Tuning vias untuk papan sirkuit tercetak

Mari kita bicara tentang desain vias - untuk elektronik yang serius, kualitasnya sangat penting. Di awal artikel, saya menyoroti faktor-faktor yang mempengaruhi integritas sinyal, dan kemudian menunjukkan contoh-contoh penghitungan dan penyetelan impedansi dari vias tunggal dan diferensial.



Halo semuanya, nama saya Vyacheslav. Saya telah mengembangkan papan sirkuit cetak selama 5 tahun, dan selama ini saya tidak hanya membaca banyak aturan dan rekomendasi untuk penelusuran, tetapi juga menemukan sumbernya dan bekerja dengannya.

Dalam sistem komputasi kompleks yang sedang dikembangkan YADRO, sinyal berkecepatan tinggi dalam perjalanan dari pemancar ke penerima mencakup jarak yang signifikan, melewati beberapa papan dan membuat lusinan transisi antar pemain. Dalam kondisi seperti itu, masing-masing vias yang dirancang secara ceroboh akan memberikan kontribusi kecil terhadap degradasi sinyal, dan sebagai hasilnya, antarmuka mungkin tidak berfungsi.

Sinyal Integritas

Vias (selanjutnya p / o, Bahasa Inggris via) adalah heterogenitas dalam saluran transmisi. Seperti heterogenitas lainnya, mereka merusak sinyal. Efek ini lemah diucapkan pada frekuensi rendah, tetapi meningkat secara signifikan dengan meningkatnya frekuensi. Seringkali, pengembang memberikan sedikit perhatian terhadap struktur vias: mereka dapat disalin dari proyek "tetangga", diambil dari lembar data, atau tidak ditentukan sama sekali dalam CAD (pengaturan default).

Sebelum menggunakan struktur yang dihitung, perlu untuk memahami mengapa itu dibuat begitu saja? Pengulangan buta hanya bisa membahayakan.

Integritas sinyal dalam saluran ketika melewati vias terutama dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut:

• pantulan sinyal karena perubahan impedansi gelombang;
• degradasi sinyal karena kapasitansi dan induktansi yang menyimpang;
• pantulan dari bentangan semi-plastik yang tidak digunakan selama transisi ke lapisan dalam (selanjutnya disebut sebagai rintisan dari bahasa Inggris melalui rintisan);
• crosstalk (pembicaraan Palang Inggris);
• gangguan pada bus listrik.

Mari kita pertimbangkan secara lebih rinci penyebab dari efek dan metode ini untuk menghilangkannya.

Faktor 1. Impedansi gelombang p / o

Dalam papan yang dirancang secara ideal, impedansi tidak berubah sepanjang jalan, termasuk ketika beralih ke lapisan lain. Pada kenyataannya, biasanya terlihat seperti ini:


Gambar 1. Perubahan impedansi gelombang pada transisi ke lapisan lain.

Semakin baik resistansi gelombang dicocokkan, semakin sedikit pantulan sinyal. Bagaimana cara memengaruhi ini?

Pertimbangkan struktur p / o di papan tulis [1].


Gambar 2. Struktur p / o di papan tulis.


Dengan mengubah elemen p / o, kami mengubah resistansi gelombang transisi. Tujuan kami adalah untuk mencocokkan impedansi struktur transisi dengan impedansi konduktor untuk meminimalkan refleksi. Mari kita perhatikan bagaimana impedansi berubah ketika elemen-elemen struktur p / o berubah.

Faktor 2. Induktansi palsu dan kapasitansi

Konduktor pada papan sirkuit tercetak dapat dibuat dengan resistansi gelombang yang terletak dalam jangkauan luas, tetapi paling sering adalah 50 Ohm. Di satu sisi, ini disebabkan oleh kontinuitas historis: impedansi 50 ohm distandarisasi untuk kabel koaksial sebagai kompromi antara level beban driver dan kehilangan energi sinyal. Di sisi lain, konduktor 50-Ohm mudah dibuat di papan standar.

Untuk pengembang, penting bukan hanya nilai spesifik dari hambatan gelombang sebagai keteguhannya di seluruh saluran transmisi.

Untuk membuat saluran transmisi dengan nilai tetap dari impedansi gelombang, pengembang memilih lebar lintasan dan jarak ke lapisan referensi, mis. mengubah kapasitas linier dan induktansi saluran transmisi ke nilai tertentu .

Pada p / o, komponen induktif cukup signifikan. Dalam perkiraan pertama, kita harus, dalam kerangka kerja yang wajar, meminimalkan induktansi nyasar sebanyak mungkin, dan kemudian mengubah parameter p / o untuk mencapai kapasitansi yang diberikan , dan karenanya impedansi.

