Cómo diseñar transiciones de vía de alta velocidad y RF

A veces, en el diseño de PCBs de alta velocidad se establece una directriz de diseño que indica que se deben evitar las vías en las trazas de señal, tanto para señales de extremo único como para pares diferenciales. Esto no es totalmente incorrecto, pero sí requiere un poco de contexto. Cuando los anchos de banda de la señal son muy amplios, alcanzando bien dentro del rango de los GHz, la transición a través de la vía debe ser cuidadosamente diseñada para proporcionar una baja pérdida de retorno en la entrada de la vía. Además, una vez considerado el enrutamiento hacia/desde la vía, la colocación de la vía no debe modificar la pérdida de inserción del canal equivalente sin la vía.

En este artículo, esbozaré algunos de los conceptos principales necesarios para entender cómo diseñar estas transiciones de vía para que las señales puedan ser enrutadas entre capas en un PCB. Las transiciones de vía tratan sobre diseñar para la impedancia, así como asegurar la fabricabilidad para la estructura de vía que creas. Los conceptos aquí esbozados deberían ayudarte a entender cómo trabajar con herramientas de diseño más avanzadas para construir transiciones de capa con vías de conexión.

Manufactura de Transición de Vía, Antipads y Vías de Conexión

Creo que el primer paso al diseñar una transición de vía es entender la estructura que necesitas fabricar. La herramienta principal utilizada para diseñar correctamente las transiciones de capas para vías de alta velocidad y vías de RF es el uso de vías de conexión. El diseño de una transición de vía de RF/alta velocidad requiere colocar precisamente vías de conexión alrededor de una vía de señal de tal manera que el 

• tamaño de la vía - El diámetro del taladro de la vía siempre estará limitado por las capacidades de perforación de la casa de fabricación. No hay un requisito estricto sobre el tamaño de la vía requerido para una señal o frecuencia específica.
• tamaño del antipad - En el diseño de alta velocidad y en el diseño de PCB de RF, la transición de la vía necesitará pasar a través de al menos una capa de plano, y el antipad en el plano necesita ser dimensionado correctamente ya que ayuda a determinar la impedancia.
• espaciado entre vías - Habrá algún límite para el espaciado de pared a pared entre las vías que se pueden fabricar.
• tamaño del pad - El límite en el tamaño del pad determinará. También, nota los requisitos del anillo anular en productos de Clase 2 o Clase 3.
• Backdrilling - La discusión a continuación no considerará específicamente el backdrilling, pero ayuda a determinar si realizarás una transición de capa que requiere backdrilling. Aprende más sobre cómo determinar las necesidades de backdrilling aquí.
• Fabricación de alta densidad vs. estándar - ¿Utilizarás construcción HDI para tu placa y necesitas backdrilling? Si es así, considera usar un enfoque de alta densidad con vías ciegas/enterradas para tus transiciones de capa.

Para comenzar a diseñar una transición de vía entre dos capas, asegúrate de determinar las respuestas a estas preguntas primero. Las primeras dos son las más importantes porque se relacionan con los requisitos de DFM para tu placa, y esto luego limitará la frecuencia (o ancho de banda) que puedes transferir de manera confiable a través de una transición de vía.

Cómo Diseñar Transiciones de Vía

Todas las transiciones de vía se tratan de diseñar la impedancia de la vía para tener el valor requerido dentro de tu ancho de banda de señal requerido. Esto se hace dimensionando los siguientes aspectos físicos de tu placa:

• Número de vías de conexión
• Disposición de las vías de conexión
• Tamaño del pad y tamaño del antipad
• Inclusión oeliminación de NFPs

Algunos de los principales objetivos de integridad de señal para estos diseños de transición de vías se muestran en la tabla a continuación. Cabe destacar que he mencionado que la pérdida de inserción es un factor importante. Generalmente, la pérdida de inserción no es el objetivo principal del diseño de la estructura de la vía, pero la interacción entre el enrutamiento hacia/desde la estructura de la vía y el diseño de la propia estructura de la vía puede crear un fuerte aumento en la pérdida de inserción que limita el ancho de banda del canal completo.

Lamentablemente, no existe un conjunto de ecuaciones analíticas para este problema que sea generalizable a cualquier cantidad de capas o estructura de vía de cosido. La geometría y las condiciones de contorno simplemente hacen que el problema sea demasiado complejo como para que sea analíticamente intratable. Además, debido a la geometría cilíndrica de los arreglos de vías, el problema involucra relaciones con funciones cilíndricas de Bessel y Neumann, y estoy seguro de que ningún ingeniero quiere pasar su tiempo derivando estas relaciones a mano.

Por lo tanto, tenemos que usar algunas herramientas conceptuales para establecer el espaciado de las vías de cosido alrededor de la vía de señal (o par de vías para un canal diferencial). Veamos algunos casos:

Por debajo de 3 GHz: Preocúpese por el Camino de Retorno

Por debajo de los 3 GHz, la impedancia de entrada de la transición del vía típicamente se desviará significativamente de 50 Ohms siempre que haya un vía de retorno a tierra cercano. Por lo tanto, a menos que estés operando con canales muy rápidos, no te preocupes por colocar una estructura de vía de conexión específica en la entrada/salida de una transición de vía. Un tamaño de antipad típico será al menos tan grande como el tamaño del pad de aterrizaje. Mientras haya un vía de retorno en algún lugar cercano, mantendrás un bucle de corriente suficientemente ajustado para reducir la EMI/susceptibilidad. He discutido esto en mi otro artículo sobre vias de conexión.

La razón de esto es que la impedancia de entrada es lo que importa, y la impedancia de entrada en la transición del vía se verá como la impedancia del trazo (es decir, el vía es eléctricamente corto). Lo mismo se aplica a los pares diferenciales. Las transiciones de vía empiezan a importar realmente por encima de los 5 GHz.

