¿Se deben colocar lágrimas en pares diferenciales?

Uno de los principales factores que afectan a la fiabilidad de una PCBA es el uso de lágrimas en las pistas de la PCB. Las lágrimas son muy útiles y algunos fabricantes podrían necesitarlas en los productos de clase III construidos con la intención de expandir el anillo anular en un orificio perforado. Al igual que muchos aspectos de la fiabilidad, las consideraciones también abarcan el dominio de la integridad de la señal, particularmente a medida que los productos de mayor fiabilidad requieren mayores capacidades de manejo de datos y se ejecutan a velocidades más altas.

Debido a que las interfaces de alta velocidad se ejecutan con pares diferenciales, la pregunta que surge naturalmente es:

• ¿Deben usarse lágrimas en un par diferencial?

Esta fue una pregunta que me hizo Mario Strano, uno de nuestros invitados del podcast más recientes. Este es un problema importante en el diseño de alta velocidad, ya que las lágrimas introducen esencialmente una desviación de impedancia de entrada en el extremo de entrada de una vía. Conceptualmente, creo que esta es una excelente pregunta, pues las lágrimas de PCB son importantes para la fiabilidad, y pone de manifiesto que las lágrimas pueden modificar la impedancia. En este artículo, analizaré los problemas que se producen en el uso de lágrimas en pares diferenciales y cómo pueden afectar a la impedancia.

¿Por qué lágrimas?

En primer lugar, creo que es importante recordar por qué las lágrimas pueden colocarse en un par diferencial (o en cualquier otra pista) que se enruta en una vía. Durante la fabricación, al perforar orificios para vías u otros orificios de montaje NPTH, es posible que la broca se desvíe entre cada punto de perforación y se desplace ligeramente de su objetivo. Si hay mucha desviación, la broca podría cortar una pista o almohadilla de conexión de la vía, y esto podría dejar una conexión del circuito abierta una vez aplicado el chapado.

Se pueden aplicar lágrimas para ayudar a evitar cualquier ruptura que pueda cortar una pista conectada a una almohadilla de vía. La idea aquí es añadir cobre para ayudar a evitar la ruptura de las pistas durante la perforación en el proceso fabricación.

Algunas empresas de fabricación de IPC de clase 3 recomiendan las lágrimas, pero esto plantea la cuestión de la integridad de la señal en las interfaces de alta velocidad. ¿Cómo afectan estos elementos a las señales de alta velocidad, especialmente en los pares diferenciales? La pregunta es importante, ya que las interfaces estándar de alta velocidad utilizan señales diferenciales y los productos de alta fiabilidad incorporan estos protocolos.

Un vistazo al diseño de RF para obtener inspiración

Lo creas o no, una vez más podemos inspirarnos en las prácticas de diseño de PCB de RF. Lo que tenemos en estas pistas diferenciales es una sección cónica, que los ingenieros de RF suelen utilizar para adaptar las impedancias. De hecho, los estrechamientos se utilizan como elementos de transición de microstrips a guías de ondas integradas en sustrato (SIW) y guías de ondas coplanares conectadas a tierra. El emparejamiento de impedancias proporcionado por estos elementos puede ser de banda ancha y proporciona una respuesta de fase muy consistente entre resonancias para señales de RF con ancho de banda moderado.

Para las señales digitales, hay tres elementos a tener en cuenta al examinar cómo afectan las lágrimas a las señales de alta velocidad:

• Ancho de banda: Todas las señales digitales tienen un ancho de banda amplio (teóricamente infinito). El canal necesita transferir frecuencias hasta el límite de la frecuencia de Nyquist.
• Acoplamiento: Con los pares diferenciales, tenemos un par de estrechamientos, no solo uno aislado, y el acoplamiento depende del ancho y el espaciado de la pista.
• Velocidad de estrechamiento: La velocidad a la que la lágrima se reduce hacia el ancho de la almohadilla de vía, determina la velocidad a la que cambia la impedancia de un solo extremo de una pista en el par y, por lo tanto, la velocidad a la que cambia la impedancia diferencial.
• Perfil del estrechamiento: ¿El perfil de lágrima es lineal o curvo? Esto también será importante para el emparejamiento de impedancias y la propagación.

Debido a estos tres puntos, minimizar el impacto de una lágrima en los pares diferenciales requiere seleccionar el ancho y la longitud adecuados. Sin embargo, debido a que la adaptación a un ancho más grande reduce la impedancia de la pista, vale la pena asegurarse de que la impedancia de entrada en la vía (solo válida en frecuencias altas) sea menor que la impedancia de modo impar de la pista de entrada antes del estrechamiento.

En el caso de los pares diferenciales, esto significa que hay que controlar el espaciado entre los pares y la tasa de estrechamiento por unidad de longitud a lo largo de la lágrima. Veamos cada uno de estos puntos:

Longitud del estrechamiento

A continuación, debemos preguntarnos, ¿qué longitud de estrechamiento se debe usar en las lágrimas? Una vez más, volvamos a un sistema de RF con una sección de ajuste de los estrechamientos. Si se requiere una impedancia de coincidencia con una pérdida de retorno consistente y sin comportamiento resonante hasta anchos de banda elevados, entonces el estrechamiento debe proporcionar una transición de impedancia suave hasta el límite del ancho de banda requerido. El límite de ancho de banda en estos estrechamientos se define por una transición de fase marcada por una interferencia constructiva justo en una frecuencia resonante particular (ver a continuación).

