Sollten Sie Teardrops auf differentiellen Paaren platzieren?

Einer der wichtigsten Faktoren, die sich auf die Zuverlässigkeit einer PCBA auswirken, ist die Verwendung von Teardrops auf Leiterbahnen in der Leiterplatte. Teardrops sind äußerst nützlich, und einige Hersteller schreiben diese ggf. für ihre Produkte der Klasse III vor. Das dient dazu, den Restring an einem Bohrloch zu erweitern. Wie so oft im Bereich der Zuverlässigkeit umfassen diese Überlegungen auch die Signalintegrität – insbesondere da hochzuverlässige Produkte größere Datenverarbeitungskapazitäten erfordern und mit höheren Geschwindigkeiten laufen müssen.

Da Hochgeschwindigkeitsschnittstellen mit differentiellen Paaren betrieben werden, stellt sich natürlich die Frage:

• Sollte man Teardrops für differentielle Paare verwenden?

Diese Frage stellte mir Mario Strano, der vor Kurzem bei uns im Podcast zu Gast war. Dies ist ein wichtiges Problem beim Hochgeschwindigkeitsdesign, da Teardrops im Wesentlichen eine Eingangsimpedanzabweichung am Eingangsende eines Vias erzeugen. Grundsätzlich ist es eine hervorragende Frage, da Leiterplatten-Teardrops ausschlaggebend für die Zuverlässigkeit sind. Außerdem wird so die Tatsache berücksichtigt, dass Teardrops die Impedanz beeinflussen können. In diesem Artikel werde ich auf die Probleme eingehen, die bei der Teardrop-Verwendung bei differentiellen Paaren auftreten, und wie sich diese auf die Impedanz auswirken können.

Warum Teardrops?

Das Wichtigste zuerst: Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, warum Teardrops auf einem differentiellen Paar (oder einer anderen Leiterbahn) platziert werden können, das in ein Via geroutet wird. Während der Fertigung, beim Bohren von Löchern für Vias oder andere NPTH-/Montagebohrungen, kann sich die Bohrspitze zwischen den einzelnen Bohrungen verschieben und dadurch das Bohrziel leicht verfehlen. Wenn diese Verschiebung groß wird, kann der Bohrer möglicherweise eine Leiterbahn oder ein Pad vom Via trennen, wodurch der Stromkreis nach dem Aufbringen der Beschichtung offen sein kann.

Teardrops können aufgetragen werden, um ein Ausbrechen zu verhindern, das eine mit einem Via-Pad verbundene Leiterbahn durchtrennen könnte. Die Idee dahinter ist, zusätzliches Kupfer aufzutragen, um zu verhindern, dass während der Herstellung die Leiterbahnen beim Bohren ausbrechen.

Einige IPC-Klasse-3-Fertigungsbetriebe empfehlen Teardrops, aber dadurch kommen Fragen bezüglich der Signalintegrität bei Hochgeschwindigkeitsschnittstellen auf. Wie wirken sich diese Komponenten auf Hochgeschwindigkeitssignale aus, insbesondere auf differentielle Paare? Das ist wichtig, da die standardmäßigen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen differentielle Signale verwenden und immer mehr hochzuverlässige Produkte diese Protokolle umsetzen.

Antworten findet man im HF-Design

Ob Sie es glauben oder nicht, wir können uns erneut an den Designpraktiken für HF-Leiterplatten orientieren. Auf diesen differentiellen Leiterbahnen liegt ein abgeschrägter Abschnitt vor, mit dem HF-Ingenieure oft Impedanzen anpassen. Tatsächlich werden Abschrägungen als Übergangselemente von Mikrostreifen zu substratintegrierten Wellenleitern (SIWs) und geerdeten koplanaren Wellenleitern verwendet. Die Impedanzanpassung durch solche Elemente kann breitbandig sein und bietet eine sehr konsistente Phasenreaktion zwischen den Resonanzen für HF-Signale mit moderater Bandbreite.

