Como projetar vias cegas/enterradas em circuitos digitais de alta velocidade

Com as crescentes aplicações de circuitos integrados de grande e super grande escala no sistema de circuitos, as placas de circuito mostram uma tendência de desenvolvimento para múltiplas camadas e complexidade devido à ampliação da escala de integração de chips, diminuição do volume, escalada de pinos e aumento de taxa de velocidade. A maioria dos PCBs multicamadas de alta velocidade implementam conexões entre camadas através de vias de passagem. Para as conexões elétricas que não circulam de cima para baixo, no entanto, possivelmente ocorrerá um thru-hole redundante via stub para que a qualidade de transmissão da PCB seja muito influenciada. Portanto, em termos de alguns sistemas digitais de alta velocidade com alto desempenho e altos requisitos, a influência de stubs redundantes nunca pode ser negligenciada. Com base nas tentativas de equilibrar custo versus desempenho, o projeto de vias cegas/enterradas surge para evitar efetivamente o efeito de stub redundante e aumentar a qualidade de transmissão dos sistemas.


Tendo como objetos de pesquisa o projeto de via cega e enterrada e através de simulação de modelagem, este artigo analisa principalmente a influência de parâmetros relativos aos diâmetros de via de vias cegas/enterradas, pad e antipad nas características do sinal como parâmetro S e continuidade de impedância e fornece instruções práticas para -velocidade PCB cego/enterrado via design.

Parâmetros principais e índice de desempenho de vias cegas/enterradas

Para PCBs multicamadas de circuito digital de alta velocidade, as vias são necessárias para conexão de sinal de alta velocidade entre linhas de interconexão em um plano e linhas de interconexão em outro plano. Vias são, na verdade, condutores elétricos conectando rotas entre diferentes planos. Com base nas diferenças de projeto da placa de circuito impresso, as vias podem ser classificadas em via passante, via cega e via enterrada, o que é mostrado na Figura 1.

• Vias Thru-hole, circulando por toda a PCB, são aplicadas para roteamentos interconectados entre camadas ou como vias de posicionamento para componentes.


• As vias cegas, sem circular por toda a placa, são responsáveis ​​pela conexão entre as camadas internas da placa e o roteamento do plano de superfície.


• As vias enterradas são responsáveis ​​apenas pela conexão entre as camadas internas da PCB. Eles não podem ser vistos diretamente pela aparência dos PCBs.


Vias não podem ser consideradas como conexão elétrica e sua influência na integridade do sinal deve ser considerada. Portanto, uma melhor compreensão da influência do projeto da arquitetura das vias no desempenho do circuito digital de alta velocidade é benéfica para a excelente solução para a integridade do sinal, para que o projeto do sistema digital de alta velocidade possa ser otimizado e a qualidade da transmissão de sinais de alta velocidade pode ser melhorado.


Em circuitos de alta velocidade, o modelo elétrico equivalente de vias pode ser indicado como Figura 2 em que C₁ , C₂ e L respectivamente se referem à capacidade parasitária e indutância das vias.

Com base neste modelo, todas as vias em circuitos de alta velocidade irão gerar capacitância parasita para terra. A capacitância parasita pode ser calculada através da fórmula abaixo:

Nesta fórmula, a capacitância parasita das vias é igual ao diâmetro do antipad ao solo, diâmetro dos pads das vias, constante dielétrica do material do substrato e a espessura do PCB. Em circuitos digitais de alta velocidade, a capacitância parasita das vias faz com que o tempo de subida do sinal se torne lento ou diminua e reduz a velocidade do circuito. Para uma linha de transmissão cuja impedância característica é Z₀ , a relação entre a capacitância parasita e o tempo de subida dos sinais pode ser indicada pela fórmula abaixo.

Quando os sinais de alta velocidade passam pelas vias, a indutância parasita também é gerada. Em circuitos digitais de alta velocidade, a influência trazida pela indutância parasita das vias é maior do que a capacitância parasita. A indutância parasita pode ser calculada de acordo com a fórmula abaixo.

Nesta fórmula, a indutância parasita das vias é igual ao comprimento das vias e ao diâmetro das vias. Além disso, a impedância equivalente causada pela indutância parasita nunca pode ser desprezada e a relação entre impedância equivalente e capacitância parasita e tempo de subida dos sinais pode ser indicada pela fórmula abaixo.

Com base nas fórmulas mencionadas acima, o desempenho elétrico das vias muda com os parâmetros de projeto. As mudanças de diâmetro de via, comprimento, pad e antipad levam à descontinuidade da impedância em circuitos de alta velocidade com a integridade do sinal muito influenciada. A análise dos recursos de sinal neste artigo está nos índices de S₁₁ (perda de retorno) e S₂₁ (perda de inserção). Quando o grau de atenuação da perda de inserção é inferior a -3dB, a largura de banda efetiva é aplicada para julgar e analisar o desempenho da transmissão do sinal de vias cegas/enterradas. Além disso, a simulação TDR pode ser aplicada para analisar a reflexão causada pela descontinuidade da impedância.

