Dominando o Design de Vias Cegas e Enterradas para PCBs Digitais de Alta Velocidade

Com as aplicações crescentes de circuitos integrados de grande escala e super grande escala no sistema de circuitos, as placas de circuito mostram uma tendência de desenvolvimento em direção a múltiplas camadas e complexidade devido à escala de integração ampliada de chips, encolhimento de volume, escalada de pinos e aumento de taxa de velocidade. A maioria dos PCBs multi-camadas de alta velocidade implementa conexões entre camadas através de vias passantes. Para as conexões elétricas que não circulam do topo ao fundo, no entanto, stub redundante de via passante possivelmente ocorrerá, de modo que a qualidade de transmissão de PCB será mal 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. Baseado nas tentativas de equilibrar custo versus desempenho, o design de vias cegas/enterradas surge a fim de evitar efetivamente o efeito de stub redundante e aumentar a qualidade de transmissão dos sistemas.

Com design de vias cegas e enterradas como objetos de pesquisa e através de simulação de modelagem, este artigo analisa principalmente a influência de parâmetros concernentes a diâmetros de via de vias cegas/enterradas, pad e antipad em características de sinal como parâmetro S e continuidade de impedância e fornece instruções práticas para design de vias cegas/enterradas de PCB de alta velocidade.

Parâmetros Principais e Índice de Desempenho de Vias Cegas/Enterradas

Para PCBs multi-camadas de circuito digital de alta velocidade, 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 roteamentos entre diferentes planos. Baseado em diferenças de design de PCB, vias podem ser classificadas em via passante, via cega e via enterrada, mostrada na Figura 1.

• Vias passantes, circulando através de todo o PCB, são aplicadas para roteamentos interconectados entre camadas ou como vias de posicionamento para componentes.

• Vias cegas, sem circular através de todo o PCB, são responsáveis pela conexão entre camadas internas de PCB e roteamento de plano de superfície.

• Vias enterradas são responsáveis pela conexão entre camadas internas de PCB apenas. Elas não podem ser vistas diretamente da aparência de 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 design de arquitetura de vias no desempenho de circuito digital de alta velocidade é benéfica para a excelente solução de integridade de sinal, de modo que o design de sistema digital de alta velocidade pode ser otimizado e a qualidade de transmissão de sinais de alta velocidade pode ser melhorada.

Em circuitos de alta velocidade, o modelo elétrico equivalente de vias pode ser indicado como Figura 2, na qual C₁, C₂ e L respectivamente referem-se à capacitância e indutância parasitas de vias.

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

Nesta fórmula, a capacitância parasita de vias é igual ao diâmetro do antipad para terra, diâmetro dos pads de vias, constante dielétrica do material do substrato e a espessura do PCB. Em circuitos digitais de alta velocidade, a capacitância parasita de vias faz o tempo de subida do sinal tornar-se lento ou declinar e retarda a velocidade do circuito. Para uma linha de transmissão cuja impedância característica é Z₀, a relação entre capacitância parasita e o tempo de subida dos sinais pode ser indicada como fórmula abaixo.

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

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

Baseado nas fórmulas mencionadas acima, o desempenho elétrico de vias muda com parâmetros de design. As mudanças de diâmetro de via, comprimento, pad e antipad levam a descontinuidade de impedância em circuitos de alta velocidade com integridade do sinal grandemente influenciada. A análise sobre características de sinal neste artigo reside nos índices de S₁₁ (perda de retorno) e S₂₁ (perda de inserção). Quando o grau de atenuação de perda de inserção é menor que -3 dB, a largura de banda efetiva é aplicada para julgar e analisar o desempenho de transmissão de sinal de vias cegas/enterradas. Além disso, simulação TDR pode ser aplicada para analisar a reflexão causada por descontinuidade de impedância.

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

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

Neste PCB, camadas 1 a 2, 4 a 5 e 7 a 8 são todas camadas de sinal; a terceira camada é camada de energia; a sexta camada é camada de terra; a espessura de cada camada é 0,2 mm (8 mil); material dielétrico é FR4; coeficiente dielétrico é 4. A largura de roteamento de 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 20 ps e a maior frequência de varredura é definida como 100 GHz.

• Comparação sobre a influência de características de sinal derivadas de vias cegas/enterradas e vias passantes

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

Para comparação, conexão de via passante também é projetada com raio de via passante 0,1 mm. Nesta condição, o comprimento do stub de via passante é 0,6 mm.

Baseado no resultado da simulação, quando a frequência está na faixa de 40 GHz a 80 GHz, o parâmetro de perda de retorno de via cega (S₁₁) é apenas 4 dB a 7 dB. No entanto, quando a frequência está na faixa de 40 GHz a 80 GHz, o parâmetro de perda de retorno de via passante (S₁₁) é 4 dB a 10 dB. Quando a frequência é 76 GHz, o parâmetro de perda de inserção de via cega (S₂₁) é o maior. No entanto, quando a frequência é 52 GHz, o parâmetro de perda de inserção de via passante (S₂₁) é o maior. Se a perda de inserção for garantida como menor que -3 dB, a largura de banda de operação de via cega será 22 GHz, enquanto a largura de banda de operação de via passante será apenas 15 GHz.

