Diamètre de l'antipad, diaphonie et résultats d'IBM de l'IPC APEX EXPO 2021

De nos jours, vous ne pensez probablement pas à IBM comme une force majeure dans l'industrie des PCB. IBM a fortement investi dans le cloud et n'a pas reçu beaucoup d'attention de l'industrie électronique. Cependant, l'entreprise connue pour ses mainframes, serveurs, Watson et capacités en IA fait des vagues dans la communauté du design à haute vitesse avec ses résultats récents présentés à l'IPC APEX 2021.

Le document présenté par une équipe de trois chercheurs d'IBM examine les moyens de réduire le diaphonie inter-couches dans les conceptions de haute densité avec des vias PTH rétro-forés. Le papier est assez intéressant car il a examiné deux aspects de la conception de via PTH rétro-foré que l'on ne pourrait pas intuitivement lier à la réduction de la diaphonie. Cependant, dans une conception de haute densité avec un espacement très faible entre les interconnexions à haute vitesse, nous devons chercher presque partout pour essayer de réduire les problèmes d'intégrité du signal, y compris la diaphonie.

Leurs résultats sont très intéressants lorsque nous examinons les antipads et leurs effets sur l'intégrité du signal. Avec cela à l'esprit, examinons ces résultats intéressants et explorons comment ils pourraient affecter vos pratiques de conception à l'avenir.

Qu'est-ce que la Diaphonie Inter-couches?

Avant de plonger dans le vif du sujet du document d'IBM, il est important de définir ce qu'est le diaphonie entre couches dans un PCB haute vitesse. Vous pourriez vous demander, pourquoi y aurait-il diaphonie entre deux couches dans un PCB haute vitesse? Ne place-t-on pas normalement un plan de masse entre les couches de signal sur un PCB haute vitesse pour éviter toute diaphonie entre les couches? Bien qu'il soit vrai que les plans de masse entre les couches de signal fournissent une isolation, il est parfois difficile de placer un plan de masse entre chaque paire possible de couches de signal. Avec des conceptions à nombre élevé de couches qui doivent également supporter un routage dense de signaux haute vitesse, vous n'avez pas toujours le luxe de placer des plans de masse entre chaque couche de signal.

Voici où intervient la diaphonie entre couches. Lorsque des pistes sont placées sur des couches adjacentes, il existe un potentiel de diaphonie entre les pistes en raison du couplage entre les conducteurs. Cela inclut la diaphonie entre les pistes à impédance contrôlée couplées en largeur sur des couches adjacentes. Une recommandation typique avec les pistes à impédance contrôlée est de les router orthogonalement, car cela éliminerait la diaphonie inductive, bien que cela ne soit pas toujours pratique en termes de résolution de routage.

Couplage Bord-à-Bord

Personnellement, je me méfie du routage orthogonal sur les striplines et je préfère opter pour une séparation latérale (couplage par les bords) ou sur des couches différentes. Dans les conceptions de très haute densité, où vous êtes contraint d'utiliser des striplines sur des couches adjacentes, vous avez un couplage bord à bord ou bord à bord-latéral entre les pistes. Cela se produit dans les traces à terminaison unique et dans les paires différentielles; notez que vous aurez affaire à des paires différentielles dans le routage numérique haute vitesse.

Avec des paires différentielles couplées bord à bord-latéral, il existe un espacement spécifique entre les paires sur les couches adjacentes qui produit un crosstalk inter-couches inverse nul. En vérité, la force du crosstalk n'est pas parfaitement nulle, mais vous pouvez certainement réduire la force du crosstalk en dessous de -60 dB. Dans les paires différentielles, cela se produit parce que le champ provenant de la paire agressive sera parfaitement parallèle à la section transversale de la paire victime, conduisant à un crosstalk différentiel inter-couches inductif nul, selon la loi de Faraday.

