Durchkontaktierungen für Leiterplatten

Lassen Sie uns über das Design von Durchkontaktierungen sprechen - für seriöse Elektronik ist deren Qualität sehr wichtig. Zu Beginn des Artikels habe ich die Faktoren hervorgehoben, die die Integrität des Signals beeinflussen, und dann Beispiele für die Berechnung und Abstimmung der Impedanz einzelner und differenzieller Durchkontaktierungen gezeigt.



Hallo allerseits, mein Name ist Vyacheslav. Ich habe 5 Jahre lang Leiterplatten entwickelt und in dieser Zeit nicht nur viele Regeln und Empfehlungen für die Rückverfolgung gelesen, sondern auch die Quelle gefunden und mit ihnen gearbeitet.

In den komplexen Computersystemen, die YADRO entwickelt, legen Hochgeschwindigkeitssignale auf dem Weg vom Sender zum Empfänger erhebliche Entfernungen zurück, durchlaufen mehrere Karten und führen Dutzende von Zwischenschichtübergängen durch. Unter solchen Bedingungen leistet jede nachlässig gestaltete Durchkontaktierung einen kleinen Beitrag zur Signalverschlechterung, und infolgedessen funktioniert die Schnittstelle möglicherweise nicht.

Signalintegrität

Durchkontaktierungen (im Folgenden p / o, englisch via) sind Heterogenitäten in der Übertragungsleitung. Wie andere Heterogenitäten verderben sie das Signal. Dieser Effekt ist bei niedrigen Frequenzen schwach ausgeprägt, nimmt jedoch mit zunehmender Frequenz signifikant zu. Oft schenken Entwickler der Struktur von Durchkontaktierungen zu Unrecht wenig Aufmerksamkeit: Sie können aus einem "benachbarten" Projekt kopiert, aus einem Datenblatt entnommen oder im CAD (Standardeinstellung) überhaupt nicht angegeben werden.

Bevor Sie die berechnete Struktur verwenden, müssen Sie verstehen, warum sie einfach so erstellt wurde. Blinde Wiederholungen können nur schaden.

Die Integrität des Signals im Kanal beim Durchgang durch Durchkontaktierungen wird hauptsächlich durch die folgenden Faktoren beeinflusst:

• Signalreflexion aufgrund von Änderungen der Wellenimpedanz;
• Signalverschlechterung aufgrund von Streukapazität und Induktivität;
• Reflexionen von einer nicht verwendeten Strecke aus Halbplastik während des Übergangs zur inneren Schicht (im Folgenden als Stub aus dem Englischen über Stub bezeichnet);
• Übersprechen (englische Kreuzgespräche);
• Störungen in Leistungsbussen.

Lassen Sie uns die Ursachen dieser Effekte und Methoden zu ihrer Beseitigung genauer betrachten.

Faktor 1. Wellenimpedanz p / o

Bei einer ideal gestalteten Platine ändert sich die Impedanz im Verlauf des Pfades nicht, auch nicht beim Umschalten auf eine andere Schicht. In Wirklichkeit sieht es normalerweise so aus:


Abbildung 1. Änderung der Wellenimpedanz beim Übergang zu einer anderen Schicht.

Je besser die Wellenwiderstände angepasst sind, desto geringer ist die Reflexion des Signals. Wie kann man das beeinflussen?

Betrachten Sie die Struktur von p / o auf der Platine [1].


Abbildung 2. Struktur p / o auf der Platine.


Durch Ändern der P / O-Elemente ändern wir den Wellenwiderstand des Übergangs. Unser Ziel ist es, die Impedanz der Übergangsstruktur an die Impedanz der Leiter anzupassen, um Reflexionen zu minimieren. Betrachten wir, wie sich die Impedanz ändert, wenn sich die Elemente der P / O-Struktur ändern.