¿Por qué debería limitarse el ancho de banda? Esto se debe a que el estrechamiento de la pista actúa como un filtro de paso alto, y tiene cierta longitud eléctrica más allá de la cual actuará como su propia sección corta de la línea de transmisión, si se ajusta adecuadamente a la vía. Una vez más, podremos ver dónde el ancho de banda del estrechamiento vuelve a verse limitado extrayendo información de los estrechamientos en general. El siguiente ejemplo muestra una pista de microstrip que se estrecha gradualmente de una pista de 50 ohmios a una salida de 40 ohmios con una lágrima en un dieléctrico Rogers 3003. Inmediatamente podemos ver que el límite del ancho de banda se extiende a frecuencias más altas cuando el estrechamiento se hace más pequeño.

Solo tenemos coincidencias perfectas en frecuencias específicas, pero hay frecuencias de rango medio donde el espectro de pérdida de retorno es plano. Lo expuesto anteriormente también asume que el lado de salida del estrechamiento se corresponde perfectamente con la vía, pero puede que este no sea el caso. Si es así, la pérdida de retorno será diferente y estará determinada por el coeficiente de reflexión en la entrada a la vía en frecuencias más bajas.

Determinar una expresión analítica para la impedancia de entrada en función de la velocidad de estrechamiento en una lágrima, es algo que trataremos en una segunda parte sobre este tema, así que lo dejaré para más adelante, ya que merece su propio artículo.

Espaciado entre las lágrimas

El espaciado en pares diferenciales determinará parcialmente la impedancia en modo impar de cada pista en el par. Si las pistas se estrechan ente sí, la disminución del espacio entre las regiones de la lágrima reduce aún más la impedancia que entra en la vía. El efecto sobre la impedancia de entrada (y, por lo tanto, los parámetros S y el cumplimiento del canal) se verá influenciado tanto por el espaciado como por la longitud de corte, así como por el ángulo de los estrechamientos.

Si el espaciado ya era grande y aplicas lágrimas al par diferencial sin inclinarlas, se producirá una desviación mayor de lo normal en la impedancia de modo impar, porque el espaciado disminuye a lo largo de la longitud del estrechamiento. La impedancia de salida simple ya disminuirá a lo largo del estrechamiento, pero el menor espaciado a lo largo de este disminuirá aún más la impedancia.

Si has diseñado tu par diferencial sin un espaciado demasiado pequeño (lado derecho) y has utilizado un dieléctrico delgado debajo de tus pares (particularmente para microstrips), entonces, aplicar lágrimas en un par de vías diferenciales no tendrá un gran efecto sobre la impedancia. La impedancia ya estaba dominada por la presencia de tierra. Si luego inclinas las pistas, verás una desviación de la impedancia más baja que la impedancia diferencial mirando hacia el par de vía.

Reglas de Diseño

Basándonos en los puntos mencionados anteriormente, llegamos a las siguientes conclusiones en cuanto a las lágrimas en pares diferenciales:

• Los anchos de banda de señal más grandes precisarán de distancias de estrechamiento de lágrima más pequeñas.
• Intenta inclinar las secciones de lágrima para mantener constante el espaciado de extremo a extremo.
• El ancho final debe coincidir con la impedancia de entrada de las vías diferenciales.
• Si es posible, las regiones de lágrima deben ser simétricas a la entrada y salida del par de la vía.

Desgraciadamente, la afirmación "debe coincidir con la impedancia de entrada de las vías/almohadillas diferenciales" en el punto 3 es fácil de decir que hacerlo. Solo conozco un método que proporciona un nivel de precisión para los cálculos de impedancia de vía diferencial, y empieza con un cálculo del retardo de propagación a través de un par de vías diferenciales. La mayoría de las calculadoras de impedancia de vía de salida simple son totalmente inexactas y no producen resultados experimentales que coincidan con los de un TDR, por lo que no tiene sentido empezar por ahí. Además, la mayoría de las calculadoras de impedancia de vías no se basan en modelos de banda ancha, por lo que no tienen en cuenta la propagación y la estimulación de modos y no producirán un resultado preciso a altas frecuencias, que es exactamente donde se necesita precisión para las señales de alta velocidad.

Las lágrimas no son necesarias para la fiabilidad

Aunque las lágrimas se recomiendan a menudo para garantizar la fiabilidad y algunas empresas de fabricación las recomiendan en principio para cualquier producto de clase 3, no son necesarias para la fiabilidad. Por ejemplo, en los planos de fondo de OpenVPX, no existe ningún requisito de lágrimas, y nunca me han pedido que las añada a uno de estos planos de fondo (ya sea 3U o 6U). Menciono este estándar abierto en particular, ya que sus requisitos de diseño, necesarios para garantizar la fiabilidad, son más conservadores de lo que aplicarías a productos de Clase 2 o 3, y se aplican en algunos de los entornos más duros que existen (militares y aeronáuticos).

En lo que respecta a la evaluación de la lágrima, se pueden utilizar simulaciones para determinar el momento en que la longitud y la velocidad del estrechamiento son demasiado pequeñas o grandes como para empezar a afectar al comportamiento de la señal. La métrica clave que se debe examinar es que los parámetros S analizan la sección de lágrima en la interconexión, específicamente fijándonos en S11 (pérdida de retorno) para determinar si hay una desviación de impedancia inaceptable. Algunas calculadoras de campo electromagnético especializadas (HFSS, SIwave, Simbeor) semiautomatizan el cálculo de S11 con lágrimas aplicadas a una pista.

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