Mauvais enregistrement

En raison des tolérances de fabrication, le pas entre vos paires différentielles ne sera pas parfaitement égal à la valeur de conception, et il y aura un certain désalignement entre les couches. Cela s'appelle le décalage d'enregistrement et cela conduit à une petite quantité de diaphonie se produisant dans la paire victime. Ce décalage peut atteindre 5 mils, ce qui est une valeur qui a été étudiée dans l'étude d'IBM.

Scott McMorrow de Samtec a une excellente présentation qui montre les effets du désalignement entre les paires différentielles sur la diaphonie inter-couches. J'ai présenté un résultat important de sa présentation ci-dessous car cela montre bien comment le pas entre les paires affecte la diaphonie directe.

Les Résultats dans le Document d'IBM

Maintenant, nous pouvons nous pencher sur le travail d'IBM sur la diaphonie inter-couches. Ils ont examiné la diaphonie inter-couches sous deux dimensions: le décalage d'enregistrement des couches et les diamètres des antipads sur les vias PTH. On s'attendrait naturellement à ce que la réduction du décalage d'enregistrement ait le plus grand effet sur la diaphonie inter-couches, mais il s'avère que l'ajustement du diamètre de l'antipad avait un plus grand effet sur la réduction de la diaphonie inter-couches que la réduction du décalage d'enregistrement.

Sans répéter tous les résultats de leur document, je vais brièvement résumer les résultats importants sur l'intégrité du signal:

Diaphonie Inter-couches et Fiabilité vs. Décalage d'Enregistrement

Lorsque le décalage d'enregistrement a été réduit de 5 mils à 3 mils, la force du diaphonie intercouche sur les lignes victimes a diminué, ce qui est conforme aux résultats de McMorrow présentés ci-dessus. Ce qui est important à propos de ce résultat, c'est qu'il est universel : des tolérances plus strictes conduisent à un moindre décalage d'enregistrement et à une diaphonie plus faible dans toute la disposition du PCB.

Le résultat le plus surprenant que l'équipe a trouvé était l'effet d'un changement de diamètre d'antipad sur le même type de diaphonie.

Diamètre de l'Antipad

Pour les pistes effectuant des transitions de couche au-dessus des vias PTH rétro-forés, il a été constaté que le diamètre de l'antipad affectait également la diaphonie intercouche entre les interconnexions couplées. L'antipad autour d'un via traversant est déjà connu pour modifier les parasites autour du via et de la piste proche, créant un léger désaccord d'impédance qui accumule des pertes. Dans le document d'IBM, la réduction du diamètre de l'antipad de 30 mils à 28 mils sur un PTH de diamètre 10 mils a également produit une réduction de la diaphonie intercouche. C'est un exemple de changement de conception simple qui vous aidera à réduire la diaphonie, mais cela repose sur des tolérances précises autour d'un PTH avec un rétro-forage précis, quelque chose que tous les fabricants ne pourront peut-être pas accommoder.

Résumé

Les résultats présentés dans le document d'IBM sont importants car ils illustrent le lien entre un problème significatif d'intégrité du signal et la tolérance de fabrication à de petites échelles. À mesure que les conceptions avancées continuent de devenir plus compactes, davantage de ces enquêtes aideront à révéler l'influence des tolérances de fabrication sur l'intégrité du signal et de l'alimentation. Le crosstalk entre couches n'est pas un nouveau problème à résoudre. Une bonne revue et certaines stratégies de routage alternatives pour réduire le crosstalk inter-couches dans les dual striplines peuvent être trouvées dans le document suivant de 2013:

• Xiao, Kai, Jimmy Hsu, Yuan-Liang Li, Richard Kunze, Yinglei Ren, et Trung-Thu Nguyen. "Gestion du crosstalk inter-couches dans les dual-striplines différentiels." Dans le Symposium International IEEE sur la Compatibilité Électromagnétique de 2013, pp. 724-729. IEEE, 2013.

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