Diámetro del Antipad, Diafonía y los Resultados de IBM de la IPC APEX EXPO 2021

En estos días, probablemente no pienses en IBM como una fuerza importante en la industria de PCB. IBM ha hecho un gran avance en la nube y no ha recibido mucho amor de la industria electrónica. Sin embargo, la compañía conocida por sus mainframes, servidores, Watson y capacidades de IA está creando olas en la comunidad de diseño de alta velocidad con sus resultados recientes presentados en IPC APEX 2021.

El documento presentado por un equipo de tres investigadores de IBM examina formas de reducir el diafonía entre capas en diseños de alta densidad con vías PTH taladradas hacia atrás. El documento es bastante interesante ya que examinó dos aspectos del diseño de vías PTH taladradas hacia atrás que uno no podría intuitivamente vincular con la reducción de la diafonía. Sin embargo, en diseño de alta densidad con espaciado muy bajo entre interconexiones de alta velocidad, tenemos que buscar prácticamente en todas partes para intentar reducir los problemas de integridad de señal, incluida la diafonía.

Sus resultados son muy interesantes cuando miramos los antipads y sus efectos en la integridad de la señal. Con esto en mente, veamos estos resultados interesantes y exploremos cómo podrían afectar tus prácticas de diseño en el futuro.

¿Qué es la Diafonía entre Capas?

Antes de adentrarnos en el meollo del documento de IBM, es importante definir el acoplamiento entre capas en una PCB de alta velocidad. Podrías estar preguntándote, ¿por qué ocurre el acoplamiento entre dos capas en una PCB de alta velocidad? ¿No colocamos normalmente un plano de tierra entre las capas de señal en una PCB de alta velocidad para prevenir cualquier acoplamiento entre capas? Aunque es cierto que los planos de tierra entre las capas de señal proporcionan aislamiento, a veces es difícil colocar un plano de tierra entre cada posible par de capas de señal. Con diseños de alto conteo de capas que también deben soportar un enrutamiento denso de señales de alta velocidad, no siempre tienes el lujo de colocar planos de tierra entre cada capa de señal.

Entra el acoplamiento entre capas. Cuando las pistas se colocan en capas adyacentes, existe el potencial de acoplamiento entre pistas debido al acoplamiento entre los conductores. Esto incluye el acoplamiento entre pistas de impedancia controlada acopladas por el lado ancho en capas adyacentes. Una recomendación típica con pistas de impedancia controlada es enrutarlas ortogonalmente, ya que esto eliminaría el acoplamiento inductivo, aunque esto no siempre es práctico en términos de solvabilidad de enrutamiento.

Acoplamiento Lateral-Borde

Personalmente, evito el enrutamiento ortogonal en líneas de transmisión y simplemente opto por la separación lateral (acoplamiento de bordes) o en diferentes capas. En diseños de muy alta densidad, donde te ves obligado a usar líneas de transmisión en capas adyacentes, tienes acoplamiento lateral o acoplamiento lateral-borde entre pistas. Esto ocurre en pistas de señal única y en pares diferenciales; ten en cuenta que estarás lidiando con pares diferenciales en el enrutamiento digital de alta velocidad.

Con pares diferenciales acoplados lateral-borde, hay un paso específico entre pares en las capas adyacentes que produce cero diafonía inversa entre capas. En realidad, la intensidad de la diafonía no es perfectamente cero, pero ciertamente puedes conseguir que la intensidad de la diafonía esté por debajo de -60 dB. En pares diferenciales, esto ocurre porque el campo del par agresor será perfectamente paralelo a la sección transversal del par víctima, lo que lleva a cero diafonía inductiva intercapa diferencial, según la ley de Faraday.

Desalineación

Debido a las tolerancias de fabricación, el espacio entre tus pares diferenciales no será perfectamente igual al valor de diseño, y habrá cierta desalineación entre capas. Esto se llama desregistro y conduce a una pequeña cantidad de diafonía que ocurre en el par afectado. Este desregistro puede ser de hasta 5 mils, que es uno de los valores investigados en el estudio de IBM.

Scott McMorrow de Samtec tiene una excelente presentación que muestra los efectos de la desalineación entre pares diferenciales en la diafonía intercapas. He presentado un resultado importante de su presentación a continuación, ya que muestra de manera clara cómo el espacio entre pares afecta la diafonía directa.

Los Resultados en el Documento de IBM

Ahora podemos adentrarnos en el trabajo de IBM sobre la diafonía intercapas. Ellos examinaron la diafonía intercapas desde dos dimensiones: el desregistro de capas y los diámetros de antipad en vías PTH. Naturalmente esperaríamos que la reducción del desregistro tenga el mayor efecto en la diafonía intercapas, pero resulta que ajustar el diámetro del antipad tuvo un mayor efecto en reducir la diafonía intercapas que reducir el desregistro.

Sin repetir todos los resultados de su documento, resumiré brevemente los importantes resultados de integridad de señal:

Diafonía Interlaminar y Fiabilidad vs. Desregistro

Cuando se redujo la desalineación de 5 mil a 3 mil, la intensidad del diafonía entre capas en las líneas afectadas disminuyó, lo cual es consistente con los resultados mostrados anteriormente por McMorrow. Lo importante de este resultado es que es universal: tolerancias más estrictas conducen a una menor desalineación y menor diafonía a lo largo del diseño del PCB.

El resultado más sorprendente que encontró el equipo fue el efecto de cambiar el diámetro del antipad en el mismo tipo de diafonía.

Diámetro del Antipad

Para trazas que hacen transiciones de capa sobre vías PTH retroperforadas, se encontró que el diámetro del antipad también afecta la diafonía entre capas entre interconexiones acopladas. El antipad alrededor de una vía pasante ya se sabe que modifica los parásitos alrededor de la vía y la traza cercana, creando una ligera desadaptación de impedancia que acumula pérdida. En el documento de IBM, reducir el diámetro del antipad de 30 mils a 28 mils en una PTH de 10 mils de diámetro también produjo una reducción en la diafonía entre capas. Este es un ejemplo de un cambio de diseño simple que te ayudará a reducir la diafonía, pero depende de tolerancias exactas alrededor de una PTH con retroperforación precisa, algo que no todos los fabricantes podrían ser capaces de acomodar.

Resumen

Los resultados mostrados en el documento de IBM son importantes porque ilustran la conexión entre un problema significativo de integridad de señal y la tolerancia de fabricación en escalas de longitud pequeñas. A medida que los diseños avanzados continúan siendo más compactos, más de estas investigaciones ayudarán a revelar la influencia de las tolerancias de fabricación en la integridad de señal y potencia. La diafonía entre capas no es un problema nuevo por resolver. Una buena revisión y algunas estrategias de enrutamiento alternativas para reducir la diafonía entre capas en líneas dobles se pueden encontrar en el siguiente documento de 2013:

• Xiao, Kai, Jimmy Hsu, Yuan-Liang Li, Richard Kunze, Yinglei Ren, y Trung-Thu Nguyen. "Gestión de la diafonía entre capas en líneas dobles diferenciales." En el Simposio Internacional IEEE sobre Compatibilidad Electromagnética de 2013, pp. 724-729. IEEE, 2013.

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