Wie man Hochgeschwindigkeits- & RF-Via-Übergänge entwirft

Manchmal gibt es eine Designrichtlinie im Bereich des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs, die besagt, dass Vias auf Signalleitungen, sowohl bei einseitigen Signalen als auch bei differentiellen Paaren, vermieden werden sollten. Dies ist nicht völlig falsch, erfordert jedoch etwas Kontext. Wenn die Signalbandbreiten sehr breit sind und weit in den GHz-Bereich reichen, muss der Übergang über das Via sorgfältig gestaltet werden, um eine geringe Rückflussdämpfung am Eingang des Vias zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte, sobald die Verlegung in das Via bzw. aus dem Via heraus betrachtet wird, die Platzierung des Vias die Einfügedämpfung des äquivalenten Kanals ohne das Via nicht verändern.

In diesem Artikel werde ich einige der Hauptkonzepte skizzieren, die erforderlich sind, um zu verstehen, wie man diese Via-Übergänge gestaltet, sodass Signale zwischen den Schichten in einer PCB geroutet werden können. Via-Übergänge drehen sich um das Design zur Impedanz sowie um die Sicherstellung der Herstellbarkeit für die von Ihnen erstellte Via-Struktur. Die hier umrissenen Konzepte sollten Ihnen helfen zu verstehen, wie Sie mit fortschrittlicheren Designwerkzeugen Schichtübergänge mit Stitching-Vias bauen können.

Via-Übergangsherstellung, Antipads und Stitching-Vias

Ich denke, der erste Schritt beim Entwerfen eines Via-Übergangs besteht darin, die Struktur zu verstehen, die Sie herstellen müssen. Das primäre Werkzeug, das verwendet wird, um Schichtübergänge für Hochgeschwindigkeits-Vias und RF-Vias korrekt zu entwerfen, sind Stitching-Vias. Das Design eines RF-/Hochgeschwindigkeits-Via-Übergangs erfordert eine präzise Platzierung von Stitching-Vias um ein Signal-Via herum, sodass die 

• Via-Größe - Der Durchmesser des Via-Bohrers wird immer durch die Bohrfähigkeiten des Fertigungshauses begrenzt sein. Es gibt keine strikte Anforderung an die Via-Größe, die für ein spezifisches Signal oder eine Frequenz benötigt wird.
• Antipad-Größe - Im Hochgeschwindigkeitsdesign und im RF-PCB-Design muss der Via-Übergang mindestens eine Planlage durchqueren, und das Antipad in der Ebene muss korrekt dimensioniert sein, da es die Impedanz mitbestimmt.
• Abstand zwischen Vias - Es wird eine gewisse Grenze für den Wand-zu-Wand-Abstand zwischen den Vias geben, die hergestellt werden kann.
• Pad-Größe - Die Begrenzung der Pad-Größe wird bestimmen. Beachten Sie auch die Annular-Ring-Anforderungen in Klasse 2 oder Klasse 3 Produkten.
• Backdrilling - Die folgende Diskussion wird Backdrilling nicht speziell betrachten, aber es hilft zu bestimmen, ob Sie einen Lagenübergang vornehmen werden, der Backdrilling erfordert. Erfahren Sie hier mehr darüber, wie Sie den Bedarf an Backdrilling feststellen können.
• Hohe Dichte vs. Standardfertigung - Werden Sie für Ihre Platine einen HDI-Aufbau verwenden und benötigen Backdrilling? Wenn ja, sollten Sie einen Ansatz mit hoher Dichte in Betracht ziehen, der blinde/vergrabene Vias für Ihre Lagenübergänge verwendet.

Um mit dem Entwerfen eines Via-Übergangs zwischen zwei Lagen zu beginnen, stellen Sie sicher, dass Sie zuerst die Antworten auf diese Fragen ermitteln. Die ersten beiden sind am wichtigsten, da sie sich auf die DFM-Anforderungen für Ihre Platine beziehen, und dies wird dann die Frequenz (oder Bandbreite) begrenzen, die Sie zuverlässig über einen Via-Übergang übertragen können.

Wie man Via-Übergänge entwirft

Alle Via-Übergänge handeln davon, die Via-Impedanz so zu gestalten, dass sie innerhalb Ihrer erforderlichen Signalbandbreite den erforderlichen Wert hat. Dies wird erreicht, indem die folgenden physischen Aspekte Ihrer Platine dimensioniert werden:

• Anzahl der Stitching-Vias
• Anordnung der Stitching-Vias
• Pad-Größe und Antipad-Größe
• Einschluss oderEntfernung von NFPs

Einige der Hauptziele für die Signalintegrität dieser Via-Übergangskonstruktionen sind in der untenstehenden Tabelle dargestellt. Beachten Sie, dass ich erwähnt habe, dass der Einfügungsverlust ein wichtiger Faktor ist. Allgemein ist der Einfügungsverlust nicht das primäre Designziel für die Via-Struktur, aber das Zusammenspiel zwischen der Verlegung in/aus der Via-Struktur und dem Design der Via-Struktur selbst kann einen starken Anstieg des Einfügungsverlustes verursachen, der die Bandbreite des gesamten Kanals begrenzt.