Für digitale Signale gibt es drei Probleme, die wir in Hinblick auf die Auswirkungen von Teardrops auf Hochgeschwindigkeitssignale berücksichtigen müssen:

• Bandbreite: Alle digitalen Signale haben eine große Bandbreite (theoretisch unendlich); der Kanal muss Frequenzen bis zur Nyquist-Frequenzgrenze übertragen.
• Kopplung: Bei differentiellen Paaren haben wir ein Paar gekoppelter Abschrägungen, nicht nur eine einzelne isolierte Abschrägung. Die Kopplung hängt von der Leiterbahnbreite und dem Abstand ab.
• Abschrägungsrate: Die Geschwindigkeit, mit der sich das Teardrop zur Via-Pad-Breite abschrägt, bestimmt die Rate, mit der sich die Single-Ended-Impedanz einer Leiterbahn im Paar ändert, und somit auch die Rate, mit der sich die differentielle Impedanz ändert.
• Abschrägungsprofil: Ist das Teardrop-Profil linear oder gekrümmt? Dies wirkt sich auch auf die Impedanzanpassung und -ausbreitung aus.

Aufgrund dieser drei Punkte muss auch eine geeignete Abschrägungsbreite und -länge ausgewählt werden, um die Auswirkungen eines Teardrops auf differentielle Paare zu minimieren. Da jedoch die Abschrägung auf eine größere Breite die Impedanz der Leiterbahn verringert, sollten Sie sicherstellen, dass die Eingangsimpedanz in das Via (gilt nur für hohe Frequenzen) niedriger ist als die Impedanz der Eingangsleiterbahn vor der Abschrägung.

Für differentielle Paare bedeutet dies, dass Sie den Abstand zwischen den Paaren und die Abschrägungsrate/-länge entlang des Teardrops kontrollieren müssen. Schauen wir uns diese Punkte nun im Einzelnen an:

Abschrägungslänge

Zunächst sollten wir uns fragen, welche Abschrägungslänge in Teardrops verwendet werden sollte? Nun noch einmal zurück zu einem HF-System mit einem abgeschrägten Längenanpassungsabschnitt. Wenn Sie eine Anpassungsimpedanz mit gleichmäßigem Rückleitungsverlust und ohne Resonanzverhalten bis hin zu hohen Bandbreiten benötigen, dann muss die Abschrägung einen sanften Impedanzübergang bis zur erforderlichen Bandbreitengrenze gewährleisten. Die Bandbreitengrenze in diesen Abschrägungen wird durch einen Phasenübergang definiert, mit einer konstruktiven Interferenz direkt bei einer bestimmten Resonanzfrequenz (siehe unten).

Warum sollte die Bandbreite begrenzt werden? Dies liegt daran, dass die Leiterbahnabschrägung wie ein Hochpassfilter wirkt und eine bestimmte elektrische Länge hat, über die hinaus sie wie ein eigener kurzer Abschnitt einer Übertragungsleitung wirkt, sofern sie korrekt an das Via angepasst ist. Wir können sehen, wo die Abschrägung bandbegrenzt wird, indem wir (erneut) aus Abschrägungen im Allgemeinen bestimmte Erkenntnisse ableiten. Das folgende Beispiel zeigt eine Mikrostreifenleitung, die sich von einer 50-Ohm-Leiterbahn auf einen 40-Ohm-Ausgang mit einem Teardrop auf einem Rogers-3003-Dielektrikum abschrägt. Wir können sofort sehen, dass sich die Bandbreitengrenze bis zu höheren Frequenzen erstreckt, wenn die Abschrägung kleiner wird.

Wir haben immer nur bei bestimmten Frequenzen eine perfekte Anpassung, aber es gibt mittlere Frequenzen, bei denen das Rückleitungsverlustspektrum flach ist. Die obigen Ausführungen gehen auch davon aus, dass die Ausgangsseite der Abschrägung perfekt an das Via angepasst ist, was jedoch nicht immer so ist. In diesem Fall ist der Rückleitungsverlust anders und wird bei niedrigeren Frequenzen durch den Reflexionskoeffizienten am Eingang zum Via dominiert.

Ich werde die Bestimmung eines analytischen Ausdrucks für die Eingangsimpedanz als Funktion der Verjüngungsrate in einem Teardrop in einem zweiten Teil zu diesem Thema erläutern. Ich hebe mir diesen Aspekt also für später auf, da er einen eigenen Artikel verdient.

Abstände zwischen Teardrops

Der Abstand in differentiellen Paaren bestimmt teilweise die Impedanz im ungeraden Modus jeder Leiterbahn im Paar. Wenn die Leiterbahnen ineinander abgeschrägt sind, verringert der geringere Abstand zwischen den Teardrop-Regionen weiter die Impedanz auf dem Weg in das Via. Die Auswirkung auf die Eingangsimpedanz (und damit die S-Parameter und die Kanalkonformität) wird sowohl durch den Abstand und die Abschrägungslänge als auch durch den Winkel der Abschrägungen beeinflusst.