Faktor 2. Störinduktivität und Kapazität

Leiter auf einer Leiterplatte können mit einem Wellenwiderstand hergestellt werden, der in einem weiten Bereich liegt, meistens jedoch 50 Ohm. Dies ist zum einen auf die historische Kontinuität zurückzuführen: Die 50-Ohm-Impedanz wurde für Koaxialkabel als Kompromiss zwischen dem Treiberlastpegel und dem Signalenergieverlust standardisiert. Andererseits ist ein 50-Ohm-Leiter einfach auf einer Standardplatine herzustellen.

Für den Entwickler ist es weniger wichtig, den spezifischen Wert des Wellenwiderstands als vielmehr seine Konstanz über die gesamte Übertragungsleitung.

Um eine Übertragungsleitung mit einem festen Wert der Wellenimpedanz herzustellen, wählt der Entwickler die Breite der Spur und den Abstand zur Referenzschicht aus, d.h. ändert die lineare Kapazität und Induktivität der Übertragungsleitung auf einen bestimmten Wert.

In p / o ist die induktive Komponente ziemlich signifikant. In erster Näherung müssen wir in einem vernünftigen Rahmen die Streuinduktivität so weit wie möglich minimieren und dann die P / O-Parameter ändern, um eine bestimmte Kapazität und damit Impedanz zu erreichen.

Eine übermäßige Abnahme der Kapazität einer Halbwelle führt zu einer lokalen Erhöhung der Impedanz und folglich zu Signalreflexionen.

Faktor 3. Über Stich

Was passiert, wenn ein Signal durch ein Stichloch geht?


Abbildung 3. Übergangsloch mit Stich, Resonanz bei ¼ Wellenlänge.

In unserem Beispiel breitet sich das Signal von der obersten Schicht von oben nach unten aus. Nach Erreichen der inneren Signalschicht wird das Signal getrennt: Ein Teil bewegt sich entlang des Pfades auf der inneren Schicht, und ein Teil bewegt sich weiter entlang der Durchkontaktierungen, dann wird es von der unteren Schicht reflektiert. Nachdem das reflektierte Signal die innere Schicht erreicht hat, wird es wieder getrennt, ein Teil bewegt sich entlang des Pfades und ein Teil kehrt zur Quelle zurück.

Das reflektierte Signal wird mit dem Original summiert und verzerrt, was sich in einer Verengung des Fensters im Augendiagramm und einer Erhöhung des Einfügungsverlusts (Eng. Insertion Loss) äußert.

Im schlimmsten Fall ist das TD-Segment gleich ¼ der Wellenlänge des Signals, dann erreicht das reflektierte Signal den Pfad auf der inneren Schicht mit einer Verzögerung von der halben Periode und überlappt das ursprüngliche Signal gegenphasig.

Bei der Analyse der Integrität wird empfohlen, eine Bandbreite von 5 Nyquist-Frequenzen zu berücksichtigen. Eine gute Annäherung würde als akzeptabler Stich angesehen werden, der eine Resonanz bei 7 Harmonischen und darüber ergibt [2].


Abbildung 4. Diagramm des Einfügungsverlusts für p / o mit Stichleitungen 0, 0,65, 1,2 mm.

Abbildung 4 zeigt eine große Resonanz bei Frequenzen um 24 GHz. Wir können daraus schließen, dass wir es uns leisten können, den Stub nicht zu eliminieren, wenn unser Signal mit einer Frequenz von 2-3 GHz arbeitet, denn innerhalb von 7 Harmonischen ist „alles ruhig“.

Sie können die Kritikalität des Stubs im Polar-Rechner schnell beurteilen:


Abbildung 5. Bild von polarinstruments.com . Eine Stichlänge von 2,5 mm ist für Signale mit Anstiegszeiten von mehr als 500 ps akzeptabel.

Die in [2] angegebenen Formeln ergeben ein etwas genaueres Ergebnis. Sie berücksichtigen die P / O-Geometrie und ermöglichen die Berechnung der Korrektur für die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums entlang der Z-Achse.