Penurunan kapasitansi setengah-gelombang yang berlebihan akan menyebabkan peningkatan lokal pada impedansi dan, sebagai akibatnya, pantulan sinyal.

Faktor 3. Melalui rintisan

Apa yang terjadi ketika sinyal melewati sebuah rintisan melalui lubang?


Gambar 3. Lubang transisi dengan rintisan, resonansi pada panjang gelombang ¼.

Dalam contoh kami, sinyal menyebar dari atas ke bawah dari lapisan Atas. Setelah mencapai lapisan sinyal bagian dalam, sinyal dipisahkan: bagian bergerak di sepanjang jalur pada lapisan bagian dalam, dan bagian terus bergerak ke bawah vias, kemudian tercermin dari lapisan bawah. Setelah sinyal yang dipantulkan mencapai lapisan dalam, ia dipisahkan lagi, sebagian bergerak di sepanjang jalan, dan sebagian kembali ke sumber.

Sinyal yang dipantulkan akan dijumlahkan dengan aslinya dan mendistorsi, yang akan diekspresikan dalam penyempitan jendela pada diagram mata, dan peningkatan tingkat kehilangan penyisipan (Eng. Penyisipan Kehilangan).

Dalam kasus terburuk, segmen TD akan sama dengan ¼ dari panjang gelombang sinyal, maka sinyal yang dipantulkan akan mencapai jalur pada lapisan dalam dengan penundaan setengah periode, tumpang tindih dengan sinyal asli dalam antiphase.

Saat menganalisis integritas, disarankan untuk mempertimbangkan bandwidth dengan lebar 5 frekuensi Nyquist. Perkiraan yang baik akan dianggap sebagai rintisan yang dapat diterima, memberikan resonansi pada 7 harmonik dan di atasnya [2].


Gambar 4. Grafik tingkat kehilangan penyisipan untuk p / o dengan bertopik 0, 0,65, 1,2 mm.

Gambar 4 menunjukkan resonansi besar pada frekuensi sekitar 24 GHz. Kita dapat menyimpulkan bahwa jika sinyal kita beroperasi pada frekuensi 2-3 GHz, kita tidak dapat menghilangkan rintisan, karena dalam 7 harmonik "semuanya tenang".

Anda dapat membuat penilaian cepat tentang kekritisan rintisan dalam kalkulator Polar :


Gambar 5. Gambar dari polarinstruments.com . Panjang rintisan 2,5 mm dapat diterima untuk sinyal dengan waktu naik lebih dari 500 ps.

Rumus yang diberikan dalam [2] memberikan hasil yang sedikit lebih akurat. Mereka memperhitungkan p / o geometri dan memungkinkan menghitung koreksi untuk konstanta dielektrik dielektrik sepanjang sumbu Z.

Anda dapat menghilangkan rintisan menggunakan operasi "backdrilling" (Backdrilling Inggris), atau menggunakan mikro-transisi (bahasa Inggris buta dan dikubur vias). Pilihannya tergantung pada fitur proyek. Membalikkan pengeboran lebih mudah dan lebih murah. Setelah membuat papan, dengan bor berdiameter lebih besar, rintisan dibor hingga kedalaman yang telah ditentukan. Pengembang diharuskan untuk mengatur lekukan tambahan topologi di zona pengeboran, dan itu juga tersedia bagi pabrikan untuk menentukan persyaratan pengeboran dalam dokumentasi desain. Sistem CAD modern mendukung fungsi ini.

Mikro-persimpangan terutama ditujukan untuk papan kepadatan tinggi (HDI bahasa Inggris), tetapi dalam beberapa kasus mereka dapat digunakan dengan meratakan biaya tinggi menolak untuk menelusuri kembali dan mengurangi jumlah lapisan di papan. Saat mengembangkan papan HDI, ada beberapa hal yang perlu diingat:

• setiap jenis penggajian baru meningkatkan biaya dewan;
• Untuk pengeboran laser, prepregs khusus yang dioptimalkan digunakan, sifat-sifatnya dapat bervariasi;
• metalisasi lubang buta meningkatkan ketebalan tembaga pada lapisan dalam.

Sangat disarankan agar struktur dewan disetujui bersama pabrikan sebelumnya.

Faktor 4. Crosstalk

Crosstalk - transmisi sinyal yang tidak diinginkan dari satu saluran ke saluran lainnya. Transfer ini terjadi karena dua konduktor yang memiliki jarak dekat memiliki kopling kapasitif dan induktif.

Sifat crosstalk konduktor sinyal dan p / o sedikit berbeda.
Sinyal tidak memiliki lapisan referensi dalam n / a, arus balik mengalir di sepanjang n / a yang berdekatan, membentuk loop besar. Crosstalk sinyal dalam n / a karena komponen induktif.

