60 милс для сигналов с несколькими Гбит/с). Для дифференциальных пар используйте две грунтовые через симметрично размещенные. Эта практика иногда называется , с помощью сшивания и имеет важное значение для поддержания пути возврата с низким сопротивлением.
Минимизация Via Count
Каждый из них добавляет паразитные эффекты. По возможности маршрутизируйте критические сигналы на одном слое без пропусков. Используйте более длинные следы с меньшим количеством пропусков, а не множество коротких сегментов с частыми изменениями слоев. Для очень высокоскоростных последовательных линий связи (например, PCIe Gen5, 32 Гбит/с), ограничение общего количества пропусков до двух или трех на канал является общим правилом проектирования.
Сравнение виас с наземными самолетами
Разрешение анти-наземной плоскости должно быть таким же маленьким, как позволяют допуски производства. Более крупная анти-накладка увеличивает паразитическую индуктивность с помощью и нарушает коаксиальную структуру с помощью перехода. Выравнивайте с помощью так, чтобы сигнал проходил через непрерывную наземную плоскость. Там, где существует несколько наземных плоскостей, убедитесь, что все электрически связаны рядом с с помощью с дополнительными наземными с помощью.
Оптимизируйте размер и форму
Меньшие сквозняки уменьшают паразитную индуктивность и емкость. Однако производственные ограничения (минимальный размер сверла, соотношение сторон) ограничивают их размер. Для 0,2 мм сквозняка в доске 1,6 мм соотношение сторон составляет 8:1, что близко к пределу для многих производителей. Используйте наименьшее сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквозное сквоз
Обратный дребезжание для уменьшения закусок
Как обсуждалось, заглушки вызывают резонанс. Заднее бурение удаляет неиспользованную часть сквозных пробок. Размещайте засверленные пробки осторожно: допуск глубины бурения (±100 мкм типичный) означает, что вы не всегда можете точно очистить сигнальный слой. Для достижения наилучших результатов используйте слепые / закопанные пробки, где это возможно, для чувствительных к заглушке путей, или полагайтесь на обратное бурение с дополнительным запасом.
Via Shielding и фехтование
Для чрезвычайно чувствительных аналоговых или радиочастотных сигналов, работающих рядом со высокоскоростными цифровыми линиями, рассмотрим через ограждение : ряд наземных сквозняков, расположенных между двумя сигнальными следами на одном и том же слое. Это создает частичный электромагнитный барьер, который уменьшает перекрестное сцепление. Аналогично, экранирование одного с помощью окружения его кольцом наземных сквозняков (подключенных ко всем наземным слоям) может подавлять излучение и улучшать изоляцию.
Помещение в дифференциальных парах
Дифференциальные сквозные связи должны поддерживать симметрию. Размещайте обе сквозные связи пары, равноудаленной от любых сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных
Стек-поддержка и параметры дизайна Via
Справочный переход на самолет
Например, сигнал, движущийся от уровня 1 (справочная: слой 2 грунта) к слою 4 (справочная: слой 5 грунта), должен видеть непрерывный обратный путь. Если с помощью проходимого через плоскость питания тока возврата должен перепрыгивать в эту плоскость через депарафингирующие конденсаторы. Это значительно увеличивает индуктивность петли. Наилучшая практика заключается в том, чтобы сохранить ссылку (землю) сигнала одинаковой по всем слоям, что через проходимые слои. Если переход с плоскости питания неизбежен, поместите высококачественный депарафинговый конденсатор (0,1 мкФ или 1 нФ) в пределах 30 милл сквозного.
Анти-Pad дизайн
Диаметр анти-накладки должен быть примерно в 1,5-2 раза больше диаметра сквозной панели. Чрезмерно большой анти-накладки увеличивает индуктивность; чрезмерно маленький добавляет емкость. Для импеданс-контролируемых переходов, использовать 3D-электромагнитное моделирование для точной настройки размера анти-накладки. В некоторых конструкциях, некруглые анти-накладки (например, удлиненные или собачьи кости формы) помогают сбалансировать емкость и индуктивность для данного размера сквозной.