Simulação de Modelagem e Análise de Resultados de Vias Cegas/Enterradas

Para pesquisar a influência de vias cegas/enterradas nos recursos de sinal de PCB de alta velocidade, este artigo projeta um modelo de PCB de 8 camadas com software HFSS, que é mostrado na Figura 3 abaixo.

Neste PCB, as camadas 1 a 2, 4 a 5 e 7 a 8 são todas camadas de sinal; a terceira camada é a camada de energia; a sexta camada é a camada de solo; a espessura de cada camada é de 0,2 mm (8mil); o material dielétrico é FR4; coeficiente dielétrico é 4. A largura de roteamento das linhas de sinal é 0,1 mm (4 mil), a espessura 0,13 mm (1,1 mil). Na simulação, o tempo de subida dos sinais é definido como 20ps e a frequência de varredura mais alta é definida como 100GHz.


• Comparação sobre a influência dos recursos de sinal decorrentes de vias cegas/enterradas e vias de passagem


Quando uma linha de sinal é necessária para circular da primeira camada para a quinta camada, a via cega pode ser aplicada para conexão. O raio da via cega é definido como 0,1 mm (4 mil) e o comprimento como 0,81 mm (32 mil).


Para fins de comparação, a conexão através do furo é projetada também com o raio do furo passante de 0,1 mm. Sob esta condição, o comprimento do stub do thru-hole via é de 0,6 mm.


Com base no resultado da simulação, quando a frequência estiver na faixa de 40 GHz a 80 GHz, o parâmetro de perda de retorno de blind via (S₁₁ ) é de apenas 4dB a 7dB. No entanto, quando a frequência está na faixa de 40 GHz a 80 GHz, o parâmetro de perda de retorno do thru-hole via (S₁₁ ) é de apenas 4dB a 10dB. Quando a frequência é de 76GHz, o parâmetro de perda de inserção de blind via (S₂₁ ) é o maior. No entanto, quando a frequência é de 52 GHz, o parâmetro de perda de inserção do thru-hole via (S₂₁ ) é o maior. Se a perda de inserção for garantida em menos de -3dB, a largura de banda de operação da via cega será de 22 GHz, enquanto a largura de banda da operação de passagem será de apenas 15 GHz.


Em termos de impedância característica, a categoria de alteração de impedância característica de vias cegas está na faixa de 46 a 52 enquanto a categoria de alteração de impedância característica de vias passantes é de 42 a 53, o que significa que vias cegas possuem melhor linha de transmissão continuidade de impedância. Portanto, com base na estabilidade dos parâmetros S e na mudança da impedância característica TDR, pode-se ilustrar que as vias cegas têm melhor qualidade de transmissão do que as vias thru-hole em termos de conexão da linha de sinal entre a camada superior e a camada interna ou entre a camada inferior e a interna. camada.


Quando uma linha de sinal é necessária para circular da segunda camada para a quinta camada, a via enterrada pode ser aplicada para conexão. O raio das vias enterradas é definido para 0,1 mm e o comprimento para 0,57 mm. A via através do furo também é aplicada para comparação com seu raio de 0,1 mil e o comprimento do stub redundante entre a primeira camada e a segunda camada é de 0,23 mm, enquanto o comprimento do stub redundante entre a quinta e a oitava camada é de 0,6 mm.


Com base no resultado da simulação, quando a frequência está na faixa de 40 GHz a 80 GHz, o parâmetro de perda de retorno de via enterrada (S₁₁ ) é de apenas 4dB a 8dB com mudança relativamente suave. No entanto, quando a frequência está na faixa de 40 GHz a 80 GHz, o parâmetro de perda de retorno do thru-hole via (S₁₁ ) é de apenas 4dB a 10dB. Principalmente quando a frequência é 32GHz, a atenuação muda para 13dB instantaneamente, influenciando na estabilidade da transmissão. Quando a frequência é 77GHz, o parâmetro de perda de inserção de via enterrada (S₂₁ ) é o maior. No entanto, quando a frequência é de 54 GHz, o parâmetro de perda de inserção do thru-hole via (S₂₁ ) é o maior. Se a perda de inserção for menor que -3 dB, a largura de banda de operação da via enterrada é de 32 GHz, enquanto a largura de banda de operação da via thru-hole é de apenas 20 GHz.


Além disso, a alteração do TDR característico da via enterrada está na faixa de 41,8 a 52, enquanto a alteração do TDR característico da via passante está na faixa de 37,5 a 52, o que significa que a via enterrada apresenta melhor continuidade de impedância da linha de transmissão do que através do orifício. Portanto, com base na estabilidade dos parâmetros S e na mudança da impedância característica TDR, pode-se ilustrar que as vias enterradas têm melhor qualidade de transmissão do que as vias thru-hole em termos de conexão da linha de sinal entre as camadas internas.