Em termos de impedância característica, a categoria de mudança de impedância característica de vias cegas está na faixa de 46 a 52, enquanto a categoria de mudança de impedância característica de vias passantes é de 42 a 53, o que significa que vias cegas têm melhor continuidade de impedância de linha de transmissão. Portanto, baseado na estabilidade de parâmetros S e mudança de impedância característica TDR, pode ser ilustrado que vias cegas têm melhor qualidade de transmissão que vias passantes em termos de conexão de linha de sinal entre camada superior e camada interna ou entre camada inferior e camada interna.

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

Baseado 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 apenas 4 dB a 8 dB com mudança relativamente suave. No entanto, quando a frequência está na faixa de 40 GHz a 80 GHz, o parâmetro de perda de retorno de via passante (S₁₁) é 4 dB a 10 dB. Especialmente quando a frequência é 32 GHz, a atenuação muda para 13 dB instantaneamente, influenciando a estabilidade de transmissão. Quando a frequência é 77 GHz, o parâmetro de perda de inserção de via enterrada (S₂₁) é o maior. No entanto, quando a frequência é 54 GHz, o parâmetro de perda de inserção de via passante (S₂₁) é o maior. Se a perda de inserção for garantida como menor que -3 dB, a largura de banda de operação de via enterrada é 32 GHz, enquanto a largura de banda de operação de via passante é apenas 20 GHz.

Além disso, a mudança de TDR característico de via enterrada está na faixa de 41,8 a 52, enquanto a mudança de TDR característico de via passante está na faixa de 37,5 a 52, o que significa que via enterrada apresenta melhor continuidade de impedância de linha de transmissão que via passante. Portanto, baseado na estabilidade de parâmetros S e mudança de impedância característica TDR, pode ser ilustrado que vias enterradas têm melhor qualidade de transmissão que vias passantes em termos de conexão de linha de sinal entre camadas internas.

• Influência de diâmetro, pad e antipad de via cega/enterrada em características de sinal

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

Baseado no resultado da simulação, pode ser indicado que quando o raio de via cega muda dentro da categoria de 0,1 mm a 0,175 mm, a mudança de impedância está na categoria de 6 a 13,5 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 20 GHz a 60 GHz, a maior atenuação atinge 1,7 dB. Enquanto isso, quando o raio de via enterrada muda dentro da categoria de 4 mil a 7 mil, a mudança de impedância está na categoria de 10 a 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 20 GHz a 60 GHz, a maior atenuação atinge 1,6 dB.

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

Baseado no resultado da simulação, pode ser indicado que quando o raio de pad de via cega muda dentro da categoria de 0,2 mm a 0,28 mm, a mudança de impedância está na categoria de 6,5 a 10,5 que causa o aumento em termos de faixa de perda de inserção S₂₁. Além disso, a maior atenuação aumenta em 2 dB. Enquanto isso, quando o raio de pad de via enterrada muda dentro da categoria de 0,2 mm a 0,28 mm, a mudança de impedância está na categoria de 10,5 a 15,5 com o grau de descontinuidade de impedância aumentado que causa o aumento em termos de faixa de perda de inserção S₂₁. Além disso, a maior atenuação aumenta em 3,2 dB.

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

Baseado no resultado da simulação, pode ser indicado que quando o tamanho de antipad de via cega muda dentro da categoria de 0,3 mm a 0,375 mm, a mudança de impedância está na categoria de 6,5 a 5,5 que causa a diminuição em termos de grau de descontinuidade de impedância e faixa de perda de inserção S₂₁. Além disso, a maior atenuação aumenta em 3,2 dB. Enquanto isso, quando o tamanho de antipad de via enterrada muda dentro da categoria de 0,3 mm a 0,375 mm, a mudança de impedância está na categoria de 10 a 7,5 que causa a diminuição em termos de grau de descontinuidade de impedância e faixa de perda de inserção S₂₁. Além disso, a maior atenuação aumenta em 3 dB.

Conclusão

Com um modelo de PCB de 8 camadas com vias cegas e enterradas estabelecido através de HFSS, este artigo compara parâmetros S e impedância característica TDR de vias cegas/enterradas e vias passantes. Pode ser concluído que vias cegas/enterradas têm menor perda de inserção e melhor descontinuidade de impedância que vias passantes. Sob a condição de que a perda de inserção seja menor que -3 dB, vias cegas/enterradas têm largura de banda de operação mais ampla que vias passantes.

Este artigo também analisa a influência de parâmetros incluindo diâmetro de via, pad e antipad em características de sinal de vias cegas/enterradas. Com o aumento do diâmetro de vias cegas/enterradas e tamanho de pad, a atenuação de perda de inserção de sinal encolhe correspondentemente e o grau de descontinuidade de impedância aumenta. No entanto, com o aumento do tamanho de antipad de vias cegas/enterradas, a atenuação de perda de inserção de sinal encolhe e a descontinuidade de impedância também encolhe correspondentemente.

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

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

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