Via-in-Pad (VIP)
Размещение сквозняков непосредственно в посадочной площадке компонента (через площадку) является обычным явлением в конструкциях BGA для уменьшения длины выпадения. Однако VIP увеличивает паразитную емкость и добавляет небольшую индуктивную петлю. Заполнение и планаризация сквозного (с проводящим или непроводящим заполнением) смягчает эти эффекты. Проводящее заполнение (медная паста) обеспечивает лучший электрический путь, но стоит больше. Для высокоскоростных применений всегда заполняйте VIP-пропускные отверстия и убедитесь, что поверхность площадки плоская для надежности припоя.
Моделирование и проверка
3D-моделирование полного волнового
Такие инструменты, как Ansys HFSS, CST Microwave Studio или Keysight EMPro, могут моделировать точную геометрию свай и их окружения. Эти симуляции захватывают резонансы, модальное преобразование и связь, которые пропускают 2D или аналитические модели. Имитируют каждое уникальное местоположение, особенно вблизи зон запуска разъема, вентиляции шаровой решетки и краев платы.
Рефлексометрия временных доменов (TDR)
Измерения TDR на прототипах обеспечивают прямое понимание вариаций импеданса, вызванных с помощью суи. Падение или пик в следе TDR в месте суи указывает на избыточную емкость или индуктивность, соответственно. Используйте эту обратную связь для корректировки размера анти-накладки, диаметра или грунта через счет в следующей итерации конструкции.
Измерение потерь в вставке и возврата
Анализаторы векторных сетей измеряют S-параметры тестовых купонов, которые включают в себя симулированные результаты, сравнивают их с смоделированными прогнозами для проверки моделей. Для крупномасштабного производства устанавливают критерии пропуска/неудачи для вызванных с помощью вставки потерь на длину и потери возврата на частоте Nyquist скорости рабочих данных.
Производственные ограничения и соображения затрат
Минимальный размер и соотношение сторон
Стандартное производство шт.п.б может производить механические сверла до 0,2 мм с соотношением сторон до 10:1. Производство большого объема может толкать до 0,15 мм с соотношением сторон 12:1, но дает падение. Лазерные микроволновки могут быть размером до 25 мкм, но они требуют процессов HDI. Для экономически эффективных прототипов придерживайтесь 0,3 мм или 0,25 мм с помощью. Слепые и закопанные с помощью добавляют к стоимости: каждый последовательный шаг ламинирования увеличивает время цикла и снижает выход. Решайте на основе количества высокоскоростных сигналов и плотности платы.
Негативные расходы
Обратное бурение требует дополнительной настройки и вторичной операции бурения. Это добавляет примерно 5-10% к стоимости платы, но может значительно улучшить качество сигнала для каналов с большим охватом. Многие спецификации последовательной линии связи (например, PCIe Gen5, Ethernet 25G) рекомендуют обратное бурение для всех сквозных путей на критическом пути. Работайте с вашим домом для определения достижимой допуска глубины засверливания и соответствующим образом настройте зазор заглушки.
Доходность и надежность
Небольшие прорези и высокие пропорции сторон снижают выходы из-за обшивки пустот и трещин ствола во время теплового цикла. В высоконадежных приложениях (аэрокосмические, автомобильные) избегайте наименьших диаметров, если они не заполнены. Для пробегов прототипов это может быть приемлемо; для производства проконсультируйтесь с вашим производственным партнером.
Заключение
Оптимизация посредством размещения для качества сигнала в высокоскоростных ПХД является многомерной задачей. Это требует глубокого понимания электрических паразитов, введенных с помощью свай, тщательного выбора с помощью типа и геометрии и разумного использования стратегий размещения, таких как наземное сшивание, удаление заглушек и предотвращение критических путей. Моделирование и измерения подтверждают проектирование до производства, в то время как знание ограничений на изготовление гарантирует, что теоретические улучшения реализуются на практике. Интегрируя эти практики - от первоначального проектирования стека до окончательной проверки - инженеры могут достичь чистой передачи сигнала, уменьшить EMI и обеспечить надежные, высокоскоростные цифровые системы.
Дальнейшее чтение