Sie können den Stub mithilfe der Backdrilling-Operation (English Backdrilling) oder mithilfe von Mikroübergängen (English Blind and Buried Vias) entfernen. Die Auswahl hängt von den Funktionen des Projekts ab. Rückwärtsbohren ist einfacher und billiger. Nach der Herstellung der Platte wird mit einem Bohrer mit größerem Durchmesser der Stummel bis zu einer vorbestimmten Tiefe gebohrt. Der Entwickler muss eine zusätzliche Einrückung der Topologie in der Bohrzone festlegen. Dem Hersteller steht es auch zur Verfügung, die Bohranforderungen in der Konstruktionsdokumentation anzugeben. Moderne CAD-Systeme unterstützen diese Funktionalität.

Micro-Junctions sind in erster Linie für High-Density-Boards (HDI) vorgesehen. In einigen Fällen können sie jedoch verwendet werden, indem die Kosten für die Verweigerung des Zurückbohrens ausgeglichen und die Anzahl der Schichten auf dem Board verringert werden. Bei der Entwicklung von HDI-Karten sind einige Dinge zu beachten:

• Jede neue Art der Gehaltsabrechnung erhöht die Kosten des Vorstands.
• Für das Laserbohren werden speziell optimierte Prepregs verwendet, deren Eigenschaften variieren können.
• Die Metallisierung von Sacklöchern erhöht die Kupferdicke auf den inneren Schichten.

Es wird dringend empfohlen, die Plattenstruktur im Voraus mit dem Hersteller zu vereinbaren.

Faktor 4. Übersprechen

Übersprechen - unerwünschte Signalübertragung von einer Leitung zur nächsten. Diese Übertragung erfolgt, weil zwei eng beabstandete Leiter eine kapazitive und eine induktive Kopplung aufweisen.

Die Art des Übersprechens von Signalleitern und P / O ist geringfügig unterschiedlich.
Das Signal hat keine Referenzschicht im n / a, die Rückströme fließen entlang des benachbarten n / a und bilden eine große Schleife. Übersprechen von Signalen im n / a aufgrund der induktiven Komponente.

Der größte Effekt auf die Minimierung des Übersprechens kann durch Erhöhen des Abstands zwischen p / o erzielt werden. Oft hat der Topologe jedoch nicht viel Platz.

Die Konvergenz von p / o im Differentialpaar reduziert nicht nur den belegten Bereich, sondern wirkt sich auch positiv auf die Störfestigkeit aus [3].

Ein üblicher Weg, um das Übersprechen zwischen benachbarten Signal-P / O zu minimieren, besteht darin, ein Abschirm-P / O zwischen ihnen zu platzieren. Bei dieser Methode müssen Signale in Schritten von ca. 2 mm geleitet werden (Abbildung 6). Wenn nicht genügend Platz vorhanden ist, können Sie einen kleineren Schritt mit einer Verschiebung (englisches versetztes Muster) verwenden, wie in Abbildung 7 dargestellt. Mithilfe der Simulation können Sie den idealen Verschiebungswinkel auswählen [4].


Abbildung 6. Minimierung des Übersprechens mithilfe des Abschirmungsdrahtes.


Abbildung 7. Minimierung des Übersprechens mithilfe einer diagonalen Schachbrettverschiebung.

Das Übersprechen kann auch durch exotische Methoden reduziert werden, beispielsweise durch einen langen Stich (aufgrund der Verschiebung des induktiv-kapazitiven Gleichgewichts p / o) [5]. Außerdem können Interferenzen in der Phase des Entwurfs des Gehäuses der Mikroschaltung reduziert werden [6].

Faktor 5. Leistungsbusstörung

Zusätzlich zu benachbarten Signalschaltungen kann die Signalqualität durch Interferenzen durch interne Schichten beeinträchtigt werden.

Durch die Lebensmittelprüfstellen können große Ströme fließen. Aufgrund der Zunahme der Induktivität an den Kanten von Polygonen bilden die fließenden Ströme Kantenfelder (englische Randfelder) entlang aller Grenzen des Polygons, einschließlich Ausschnitten. Kantenfelder sind eine Quelle elektromagnetischer Strahlung (geborene kantenbefeuerte Emission) in den Weltraum. Um die Emission elektromagnetischer Strahlung zu reduzieren, wird die 20H-Regel angewendet (Abbildung 8), die darin besteht, die Stromversorgungsfläche im Verhältnis zur Landfläche zu verengen.