Por encima de los 3-5 GHz

He afirmado (y demostrado con cálculos/simulaciones) muchas veces que la impedancia del vía no importa hasta que los anchos de banda de la señal superan los 3 a 5 GHz. Si solo tienes una transición de vía sin vías de conexión, la impedancia de la transición parecerá inductiva y aumentará hasta aproximadamente 3-4 veces la impedancia característica de la transición de vía hasta unos 30 GHz. Por encima de ese rango de frecuencia, la capacitancia toma el control, y la impedancia del vía comienza a disminuir nuevamente hasta ~50 GHz.

Colocar algunas vías de conexión como se muestra a continuación y reducir el tamaño del antipad reducirá el aumento de la impedancia en el rango de 5 a 50 GHz. Esto se debe a que las vías y el antipad determinan la capacitancia vista en paralelo a las vías de señal, lo que reduce la impedancia característica del vía y, por lo tanto, la impedancia de entrada. Cuando los límites de las vías y el antipad se mueven más cerca, la disminución de la impedancia será mayor y se acercará más al objetivo de impedancia (ya sea de extremo único o diferencial).

Para pares diferenciales, el antipad dominará los efectos en la impedancia de entrada, mientras que los canales de extremo único tienen una sensibilidad similar tanto al tamaño del antipad como a la disposición de las vías.

Si acercas demasiado las vías y/o el antipad, habrás añadido demasiada capacitancia, y entonces la impedancia de entrada caerá por debajo de tu objetivo en el rango de 5-50 GHz. Con la disposición correcta de vías, puedes alcanzar tu impedancia objetivo y mantener una impedancia de entrada casi plana hasta 40-50 GHz, lo cual es suficiente para señalización 112G PAM-4 muy rápida.

Mencioné anteriormente que no existen soluciones analíticas para el problema de diseño de transición de vías, por lo que no hay modelos de forma cerrada que funcionen en los rangos de frecuencia donde la impedancia de la vía realmente importa. Esta es la razón por la que cada calculadora de impedancia de vía que he visto produce resultados incorrectos y no es útil en situaciones reales. He discutido este problema en otro artículo; esta es también la razón por la que necesitarás alguna aplicación como CST o Simbeor para diseñar interconexiones con impedancia plana dentro del ancho de banda de señal deseado.

¿Existe una Frecuencia Máxima de Transición para Vías Pasantes?

¿Qué tipo de ancho de banda máximo puedes esperar en estos diseños? El valor estará en algún lugar por debajo de ~100 GHz para señales RF, y se puede diseñar una impedancia plana hasta ~50 GHz para señales digitales.

El principal factor que limita el ancho de banda/frecuencia que se puede transmitir a través de una transición de vía es la tecnología de fabricación utilizada para construir la transición de vía. Esto se debe a que el tamaño del taladro y el espaciado de las vías de conexión estarán limitados. Para construir transiciones de capas más allá de ~90 GHz, necesitamos una tecnología de fabricación diferente.

Dicho esto, los límites en la tecnología de fabricación actual por sustracción de grabado y taladrado aún permiten transiciones de vía pasante que operan bien dentro de las bandas de ondas milimétricas. En mi empresa, hemos diseñado transiciones de vía a 77 GHz para diseños de radar. A estas frecuencias, la mayoría de los diseños se centran en el uso de una vía ciega para hacer una transición de capa, pero las vías pasantes son realmente muy importantes en áreas como radar MIMO híbrido denso conformado por haces y en arreglos de antenas 5G que operan en bandas de ondas milimétricas. He mostrado esto en mi reciente presentación en EDICON.

El riesgo aquí es que podría haber una fuga excesiva de la señal del arreglo de vías, lo cual está indicado por el límite de frecuencia de localización (en verde).

El mundo de la RF ha realizado un gran trabajo para crear diseños de transición de capas precisos que pueden funcionar bien en el rango de los GHz y que no se basan en vías pasantes. Estos han ayudado a superar el límite de ~90 GHz encontrado en las tierras de conectores de banda ancha de componentes BGA y los tipos de transiciones de banda estrecha mostrados anteriormente. Algunos de los tipos alternativos de transiciones de señal que pueden abarcar parte o todo un apilado de capas de PCB en el rango de mmWave incluyen el acoplamiento por apertura y el acoplamiento por vías ciegas/enterradas escalonadas.

Lamentablemente, todas estas son de banda estrecha, lo que significa que no puedes transmitir una señal de alta velocidad a través de estas transiciones de vía. Empezarás a perder potencia en frecuencias medias, algo que se puede ver claramente en las mediciones de pérdida de retorno en la transición de señal. He realizado diseños de transición de vía para canales diferenciales SerDes que claramente proporcionan suficiente ancho de banda para una transición a través de agujero que puede soportar anchos de banda de 56 GHz (esta es la frecuencia de Nyquist para bitstreams PAM-4 de 224 Gbps) en sustratos Megtron.

En los diseños que he realizado en estas áreas, no tenemos más opción que usar vías pasantes porque tenemos parches apilados en una capa superficial, con transceptores apilados en la otra capa superficial. Sin embargo, para diseñar y especificar estas transiciones, necesitas un solucionador de campos electromagnéticos, un dibujo de fabricación claro y, por supuesto, necesitarás las mejores herramientas CAD de la industria.

Resumen

En resumen, he desarrollado la siguiente tabla que lista cuándo se necesita un arreglo de vías de conexión, cuándo solo se necesita una única vía de retorno y cuándo no se necesitan vías para las transiciones de señal a través de múltiples capas.

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