• Influência de blind/enterrado via diâmetro, pad e antipad nas características do sinal


Para estudar a influência do diâmetro da via cega/enterrada, pad e antipad nas características do sinal, o tamanho do pad e antipad das vias cegas/enterradas podem ser fixados. O valor inicial do raio das vias cegas/enterradas é definido como 0,1mm e muda dentro da categoria de 0,1mm para 0,175mm.


Com base no resultado da simulação, pode-se indicar que quando o raio da via cega muda dentro da categoria de 0,1mm para 0,175mm, a mudança de impedância fica na categoria de 6 para 13,5 com o grau de descontinuidade da impedância aumentado que causa o aumento em termos de intervalo de perda de inserção S₂₁ . Quando a frequência está na faixa de 20GHz a 60GHz, a maior atenuação chega a 1,7dB. Enquanto isso, quando o raio da via enterrada muda dentro da categoria de 4mil para 7mil, a mudança de impedância fica na categoria de 10 para 17 com o grau de descontinuidade de impedância aumentado que causa o aumento em termos de faixa de perda de inserção S₂₁ . Quando a frequência está na faixa de 20GHz a 60GHz, a maior atenuação chega a 1,6dB.


Com o diâmetro da via cega e antipad inalterado, o valor inicial do raio da via cega/enterrada é definido como 0,2mm e muda dentro da categoria de 0,2mm para 0,28mm.


Com base no resultado da simulação, pode-se indicar que quando o raio da persiana via pad muda dentro da categoria de 0,2mm para 0,28mm, a mudança de impedância fica na categoria de 6,5 para 10,5 que causa o aumento em termos de alcance de perda de inserção S₂₁ . Além disso, a maior atenuação aumenta em 2dB. Enquanto isso, quando o raio da via enterrada muda dentro da categoria de 0,2mm para 0,28mm, a mudança de impedância fica na categoria de 10,5 para 15,5 com o grau de descontinuidade de impedância aumentado que causa o aumento em termos de amplitude de perda de inserção S₂₁ . Além disso, a maior atenuação aumenta em 3,2dB.


Com o diâmetro da via cega/enterrada e o tamanho da almofada inalterados, o valor inicial da almofada é definido como 0,3 mm e muda dentro da categoria de 0,3 mm para 0,375 mm.


Com base no resultado da simulação, pode-se indicar que quando o tamanho da persiana via antipad muda dentro da categoria de 0,3mm para 0,375mm, a mudança de impedância fica na categoria de 6,5 para 5,5 que causa a diminuição em termos de grau de descontinuidade de impedância e intervalo de perda de inserção S₂₁ . Além disso, a maior atenuação aumenta em 3,2dB. Enquanto isso, quando o tamanho de enterrada via antipad muda dentro da categoria de 0,3mm para 0,375mm, a mudança de impedância fica na categoria de 10 para 7,5 que causa a diminuição em termos de grau de descontinuidade de impedância e faixa de perda de inserção S ₂₁ . Além disso, a maior atenuação aumenta em 3dB.

Conclusão

Com um modelo de PCB de 8 camadas com vias cegas e enterradas estabelecido através de HFSS, este artigo compara os parâmetros S e TDR de impedância característica de vias cegas/enterradas e vias de orifícios passantes. Pode-se concluir que as vias cegas/enterradas apresentam menor perda de inserção e melhor descontinuidade de impedância do que as vias thru-hole. Sob a condição de que a perda de inserção seja menor que -3dB, as vias cegas/enterradas têm uma largura de banda de operação mais ampla do que as vias de passagem.


Este artigo também analisa a influência de parâmetros, incluindo diâmetro de via, pad e antipad em recursos de sinal cego/enterrado. Com o aumento do diâmetro das vias cegas/enterradas e do tamanho do pad, a atenuação da perda de inserção do sinal diminui e o grau de descontinuidade da impedância aumenta. No entanto, com o aumento do tamanho do antipad das vias cegas/enterradas, a atenuação da perda de inserção do sinal diminui e, portanto, diminui a descontinuidade da impedância.


Se a perda de inserção for inferior a -3dB e a largura de banda efetiva de operação atingir 20GHz, o raio das vias cegas não deve ser maior que 0,175mm e o raio das vias enterradas não deve ser maior que 0,23mm; a almofada de vias cegas não deve ser maior que 0,25mm e a almofada de vias enterradas não deve ser maior que 0,275mm; o antipad de vias cegas não deve ser menor que 0,25mm e o antipad de vias enterradas não deve ser menor que 0,23mm.


Se a faixa de mudança de impedância for controlada dentro de ±10%, o raio das vias cegas e enterradas não deve ser maior que 0,125mm; a almofada de vias cegas não deve ser maior que 0,25mm e a almofada de vias enterradas não deve ser maior que 0,175mm; o antipad de vias cegas não deve ser menor que 0,275mm e o antipad de vias enterradas não deve ser menor que 0,4mm.

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