Efek terbesar pada meminimalkan crosstalk dapat dicapai dengan meningkatkan jarak antara p / o. Namun, seringkali topologi tidak memiliki banyak ruang.

Konvergensi p / o dalam pasangan diferensial tidak hanya mengurangi area yang ditempati, tetapi juga memiliki efek positif pada imunitas kebisingan [3].

Cara umum untuk meminimalkan crosstalk antara p / o sinyal yang berdekatan adalah dengan menempatkan p / o pelindung di antaranya. Dengan metode ini, akan diperlukan untuk melakukan sinyal dengan kenaikan sekitar 2 mm (Gambar 6). Jika tidak ada ruang yang cukup, Anda dapat menggunakan langkah yang lebih kecil dengan pergeseran (pola Staggered Inggris), seperti pada Gambar 7. Menggunakan simulasi, Anda dapat memilih sudut pergeseran yang ideal [4].


Gambar 6. Meminimalkan crosstalk menggunakan perisai setengah-kawat.


Gambar 7. Meminimalkan crosstalk menggunakan pergeseran "kotak-kotak" diagonal.

Crosstalk juga dapat dikurangi dengan metode eksotis, misalnya, dengan rintisan panjang (karena perpindahan keseimbangan kapasitif induktif p / o) [5]. Juga, gangguan dapat dikurangi pada tahap merancang perumahan chip [6].

Faktor 5. Gangguan Bus Daya

Selain sirkuit sinyal yang berdekatan, kualitas sinyal dapat dipengaruhi oleh interferensi dari lapisan internal.

Arus besar dapat mengalir melalui tempat uji makanan. Karena peningkatan induktansi di tepi poligon, arus yang mengalir membentuk bidang tepi (bidang Fringing Inggris) di sepanjang semua batas poligon, termasuk guntingan. Field edge adalah sumber radiasi elektromagnetik (lahir dari emisi Edge -ecat) ke ruang angkasa. Untuk mengurangi emisi radiasi elektromagnetik, aturan 20H diterapkan (Gambar 8), yang terdiri dari penyempitan area catu daya dalam kaitannya dengan area daratan.


Gambar 8. Bidang isian dan aturan 20H.

Untuk melindungi p / o dari gangguan, jika mungkin, perlu untuk meningkatkan antipad pada rentang makanan. Aturan 20H untuk p / o sulit untuk diberikan, dan tidak perlu, anti-drop dengan diameter sekitar 2 mm biasanya direkomendasikan (Gambar 9).


Gambar 9. Peningkatan anti-drop pada lapisan makanan

Perhitungan impedansi vias tunggal

Berdasarkan pengetahuan tentang efek elemen p / o pada impedansi, kita dapat merancang p / o ideal kita. Awal yang bagus adalah menghitung impedansi dalam kalkulator.

Insinyur desain PCB menyukai kalkulator seperti Saturn PCB Design Toolkit dan Polar Instruments Si9000e . Keduanya memungkinkan Anda untuk dengan cepat menghitung impedansi satu p / o.

Hasil yang diperoleh dalam kalkulator ini sangat berbeda satu sama lain. Ini disebabkan oleh fakta bahwa alat-alat ini memiliki pendekatan yang berbeda.

Polar menghitung impedansi dalam bidang dua dimensi, di mana garis catu daya melintasi rentang daya. Formula perhitungan tidak diberikan. Secara eksperimental ditetapkan bahwa perhitungan dilakukan sesuai dengan rumus impedansi kabel koaksial:

$$

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

Gambar 10. Gambar dari polarinstruments.com

Ilustrasi ini menunjukkan nilai konstanta dielektrik Er1 yang agak rendah, dibandingkan dengan standar. Hal ini disebabkan oleh heterogenitas struktur dielektrik: terdiri dari resin (Er 3.2) dan filamen fiberglass (Er 6.1), dan karenanya memiliki konstanta dielektrik rata-rata sekitar 4,1. Nilai ini dapat bervariasi secara lokal. Jadi, resin berlaku di dekat bawah permukaan, oleh karena itu, konstanta dielektrik dihitung ulang ke bawah [7].

Saturn PCB menghitung impedansi dengan rumus:

$$

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

Ketika panjang p / o berubah, nilai induktansi dan kapasitansi berubah secara tidak proporsional, impedans berubah. Impedansi yang persis sama dengan panjang p / o 1,6 mm, Saturn PCB menghitung 128 Ohm! (Gambar 11)


Gambar 11. Perhitungan perangkat lunak dalam Perangkat Desain Saturn PCB.