Wenn der Abstand bereits groß war und Sie Teardrops am differentiellen Paar platzieren, ohne sie abzuwinkeln, tritt im ungeraden Modus eine übergroße Impedanzabweichung auf, da der Abstand entlang der Länge der Abschrägung abnimmt. Die asymmetrische Impedanz nimmt bereits entlang der Länge der Abschrägung ab, doch der kleinere Abstand entlang der Länge der Abschrägung reduziert die Impedanz noch weiter.

Wenn Sie Ihr differentielles Paar ohne allzu kleinen Abstand (rechte Seite) designt und ein dünnes Dielektrikum unter Ihren Paaren verwendet haben (insbesondere für Mikrostreifen), hat die Positionierung von Teardrops an einem Paar differentieller Vias keinen großen Einfluss auf die Impedanz. Die Impedanz wurde bereits durch die Masse dominiert. Wenn Sie dann die Leiterbahnen abwinkeln, sehen Sie eine geringere Impedanzabweichung von der differentiellen Impedanz, wenn Sie sich das Via-Paar anschauen.

Design-Regeln

Basierend auf den oben erläuterten Punkten kommen wir zu den folgenden Ergebnissen für Teardrops bei differentiellen Paaren:

• Größere Signalbandbreiten erfordern kleinere Teardrop-Abschrägungsabstände
• Versuchen Sie, die Teardrop-Abschnitte abzuwinkeln, um den Abstand von Rand zu Rand konstant zu halten
• Die endgültige Breite sollte mit der Eingangsimpedanz der differentiellen Vias übereinstimmen
• Die Teardrop-Regionen sollten möglichst symmetrisch am Ein- und Ausgang des Via-Paares sein

Leider ist es leichter gesagt als getan, dass „die endgültige Breite Eingangsimpedanz mit der Eingangsimpedanz der differentiellen Vias übereinstimmen sollte“, gemäß Punkt 3. Meines Wissens gibt es nur eine Methode, die ein gewisses Maß an Präzision für die Berechnung der Impedanz von differentiellen Vias bietet. Diese geht von einer Berechnung der Ausbreitungsverzögerung durch ein Paar differentieller Vias aus. Die meisten Rechner für Single-Ended-Via-Impedanzen sind völlig ungenau und liefern keine Ergebnisse, die den experimentellen Ergebnissen eines TDR entsprechen. Es macht also keinen Sinn, damit anzufangen. Außerdem basieren die meisten Impedanzrechner nicht auf Breitbandmodellen und berücksichtigen weder die Ausbreitung noch die Modusanregung. Daher liefern sie bei hohen Frequenzen keine genauen Ergebnisse – doch gerade hier benötigen Sie Genauigkeit für Hochgeschwindigkeitssignale!

Teardrops sind für die Zuverlässigkeit nicht erforderlich

Obwohl Teardrops oft empfohlen werden, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, und obwohl manche Hersteller sie grundsätzlich für jedes Produkt der Klasse 3 empfehlen, sind sie für die Zuverlässigkeit nicht erforderlich. In OpenVPX-Backplanes werden Sie beispielsweise keine Anforderungen für Teardrops sehen, und ich wurde nie gebeten, sie zu einer dieser Backplanes hinzuzufügen (weder 3U noch 6U). Ich gehe hier auf diese spezielle offene Norm ein, weil die Design-Anforderungen zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit konservativer sind als die, die man für Produkte der Klasse 2 oder 3 implementieren würde. Außerdem werden sie unter den schwierigsten Bedingungen eingesetzt (Militär/Luft- und Raumfahrt).

Was die Bewertung von Teardrops betrifft, so kann mit Hilfe von Simulationen ermittelt werden, wann die Abschrägungslänge und -rate zu klein/zu groß sind und sich auf das Signalverhalten auswirken. Die wichtigste zu untersuchende Messgröße sind die S-Parameter im Teardrop-Abschnitt der Verbindung, insbesondere S11 (Rückleitungsverlust). Anhand dieser lässt sich feststellen, ob eine inakzeptable Impedanzabweichung vorliegt. Einige spezialisierte Elektromagnetiklöser (HFSS, SIwave, Simbeor) führen die Berechnung von S11 halbautomatisch durch, mit Teardrops, die auf eine Leiterbahn angewendet werden.

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