Wie Antipads die Signalintegrität in Ihrer mehrlagigen Leiterplatte beeinflussen

Antipads um Vias mit Durchsteckmontage sind ein Streitpunkt in modernen PCBs, und die Debatte um die Verwendung dieser Elemente in einer mehrlagigen Leiterplatte wird als binäre Entscheidung dargestellt. Mit den modernen PCBs von heute zahlt es sich aus, die Auswirkungen von Antipads auf die Signalintegrität und insbesondere auf die Via-Impedanz in einer Leiterplatte zu verstehen. In diesem Artikel werden wir uns die Auswirkungen der Antipad-Dimensionierung auf die Via-Impedanz und die Wellenausbreitung genau ansehen, da diese Metrik die Grundlage für andere Signalintegritätsmetriken bildet.

Modellierung von Via-Antipads und Signalintegrität

Wenn Sie durch eine solide Ebene routen, lautet die Designfrage, wie weit das Antipad über das Via-Pad hinausragen sollte und ob interne nichtfunktionale Pads im Design beibehalten werden. In den Anwendungshinweisen einiger Komponenten wird ohne nähere Erläuterung empfohlen, Antipads auf Anschlussflächen-Pads anzubringen. Darüber hinaus geben Ihnen verschiedene Anwendungshinweise genau an, welchen Via-Antipad-Durchmesser Sie verwenden sollten, aber es ist leicht, dies aus dem Zusammenhang zu reißen. Schauen wir uns diese beiden Situationen genauer an und betrachten wir, wie die Struktur eines Via/Pad + Antipad zu Signalintegritätsproblemen führen kann.

Antipads auf Durchkontaktierungen sind präzise dimensioniert, um eine Zielimpedanz bei hohen Frequenzen zu erreichen. Für Dk = 3 bis etwa Dk = 4 liegt der Frequenzbereich, in dem eine kontrollierte Impedanz benötigt wird, geringfügig über etwa 3–5 GHz (siehe Modell unten). Ein Via-Antipad kann auch automatisch von Ihren CAD-Tools basierend auf Ihren Abstandsregeln angewendet werden, wenn Sie eine metallisierte Durchsteckmontage zum Übergang durch eine solide Ebene verwenden. Der Abstand wird unabhängig davon angewendet, ob Sie die NFPs auf Ihrem Via belassen oder sie entfernen. Sie könnten auch einen Polygonausschnitt anwenden, wenn die Durchkontaktierung durch eine Lage mit Kupferfläche verläuft; dies würde Ihnen eine gewisse Flexibilität geben, um mit genau bemessenen Antipads auf spezifische Vias abzuzielen.

Ein Modell mit geringer Frequenz (bis zu 3–5 GHz für Dk = 3 bis 4)

Bei niedrigen Frequenzen gibt es ein einfaches Modell, das verwendet werden kann, um Näherungswerte für das Via-Verhalten zu errechnen. Der Sinn der Anwendung eines bestimmten Antipads besteht darin, dass die Via-Impedanz einen bestimmten Zielwert erreichen kann. Dies erfolgt durch Ausgleichen der standardmäßigen reaktiven Störeinflüsse (Parasitics) in einer Via-Struktur:

• Induktivität. Isoliert betrachtet ist eine Durchkontaktierung im Grunde ein Induktor, und die Induktivität der Durchkontaktierung hängt vom Seitenverhältnis der Durchkontaktierung ab.
• Kapazität. Das Vorhandensein der Lage darum herum erzeugt eine gewisse parasitäre Kapazität um die Durchkontaktierungswand herum, und es wird Kapazität zwischen den Via-Pads und der Masse geben.

Jedes Pad am Ende der Durchkontaktierung und der dazwischenliegenden Lage erzeugt zwei Kapazitäten parallel zueinander. In Kombination mit einem Induktor haben wir ein Standard-Pi-Modell, das eine Durchkontaktierung und ihr Antipad beschreibt, wie unten gezeigt. Beachten Sie, dass die unten gezeigte Kapazitätsgleichung nur eine Annäherung ist, da sie keine Streufelder berücksichtigt. Die Via-Induktivitätsgleichung ist ebenfalls eine Annäherung.

Wir können hier einige konzeptionelle Ergebnisse extrahieren. Zunächst ist das CLC-Pi-Modell wie jede Pi-Schaltung im Grunde ein Tiefpassfilter mit der oben definierten Grenzfrequenz von 3 dB. Angenommen, Sie möchten die Bandbreite Ihrer Via + Antipad-Anordnung erweitern. In diesem Fall müssen Sie das Seitenverhältnis reduzieren (kürzerer Via oder breiterer Zylinderdurchmesser) oder die Pad-Lage-Pad-Kapazität verringern (größeres Antipad). Zweitens besteht die Gefahr, dass die 3-dB-Frequenz abnimmt und die Bandbreite begrenzt, wenn das Seitenverhältnis recht groß wird.

