Cómo afectan los antipads a la integridad de la señal en tu PCB multicapa

Los antipads alrededor de las vías de los agujeros pasantes son un punto de controversia en las PCB modernas y el debate en torno al uso de estos elementos en una PCB multicapa se suele reducir a una elección binaria. Con las PCB modernas, es útil entender los efectos de los antipads en la integridad de la señal y, más concretamente, en la impedancia de la vía en una PCB. En este artículo, analizaremos en detalle los efectos del tamaño del antipad en la impedancia de vía y en la propagación de onda, pues esta métrica es la base para otras métricas de integridad de señal.

Cómo modelar mediante antipads e integridad de la señal

Si vas a enrutar a través de un plano sólido, la pregunta de diseño es hasta qué punto debe extenderse el antipad más allá de la almohadilla de la vía y si las almohadillas internas no funcionales se mantienen en el diseño. Si examinas las notas de aplicación de algunos componentes, se recomienda colocar los antipads alrededor de las almohadillas sin ninguna explicación. Además, encontrarás notas que te indicarán exactamente el diámetro del antipad de vía que debes utilizar, pero es fácil sacarlo de contexto. Veamos con detalle estas dos situaciones y cómo la estructura de una vía/almohadilla + antipad puede conducir a problemas de integridad de la señal.

Los antipads de las vías están dimensionados con precisión para alcanzar una impedancia objetivo a altas frecuencias. Para Dk = 3 hasta aproximadamente Dk = 4, el rango de frecuencia en el que se necesitará una impedancia controlada es ligeramente superior a unos 3-5 GHz (véase el modelo a continuación). Las herramientas de CAD también pueden aplicar automáticamente un antipad de vía en función de tus reglas de clearance cada vez que utilices un agujero pasante chapado para hacer la transición a través de un plano sólido. La clearance se aplicará tanto si mantienes los NFP en tu vía como si los eliminas. También podrías aplicar un recorte de polígono si la vía pasa por una capa con vertido de cobre; esto te daría cierta flexibilidad para identificar vías específicas y asignarles antipads del tamaño preciso.

Modelo de baja frecuencia (hasta 3-5 GHz para Dk = 3-4)

A frecuencias bajas, existe un modelo sencillo que se puede utilizar para aproximar el comportamiento de la vía. El objetivo de aplicar un antipad determinado es que la impedancia de vía pueda alcanzar un objetivo concreto. Esto se hace equilibrando los elementos parasitarios reactivos estándar en una estructura de vía:

• Inductancia. Una vía considerada aisladamente es básicamente un inductor y la inductancia de la vía depende de la relación de aspecto de la vía.
• Capacitancia. La presencia del plano alrededor crea cierta capacitancia parásita alrededor de la pared de la vía y habrá capacitancia entre las almohadillas de la vía y la tierra.

Cada almohadilla al final de la vía y el plano intermedio crea dos capacitancias en paralelo. Cuando se combina con un inductor, tenemos un modelo pi estándar que describe una vía y su antipad, como se muestra a continuación. Ten en cuenta que la ecuación de capacitancia que se muestra más abajo es solo una aproximación, ya que no tiene en cuenta los campos periféricos. La ecuación de la inductancia de la vía es también una aproximación.

Aquí podemos extraer un par de resultados conceptuales. Primero, al igual que cualquier circuito pi, el modelo CLC pi es básicamente un filtro de paso bajo con la frecuencia de corte de 3 dB definida anteriormente. Supongamos que deseas ampliar el ancho de banda de tu disposición vía + antipad. En ese caso, tendrás que reducir la relación de aspecto (vía más corta o diámetro de cilindro más ancho) o disminuir la capacitancia de almohadilla-plano-almohadilla (antipad más grande). En segundo lugar, hay riesgo de que la frecuencia de 3 dB disminuya y limite el ancho de banda cuando la relación de aspecto sea bastante grande.

Desafortunadamente, este modelo no será exacto en frecuencias superiores a aproximadamente 3-5 GHz. ¿Por qué no podemos usarlo para calcular las impedancias de las vías? Hay algunas razones:

1. Solo es preciso en intervalos donde la impedancia de vía no es necesaria.
2. Tiende a sobrestimar el retardo de propagación de la vía en un factor 2 aproximadamente.
3. No contiene la dependencia de la frecuencia en la impedancia, que estará siempre por encima de 3-5 GHz.
4. No puede considerar las vías de unión y sus efectos sobre la impedancia.
5. No se puede usar con pares diferenciales, que se utilizan principalmente con señales de alta velocidad de impedancia controlada.