Pertanyaan segera muncul: siapa yang harus dipercaya?

Kami mensimulasikan dalam pemecah tiga dimensi bidang elektromagnetik (Bahasa Inggris 3D Solver) bagaimana akan terlihat pada papan 8-layer nyata tebal 1,6 mm (Gambar 12)


Gambar 12. Struktur transisi antara lapisan dengan lubang untuk arus balik.

Dalam kasus kami, impedansinya sekitar 70 ohm. Dengan memperkirakan pengembalian p / o, Anda dapat mencapai penurunan 5 ohm lainnya. Setelah "bermain" dengan ukuran antipad, Anda dapat secara akurat menyesuaikan impedansi dengan nilai target (Gambar 13).


Gambar 13. Impedansi rangkaian dengan setengah gelombang pada diagram waktu.

Dalam domain frekuensi, parameter "terbaik" dinyatakan dalam nilai yang lebih rendah dari koefisien refleksi dari input (Gambar 14).


Gambar 14. Parameter p / o tunggal dalam domain frekuensi.

Perhitungan Polar lebih dekat dengan hasilnya. Mungkin, untuk mendapatkan hasil yang memadai dalam Saturn PCB, diperlukan koreksi. Jika seseorang memiliki pengalaman positif menghitung impedansi di Saturnus, bagikan dalam komentar!

Perhitungan impedansi vias diferensial

Perhitungan diferensial p / o mirip dengan tunggal, kecuali bahwa sekarang kami tidak memiliki kalkulator: alat di atas tidak mempertimbangkan diferensial p / o. Selain itu, sekarang kita juga dapat mengubah langkah p / o dalam diferensial. pasangan.

Ambil struktur yang sama: papan 8-lapis setebal 1,6 mm. Pertimbangkan 9 konfigurasi perangkat lunak (Gambar 15).

3 p / o pertama memiliki celah 0,125 mm dan hanya berbeda di lokasi lubang untuk arus balik. Semua p / o dengan 4 dan seterusnya memiliki nada 1 mm. P / o dari 6 dan seterusnya memiliki peningkatan anti-drop (0,250 mm) dan dibedakan dengan lekukan lubang untuk arus balik.


Gambar 15. vias.

Pertimbangkan grafik impedansi (Gambar 16).


Gambar 16. Impedansi p / o dalam domain waktu.

Pada grafik, "punuk" terlihat jelas, yang sesuai dengan bagian vertikal dari kulit setengah - "kaca" (English Via barrel).

Setelah memeriksa ketergantungan frekuensi koefisien refleksi VIA1-3 (Gambar 17), kita melihat bahwa meskipun kinerja yang baik pada frekuensi target 6 GHz, ada resonansi pada frekuensi yang lebih rendah. Lebih baik untuk memperbaiki via7-9, dan jika tidak berhasil, maka via4-5 untuk mengurangi "punuk" karena pergeseran grafik ke kanan.


Gambar 17. Koefisien refleksi dari input p / o.

Kurangi anti-drop pada VIA9 untuk mendapatkan jarak 0,125 mm. Untuk VIA4, kami mengurangi langkah p / o menjadi 0,75 mm dan mempertimbangkan hasil yang diperoleh (Gambar 18).


Gambar 18. Perbandingan impedansi dari p / o yang dimodifikasi.

Dalam domain frekuensi, pergeseran grafik koefisien refleksi dari input ke kanan terlihat (Gambar 19).


Gambar 19. Perbandingan koefisien refleksi dari perangkat lunak yang dimodifikasi.

Rekomendasi akhir

Vias dalam papan sirkuit tercetak adalah struktur yang kompleks dan heterogen. Untuk perhitungan parameter yang benar, diperlukan pemecah 3D yang mahal, kompetensi, dan biaya waktu yang signifikan.

Jika tidak mungkin untuk menghindari penggunaan transisi dari sinyal kritis ke lapisan lain, pertama-tama perlu untuk menilai tingkat pengaruh dari ketidakhomogenan yang timbul pada integritas sinyal. Jika heterogenitasnya singkat secara elektrik (waktu tunda kurang dari 1/6 dari depan), rintisan beresonansi pada frekuensi di luar passband - tidak ada gunanya membuang-buang waktu dan uang untuk optimasi.

Dalam perkiraan pertama, akan lebih mudah untuk menggunakan struktur yang sudah jadi dari lembar data atau papan sebelumnya, tetapi ingat tentang fitur dari proyek saat ini.

Kalkulator memungkinkan Anda untuk dengan cepat mengevaluasi parameter perangkat lunak, tetapi mereka menggunakan model yang sangat sederhana yang secara negatif mempengaruhi hasil.