Abbildung 8. Kantenfelder und die 20H-Regel.

Um das P / O nach Möglichkeit vor Störungen zu schützen, muss das Antipad in den Lebensmittelbereichen erhöht werden. Die 20H-Regel für p / o ist schwierig bereitzustellen, und unnötigerweise wird normalerweise ein Fallschutzdurchmesser von etwa 2 mm empfohlen (Abbildung 9).


Abbildung 9. Verbessertes Anti-Drop auf Lebensmittelschichten

Berechnung der Impedanz einzelner Durchkontaktierungen

Basierend auf dem Wissen über die Auswirkung von P / O-Elementen auf die Impedanz können wir unser ideales P / O entwerfen. Ein guter Anfang ist die Berechnung der Impedanz im Taschenrechner.

PCB-Konstrukteure mögen Taschenrechner wie das Saturn PCB Design Toolkit und das Polar Instruments Si9000e . Mit beiden können Sie die Impedanz eines einzelnen P / O schnell berechnen.

Das in diesen Taschenrechnern erzielte Ergebnis unterscheidet sich stark voneinander. Dies liegt an der Tatsache, dass diese Tools einen anderen Ansatz verfolgen.

Polar berechnet die Impedanz in einer zweidimensionalen Ebene, in der die Stromversorgungsleitung den Leistungsbereich kreuzt. Berechnungsformeln werden nicht angegeben. Es wurde experimentell festgestellt, dass die Berechnung gemäß der Impedanzformel des Koaxialkabels erfolgt:

$$

$$z_0 = \ frac {138 \ frac {AP} {VP}} {\ sqrt {Er1}}$$

Abbildung 10. Bild von polarinstruments.com

Die Abbildung zeigt einen im Vergleich zum Standard relativ niedrigen Wert der Dielektrizitätskonstante Er1. Dies ist auf die Heterogenität der dielektrischen Struktur zurückzuführen: Sie besteht aus Harz (Er 3.2) und Glasfaserfilamenten (Er 6.1) und hat daher eine durchschnittliche Dielektrizitätskonstante von etwa 4,1. Dieser Wert kann lokal sehr unterschiedlich sein. In der Nähe des Untergrunds herrscht also Harz vor, daher wird die Dielektrizitätskonstante nach unten neu berechnet [7].

Saturn PCB berechnet die Impedanz nach folgender Formel:

$$

$$z_0 = \ sqrt {\ frac {ViaInductance} {ViaCapacitance * 0.001}}$$

Wenn sich die P / O-Länge ändert, ändern sich die Induktivitäts- und Kapazitätswerte überproportional, und die Impedanz ändert sich. Die Impedanz mit genau der gleichen P / O-Länge von 1,6 mm berechnet die Saturn-Leiterplatte mit 128 Ohm! (Abbildung 11)


Abbildung 11. Berechnung der Software im Saturn PCB Design Toolkit.

Es stellt sich sofort die Frage: Wem soll man glauben?

Wir simulieren in einem dreidimensionalen Löser für elektromagnetische Felder (englischer 3D-Löser), wie er auf einer echten 8-Schicht-Platte mit einer Dicke von 1,6 mm aussehen wird (Abbildung 12).


Abbildung 12. Die Struktur des Übergangs zwischen den Schichten mit einem Loch für den Rückstrom.

In unserem Fall beträgt die Impedanz etwa 70 Ohm. Durch Annäherung des Rücklauf-P / O können Sie eine Verringerung um weitere 5 Ohm erreichen. Nachdem Sie mit der Größe des Antipads „gespielt“ haben, können Sie die Impedanz ziemlich genau auf den Zielwert einstellen (Abbildung 13).


Abbildung 13. Die Impedanz der Schaltung mit Halbwelle im Zeitdiagramm.

Im Frequenzbereich werden die „besten“ Parameter in einem niedrigeren Wert des Reflexionskoeffizienten vom Eingang ausgedrückt (Abbildung 14).