Una vez que llegues al régimen mmWave (banda milimétrica), se te presentarán otros problemas con la integridad de la señal que implican el enrutamiento a través de vías. Los elementos parasitarios adicionales se vuelven dominantes a estas frecuencias y contribuyen a la pérdida general de inserción a lo largo de una interconexión.

• Más información sobre los cálculos de impedancia de vía
• Más información sobre el comportamiento de la señal de mmWave en vías PTH

Ejemplo de cálculo de dk efectiva

A modo de ejemplo, podemos utilizar el cálculo del tamaño de un antipad para determinar el tiempo que necesita una señal para recorrer una vía. El tiempo de recorrido puede compararse con el recorrido de la misma señal en el vacío para determinar una constante dieléctrica efectiva en toda la longitud de la vía.

Supongamos que tenemos una vía que atraviesa una PCB de 1,57 mm de grosor con un diámetro de cilindro de 10 milímetros, una almohadilla de landing de 20 milímetros y un antipad de 25 milímetros. Si calculamos el tiempo de propagación utilizando el modelo anterior con Dk = 4, obtenemos alrededor de 43 ps de tiempo de tránsito a través de esta vía, aunque el valor real termina siendo aproximadamente 20 ps sin vías de unión. Esto da un valor efectivo de DK de aproximadamente 14. Por lo tanto, una vía única crea un gran retardo de propagación adicional para las señales que viajan a lo largo de la vía; si solo usamos el valor Dk = 4 para calcular el retardo de propagación a través de la vía, calcularíamos un retardo de propagación de alrededor de 10 ps. Esa es una diferencia significativa si necesitamos señales con ajuste de retardo (en diseño de alta velocidad) o señales con ajuste de fase (en diseño de RF).

Capacidad de fabricación del antipad

El tamaño de un antipad también afectará la capacidad para fabricarlo. El problema de la capacidad de fabricación está en la perforación de una vía de agujero pasante a través de un plano, que se verá afectada por el desplazamiento de la broca. Durante la fabricación, cualquier desplazamiento de la broca puede hacer que el agujero se abra en la ubicación incorrecta, lo que expondría parte del cobre del plano a través de la pared del orificio. Durante el chapado, esto crearía un cortocircuito en la capa del plano. 

Para evitar este problema, el antipad debe ser lo suficientemente grande como para que un desplazamiento de la broca no perfore la capa del plano. Como mínimo, un enfoque adecuado es hacer que el antipad sea al menos tan grande como las almohadillas en cada extremo de la vía. Sin embargo, en el caso de los productos de Clase II, cualquier ruptura en el anillo anular afectaría sin duda a la capa del plano, incluso si se tuviera en cuenta un registro erróneo de capa a capa (normalmente de alrededor de 1 mil).

En este punto, una buena estrategia es preguntar al fabricante qué recomienda. Una regla de oro es dimensionar el diámetro del antipad para que sea 20 mils más grande que el diámetro de la broca o 12 mils más grande que el tamaño de la almohadilla requerido para el cumplimiento de la norma IPC-6012 de clase II. Esto te daría suficiente espacio para productos de clase II o clase III. Lo anterior es solo una recomendación, y puedes optar por un valor de expansión menor siempre que no haya almohadillas no funcionales en las capas internas, aunque la conformidad puede ser un problema si las tolerancias de fabricación son demasiado amplias.

Por encima del límite de 3-5 GHz

La impedancia se controla con un antipad, los NFP y las vías de unión

Si has consultado el artículo sobre la calculadora de impedancia de vía que aparece en el enlace anterior, seguro te habrás dado cuenta de que las vías de unión son necesarias cuando se necesita una impedancia de vía determinada. La adición de vías de unión aporta capacitancia distribuida en paralelo a la transición de la vía. Esto puede hacer que la impedancia de la vía pase de ser inductiva a capacitiva justo en el momento en que la frecuencia de funcionamiento supere los 5 GHz. En la mayoría de los protocolos digitales (por debajo de los 10 Gbps SerDes) y en interconexiones de RF de un solo extremo, es posible que únicamente sean necesarias unas pocas vías de unión. En señales de 5 GHz o anchos de banda muy superiores, se requerirán vías de unión para establecer la impedancia en un valor objetivo.