Leider gibt es keinen analytischen Gleichungssatz für dieses Problem, der auf jede Schichtanzahl oder Stitching-Via-Struktur verallgemeinerbar ist. Die Geometrie und die Randbedingungen machen das Problem einfach zu komplex, so dass es analytisch nicht lösbar ist. Auch aufgrund der zylindrischen Geometrie von Via-Arrays beinhaltet das Problem Beziehungen mit zylindrischen Bessel- und Neumann-Funktionen, und ich bin sicher, kein Ingenieur möchte seine Zeit damit verbringen, diese Beziehungen von Hand abzuleiten.

Daher müssen wir einige konzeptionelle Werkzeuge verwenden, um den Abstand der Stitching-Vias um das Signal-Via (oder Paar von Vias für einen differentiellen Kanal) festzulegen. Lassen Sie uns einige Fälle betrachten:

Unter 3 GHz: Sorgen Sie sich um den Rückweg

Unterhalb von etwa 3 GHz wird die Eingangsimpedanz des Via-Übergangs typischerweise erheblich von 50 Ohm abweichen, solange ein nahegelegenes Masse-Rückführungs-Via vorhanden ist. Daher müssen Sie sich, es sei denn, Sie arbeiten mit sehr schnellen Kanälen, keine Gedanken darüber machen, eine spezifische Stitching-Via-Struktur in einen Via-Übergang einzufügen oder daraus zu entfernen. Eine typische Antipad-Größe wird mindestens so groß wie die Größe des Landepads sein. Solange irgendwo in der Nähe ein Rückführungs-Via vorhanden ist, werden Sie eine ausreichend enge Stromschleife aufrechterhalten, um EMI/Anfälligkeit zu reduzieren. Ich habe dies in meinem anderen Artikel über Stitching-Vias besprochen.

Der Grund dafür ist, dass die Eingangsimpedanz entscheidend ist, und die Eingangsimpedanz am Via-Übergang wird wie die Leitungsimpedanz aussehen (d.h., das Via ist elektrisch kurz). Das Gleiche gilt für differentielle Paare. Die Via-Übergänge beginnen erst oberhalb von 5 GHz wirklich wichtig zu werden.

Oberhalb von 3-5 GHz

Ich habe mehrmals dargelegt (und mit Berechnungen/Simulationen gezeigt), dass die Impedanz der Durchkontaktierung erst dann eine Rolle spielt, wenn die Signalbandbreiten 3 bis 5 GHz überschreiten. Wenn Sie nur einen Übergang durch eine Durchkontaktierung ohne Stitching-Durchkontaktierungen haben, wird die Impedanz des Übergangs induktiv erscheinen und bis zu etwa dem 3-4-fachen der charakteristischen Impedanz der Durchkontaktierung bei etwa 30 GHz ansteigen. Oberhalb dieses Frequenzbereichs übernimmt die Kapazität die Führung, und die Impedanz der Durchkontaktierung beginnt wieder zu sinken, bis sie etwa 50 GHz erreicht.

Das Platzieren einiger Stitching-Durchkontaktierungen, wie unten gezeigt, und die Reduzierung der Größe des Antipads wird den Impedanzanstieg im Bereich von 5 bis 50 GHz reduzieren. Dies liegt daran, dass die Durchkontaktierungen und das Antipad die Kapazität bestimmen, die parallel zu den Signaldurchkontaktierungen gesehen wird, was die charakteristische Impedanz der Durchkontaktierung und damit die Eingangsimpedanz reduziert. Wenn die Durchkontaktierungen und die Grenze des Antipads näher zusammengebracht werden, wird die Impedanzabnahme größer sein und sich dem Impedanzziel (entweder einseitig oder differentiell) annähern.

Für differentielle Paare wird das Antipad die Auswirkungen auf die Eingangsimpedanz dominieren, während einseitige Kanäle eine ähnliche Empfindlichkeit sowohl gegenüber der Größe des Antipads als auch der Anordnung der Durchkontaktierungen aufweisen.

Wenn Sie die Vias und/oder Antipads zu nah zusammenbringen, haben Sie zu viel Kapazität hinzugefügt, und dann wird die Eingangsimpedanz unter Ihr Ziel im Bereich von 5-50 GHz fallen. Mit genau der richtigen Anordnung von Vias können Sie Ihre Zielimpedanz erreichen und eine nahezu flache Eingangsimpedanz bis zu 40-50 GHz beibehalten, was für sehr schnelle 112G PAM-4-Signalisierung ausreichend ist.