Abbildung 14. Parameter des einzelnen P / O im Frequenzbereich.

Berechnung Polar war näher am Ergebnis. Möglicherweise sind Korrekturen erforderlich, um ein angemessenes Ergebnis bei der Saturn-Leiterplatte zu erzielen. Wenn jemand eine positive Erfahrung mit der Berechnung der Impedanz im Saturn hat, teilen Sie diese in den Kommentaren mit!

Differential-Vias-Impedanzberechnung

Die Berechnung des Differential-P / O ähnelt der Einzel-P / O, außer dass wir jetzt keinen Taschenrechner haben: Die obigen Tools berücksichtigen kein Differential-P / O. Außerdem können wir jetzt zusätzlich den P / O-Schritt im Differential ändern. Paar.

Nehmen Sie die gleiche Struktur: eine 8-lagige Platte mit einer Dicke von 1,6 mm. Betrachten Sie 9 Konfigurationen der Software (Abbildung 15).

Die ersten 3 p / o haben Lücken von 0,125 mm und unterscheiden sich nur in der Position der Löcher für den Rückstrom. Alle P / O ab 4 haben einen Abstand von 1 mm. P / O ab 6 haben einen erhöhten Anti-Drop (0,250 mm) und zeichnen sich durch die Einkerbung der Löcher für den Rückstrom aus.


Abbildung 15. Durchkontaktierungen.

Betrachten Sie das Impedanzdiagramm (Abbildung 16).


Abbildung 16. Impedanz-P / O im Zeitbereich.

In der Grafik ist der "Buckel" deutlich sichtbar, der dem vertikalen Schnitt der Halbschale entspricht - dem "Glas" (englischer Via-Lauf).

Nachdem wir die Frequenzabhängigkeit des Reflexionskoeffizienten VIA1-3 untersucht haben (Abbildung 17), sehen wir, dass trotz guter Leistung bei der Zielfrequenz von 6 GHz Resonanz bei niedrigeren Frequenzen auftritt. Es ist vorzuziehen, via7-9 zu verbessern, und wenn es nicht funktioniert, dann via4-5, um den "Buckel" aufgrund der Verschiebung der Graphen nach rechts zu reduzieren.


Abbildung 17. Der Reflexionskoeffizient vom Eingang p / o.

Reduzieren Sie den Anti-Drop in VIA9, um Lücken von 0,125 mm zu erhalten. Für VIA4 reduzieren wir den P / O-Schritt auf 0,75 mm und berücksichtigen das erhaltene Ergebnis (Abbildung 18).


Abbildung 18. Vergleich der Impedanz des modifizierten P / O.

Im Frequenzbereich ist eine Verschiebung des Reflexionskoeffizientengraphen vom Eingang nach rechts sichtbar (Abbildung 19).


Abbildung 19. Vergleich des Reflexionskoeffizienten der modifizierten Software.

Abschließende Empfehlungen

Durchkontaktierungen in Leiterplatten sind eine komplexe und heterogene Struktur. Für die korrekte Berechnung der Parameter sind teure 3D-Löser, Kompetenzen und erhebliche Zeitkosten erforderlich.

Wenn die Verwendung von Übergängen kritischer Signale zu anderen Schichten nicht vermieden werden kann, muss zunächst der Grad des Einflusses der auftretenden Inhomogenitäten auf die Integrität der Signale bewertet werden. Wenn die Heterogenität elektrisch kurz ist (die Verzögerungszeit beträgt weniger als 1/6 der Front), schwingt der Stub bei Frequenzen außerhalb des Durchlassbereichs mit - es ist nicht sinnvoll, Zeit und Geld für die Optimierung aufzuwenden.

In erster Näherung ist es zweckmäßig, vorgefertigte Strukturen aus Datenblättern oder früheren Karten zu verwenden, aber denken Sie an die Funktionen des aktuellen Projekts.

Mit Taschenrechnern können Sie die Parameter von Software schnell auswerten, sie verwenden jedoch stark vereinfachte Modelle, die sich negativ auf das Ergebnis auswirken.