Leider wird dieses Modell bei Frequenzen über etwa 3–5 GHz ungenau sein. Warum können wir das nicht für Via-Impedanzberechnungen verwenden? Dafür gibt es einige Gründe:

1. Es ist nur in Bereichen genau, in denen die Via-Impedanz nicht benötigt wird
2. Es neigt dazu, die Via-Ausbreitungsverzögerung um etwa den Faktor 2 zu überschätzen.
3. Es enthält keine Frequenzabhängigkeit beim Widerstand, die immer oberhalb von 3–5 GHz zu beobachten ist
4. Stitching-Vias und ihre Auswirkungen auf den Widerstandswert können nicht berücksichtigt werden
5. Es kann nicht mit Differentialpaaren genutzt werden, die vornehmlich mit impedanzgesteuerten Hochgeschwindigkeitssignalen verwendet werden

Sobald Sie das mmWave-Regime erreichen, stehen Sie vor anderen Herausforderungen in Bezug auf die Signalintegrität, die das Routing durch Vias betreffen. Zusätzliche Parasitics werden bei diesen Frequenzen dominant und tragen zum Gesamteinfügeverlust entlang einer Verbindung bei.

• Erfahren Sie mehr über Impedanzberechnungen
• Erfahren Sie mehr über das mmWave-Signalverhalten in PTH-Durchkontaktierungen

Beispiel Dk-wirksame Berechnung

Anhand eines Beispiels für die Berechnung der Größe von Antipads können wir die Zeit bestimmen, die ein Signal für die Durchquerung eines Vias benötigt. Die Laufzeit kann dann mit der Laufzeit für dasselbe Signal im Vakuum verglichen werden, um eine effektive dielektrische Konstante entlang der Durchkontaktierung zu bestimmen.

Nehmen wir an, wir haben eine Via, die durch eine 1,57 mm dicke Leiterplatte mit 10 mil Zylinderdurchmesser, 20 mil Anschlussflächen-Pad und 25 mil Antipad führt. Wenn wir die Ausbreitungszeit mit dem obigen Modell mit Dk = 4 berechnen, erhalten wir etwa 43 ps Laufzeit über diesen Via, obwohl der tatsächliche Wert ohne verbindende Vias bei etwa 20 ps liegt. Daraus ergibt sich ein Dk-wirksamer Wert von etwa 14. Das bedeutet, dass ein einzelner Via eine Menge überschüssiger Ausbreitungsverzögerung für Signale erzeugt, die entlang des Vias verlaufen; wenn wir einfach den Wert Dk = 4 verwenden, um die Ausbreitungsverzögerung durch den Via zu berechnen, würden wir etwa 10 ps Ausbreitungsverzögerung berechnen. Das ist ein erheblicher Unterschied, wenn wir verzögerungsangepasste Signale (im Hochgeschwindigkeitsdesign) oder phasenangepasste Signale (im HF-Design) benötigen.

Antipad-Herstellbarkeit

Die Größe eines Antipads wirkt sich auch auf die Herstellbarkeit aus. Das Problem der Herstellbarkeit betrifft hier das Bohren eines Durchsteckmontage-Vias durch eine Lage, die durch Bohrerwandern beeinträchtigt wird. Während der Herstellung können Positionsänderungen beim Bohrerschlag (Bohrerwandern) dazu führen, dass das Loch an der falschen Stelle platziert wird und ein Teil des Kupfers der Lage durch die Lochwand freigelegt wird. Während der Metallisierung würde dies zu einem Kurzschluss in die Kupferlage führen. 

Um dieses Problem zu vermeiden, muss das Antipad groß genug sein, damit eventuelles Bohrerwandern die Kupferlage nicht durchbohrt. Es empfiehlt sich, das Antipad mindestens so groß zu machen wie die Pads an beiden Enden der Durchkontaktierung. Bei Produkten der Klasse II würde jedoch jeder Durchbruch im Restring definitiv die Kupferlage treffen, selbst wenn man die Abweichung von Schicht zu Schicht (normalerweise etwa 1 mil) berücksichtigt.

An diesem Punkt ist es eine gute Strategie, Ihren Hersteller zu fragen, was er empfiehlt. Als Faustregel gilt, den Antipad-Durchmesser so zu dimensionieren, dass er 20 mil größer ist als der Bohrerdurchmesser oder 12 mil größer als die Pad-Größe, die für die Einhaltung von IPC-6012 Klasse II erforderlich ist. Dies würde Ihnen viel Platz für Produkte der Klasse II oder Klasse III geben. Das ist nur eine Empfehlung; Sie könnten sich für einen kleineren Ausdehnungswert entscheiden, solange es keine funktionslosen Pads auf den Innenlagen gibt, wobei die Konformität ein Problem sein kann, wenn die Herstellungstoleranzen zu locker sind.