Ich habe oben erwähnt, dass es keine analytischen Lösungen für das Via-Übergangsdesignproblem gibt, daher gibt es keine geschlossenen Modelle, die in den Frequenzbereichen funktionieren, in denen die Via-Impedanz tatsächlich wichtig ist. Das ist der Grund, warum jeder Via-Impedanzrechner, den ich gesehen habe, falsche Ergebnisse liefert und in realen Situationen nicht nützlich ist. Ich habe dieses Problem in einem anderen Artikel besprochen; das ist auch der Grund, warum Sie eine Anwendung wie CST oder Simbeor benötigen, um Verbindungen mit flacher Impedanz innerhalb der gewünschten Signalbandbreite zu entwerfen.

Gibt es eine maximale Frequenz für Durchgangs-Via-Übergänge?

Welche maximale Bandbreite können Sie in diesen Designs erwarten? Der Wert wird irgendwo unter ~100 GHz für RF-Signale liegen, und eine flache Impedanz kann bis zu ~50 GHz für digitale Signale entworfen werden.

Der Hauptfaktor, der die Bandbreite/Frequenz begrenzt, die durch einen Via-Übergang geleitet werden kann, ist die Fertigungstechnologie, die verwendet wird, um den Via-Übergang zu bauen. Dies liegt daran, dass die Bohrgröße und der Abstand der Stitching-Vias begrenzt sein werden. Um Schichtübergänge jenseits von ~90 GHz zu realisieren, benötigen wir eine andere Fertigungstechnologie.

Mit dem gesagt, ermöglichen die Grenzen in der aktuellen subtraktiven Ätz- und Bohrfertigungstechnologie dennoch Durchkontaktierungs-Via-Übergänge, die gut in die mmWave-Bänder hinein funktionieren. In meinem Unternehmen haben wir Via-Übergänge bei 77 GHz für Radar-Designs entworfen. Bei diesen Frequenzen konzentrieren sich die meisten Designs auf die Verwendung eines Blindvias für einen Schichtübergang, aber Durchkontaktierungen sind tatsächlich sehr wichtig in Bereichen wie dichten hybriden beamgeformten MIMO-Radaren und in 5G-Antennenarrays, die in mmWave-Bändern arbeiten. Das habe ich in meiner kürzlichen EDICON-Präsentation gezeigt.

Das Risiko hierbei ist, dass es zu einer übermäßigen Signalaustritt aus dem Via-Array kommen könnte, was durch die Lokalisierungsfrequenzgrenze (in Grün) angezeigt wird.

Die RF-Welt hat viel Arbeit geleistet, um präzise Schichtübergangsdesigns zu erstellen, die gut in den GHz-Bereich hinein funktionieren und nicht auf Durchkontaktierungen basieren. Diese haben geholfen, die Grenze von etwa 90 GHz zu überwinden, die bei breitbandigen Anschlussflächen von BGA-Komponenten und den Arten von schmalbandigen Übergängen, wie oben gezeigt, gefunden wurde. Einige der alternativen Arten von Signalübergängen, die einen Teil oder die gesamte PCB-Schichtstapelung in den mmWellen-Bereich überbrücken können, umfassen Aperturkopplung und gestufte Blind-/Begrabene-Via-Kopplung.

Leider sind diese alle schmalbandig, was bedeutet, dass Sie kein Hochgeschwindigkeitssignal durch diese Via-Übergänge bekommen können. Sie werden anfangen, Leistung in den mittleren Frequenzen zu verlieren, etwas, das in den Rückflussverlustmessungen am Signalübergang deutlich gesehen werden kann. Ich habe Via-Übergangsdesigns für differentielle SerDes-Kanäle gemacht, die sehr deutlich genug Bandbreite für einen Durchkontaktierungsübergang bieten, der Bandbreiten von 56 GHz unterstützen kann (dies ist die Nyquist-Frequenz für 224 Gbps PAM-4-Bitströme) auf Megtron-Substraten.

In den Designs, die ich in diesen Bereichen durchgeführt habe, haben wir keine andere Wahl, als Durchkontaktierungen zu verwenden, da wir Patches auf einer Oberflächenschicht und Transceiver auf der anderen Oberflächenschicht dicht gepackt haben. Um jedoch diese Übergänge zu entwerfen und zu spezifizieren, benötigen Sie einen elektromagnetischen Feldlöser, eine klare Fertigungszeichnung und natürlich die besten CAD-Tools der Branche.

Zusammenfassung

Zusammenfassend habe ich die folgende Tabelle entwickelt, die auflistet, wann ein Array aus Verbindungs-Vias benötigt wird, wann nur ein einzelnes Rückführungs-Via benötigt wird und wann keine Vias für Signalübergänge über mehrere Schichten benötigt werden.

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