Las vías de unión son sencillas: están dispuestas alrededor de la vía a lo largo del borde del antipad. Para configurar correctamente la impedancia de la vía para que sea plana a altas frecuencias, se recomienda eliminar los NFP y colocar las vías de unión alrededor de la estructura de la vía. A continuación, se muestra un ejemplo de estructura que extiende la impedancia de la vía más allá de los 5 GHz:

Si las vías de unión se acercan demasiado a la vía de la señal, la impedancia de la vía cambiará de inductiva a capacitiva por encima del límite de los 5 GHz aproximadamente. Esto se debe a que las estructuras de las vías son muy sensibles a la carga capacitiva a lo largo de la pared de esta, especialmente para las vías de agujero pasante. Ajustar la vía y el antipad al diámetro correcto puede ayudar a ajustar la impedancia de la vía a un valor ideal para el sistema (normalmente 50 ohmios) en un ancho de banda amplio, incluso para las vías con agujeros pasantes.

¿Qué ocurre con los pares diferenciales?

En el caso de los pares diferenciales, la consideración es un poco diferente, ya que debemos examinar el efecto sobre la impedancia de modo impar de la estructura de la vía. En otras palabras: tenemos que analizar un par de vías que se accionan de forma diferencial, no un par de vías individuales. Lamentablemente, el modelo sencillo de impedancia de baja frecuencia descrito anteriormente tampoco es útil para pares diferenciales y no existe un modelo analítico para modelar vías diferenciales como líneas de transmisión. La estrategia típica es mantener al menos el mismo espaciado utilizado en el enrutamiento al colocar las vías diferenciales. Sin embargo, los tamaños de las almohadillas pueden limitar la distancia que puedes establecer entre las vías diferenciales y sus almohadillas. Por lo tanto, una calculadora de campo es la mejor herramienta para determinar con precisión la ubicación y el enrutamiento a través de vías diferenciales en una PCB de alta velocidad.

Tamaño del antipad para perforación posterior (backdrilling)

Tanto en el caso de un solo extremo como en el de un diferencial, es posible que tengas que determinar los requisitos del backdrilling (proceso de perforación controlada en profundidad), que también dependerán del tamaño del antipad. Las brocas utilizadas en las perforaciones con profundidad controlada pueden ser más grandes que el diámetro de vía normal. Por razones de seguridad, es mejor dimensionar el antipad para que sea más grande que la broca. Para obtener más información al respecto, echa un vistazo al siguiente vídeo sobre backdrilling para ver cómo los antipads de un par de vías diferenciales afectan al retardo de propagación de la vía. Como verás en el vídeo, el antipad ayuda a determinar la frecuencia de resonancia de orden más bajo en las líneas de conducción de la vía, lo que determinará cuándo es necesaria una perforación controlada en profundidad.

Resumen

En resumen, si deseas controlar el ancho de banda y los elementos parasitarios de la vía, tienes varias opciones. Los antipads en las vías te ofrecen una forma sencilla de ajustar la capacitancia parasitaria para que coincida con la inductancia para una determinada relación de aspecto de la vía. La constante dieléctrica (solo el valor Dk) también se puede utilizar como herramienta para controlar la capacitancia de la vía. Por último, se necesitan vías de unión para configurar la transición de la vía a la impedancia requerida por encima de los 5 GHz aproximadamente.

En cuanto a los antipads en las almohadillas, se creará una ligera discontinuidad en la impedancia que puede provocar algunas pequeñas pérdidas de inserción y de retorno en la almohadilla. En canales de alta velocidad donde los anchos de banda pueden extenderse hasta 100 GHz o incluso más, hasta la más mínima pérdida de inserción que puedas evitar es fundamental. En mi opinión, lo mejor es ir a lo seguro y no utilizar antipads en las almohadillas, a menos que sea absolutamente necesario para ajustar la impedancia de una de ellas a algún valor determinado, reduciendo así la pérdida en el retorno.

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