Oberhalb der 3–5-GHz-Grenze

Der Widerstandswert wird mit einem Antipad, NFPs und verbindenden Vias gesteuert

Wenn Sie den oben verlinkten Artikel über Via-Impedanzrechner gelesen haben, dann haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass verbindende Vias benötigt werden, wenn eine bestimmte Via-Impedanz angestrebt werden muss. Durch das Hinzufügen von verbindenden Vias wird parallel zum Via-Übergang eine verteilte Kapazität hinzugefügt; dies kann die Via-Impedanz von induktiv zu kapazitiv umwandeln, sobald die Betriebsfrequenz 5 GHz überschreitet. Bei den meisten digitalen Protokollen (unter 10 Gbit/s SerDes) und bei einseitigen HF-Verbindungen ist möglicherweise nur eine kleine Anzahl von verbindenden Vias erforderlich. Bei Signalen oder Bandbreiten deutlich oberhalb von 5 GHz sind verbindende Vias erforderlich, um die Impedanz auf einen Zielwert einzustellen.

Verbindende Vias sind einfach: Sie sind entlang des Randes des Antipads um den Via angeordnet. Um die Via-Impedanz so einzustellen, dass sie bei hohen Frequenzen flach ist, wird empfohlen, die NFPs zu entfernen und verbindende Vias um die Via-Struktur herum zu platzieren. Eine Beispielstruktur, die die Via-Strukturimpedanz über 5 GHz hinaus erweitert, ist unten gezeigt:

Wenn die verbindenden Vias zu nahe an den Signal-Via gebracht werden, ändert sich die Via-Impedanz oberhalb der ~5-GHz-Grenze von induktiv zu kapazitiv. Dies liegt daran, dass Via-Strukturen sehr empfindlich auf kapazitive Ladung entlang der Via-Wand reagieren, insbesondere bei Vias mit Durchsteckmontage. Das Einstellen des Vias und des Antipads auf genau den richtigen Durchmesser kann dazu beitragen, die Via-Impedanz über eine große Bandbreite auf einen idealen Systemimpedanzwert (normalerweise 50 Ohm) einzustellen, das gilt auch für Vias mit Durchsteckmontage.

Was ist mit Differentialpaaren?

Bei Differentialpaaren müssen wir die Auswirkung auf die Impedanz der Via-Struktur im ungeradzahligen Modus untersuchen. Mit anderen Worten: Wir müssen ein Via-Paar analysieren, das differenziell angesteuert wird, und nicht ein Paar einzelner Durchkontaktierungen. Leider ist das oben beschriebene einfache Impedanzmodell mit geringer Frequenz auch für Differentialpaare nicht nützlich und es gibt kein analytisches Modell zur Modellierung von Differential-Vias als Übertragungsleitungen. Die typische Strategie besteht darin, bei der Platzierung der Differential-Vias mindestens den gleichen Abstand einzuhalten, der beim Routing verwendet wurde. Die Pad-Größen können jedoch den Abstand einschränken, den Sie zwischen den Differential-Vias und ihren Anschlussflächen-Pads einstellen können. Daher ist ein Feldlöser das beste Werkzeug zur präzisen Bestimmung von Platzierung und Routing durch Differential-Vias in einer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte.

Antipad-Größen für Backdrilling

Sowohl im unsymmetrischen als auch im Differentialfall müssen Sie möglicherweise die Backdrilling-Anforderungen bestimmen, die ebenfalls von der Größe des Antipads abhängen. Die beim Bohren mit kontrollierter Tiefe verwendeten Bohrer können größer sein als der typische Via-Durchmesser. Nur um sicher zu gehen, ist es am besten, das Antipad so zu dimensionieren, dass es größer als die Bohrspitze ist. Um mehr darüber zu erfahren, sehen Sie sich das folgende Video über Backdrilling an, um zu sehen, wie Antipads auf einem Paar von Differential-Vias die Via-Ausbreitungsverzögerung beeinflussen. Wie Sie im Video sehen, hilft das Antipad bei der Bestimmung der niedrigsten Resonanzfrequenz im Via-Stub, die bestimmt, wann Backdrilling erforderlich ist.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie, wenn Sie Via-Bandbreite und -Parasitics steuern möchten, einige Hebel haben, an denen Sie ziehen können. Antipads auf Vias bieten Ihnen eine einfache Möglichkeit, die Parasitics-Kapazität so abzustimmen, dass sie mit der Induktivität für ein bestimmtes Via-Seitenverhältnis übereinstimmt. Die Dielektrizitätskonstante (nur Dk-Wert) kann auch als Werkzeug zur Steuerung der Via-Kapazität verwendet werden. Schließlich sind verbindende Vias erforderlich, um den Via-Übergang auf die erforderliche Impedanz oberhalb von etwa 5 GHz einzustellen.

In Bezug auf Antipads auf Anschlussflächen-Pads erzeugen Sie eine kleine Impedanzdiskontinuität, die zu einem kleinen Einfügeverlust und Rückleitungsverlust am Pad führen kann. Bei Hochgeschwindigkeitskanälen mit Bandbreiten von bis zu 100 GHz und mehr ist jedes bisschen Einfügeverlust, das Sie vermeiden können, entscheidend. Meiner Meinung nach sollte man auf Nummer sicher gehen und keine Antipads an Anschlussflächen-Pads verwenden, es sei denn, dies ist unbedingt erforderlich, um den Widerstandswert eines Anschlussflächen-Pads auf einen bestimmten Wert einzustellen und damit den Rückleitungsverlust zu verringern.

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