Comment concevoir des transitions de via pour haute vitesse et RF

Il existe parfois une directive de conception observée dans la conception de PCB à haute vitesse stipulant que les vias doivent être évités sur les pistes de signal, tant pour les signaux à extrémité unique que pour les paires différentielles. Ce n'est pas totalement incorrect, mais cela nécessite un peu de contexte. Lorsque les largeurs de bande des signaux sont très larges, atteignant bien la gamme des GHz, la transition via doit être soigneusement conçue pour fournir une faible perte de retour à l'entrée du via. De plus, une fois la routage dans/sortie du via considéré, le placement du via ne doit pas modifier la perte d'insertion du canal équivalent sans le via.

Dans cet article, je vais décrire certains des principaux concepts nécessaires pour comprendre comment concevoir ces transitions via afin que les signaux puissent être routés entre les couches dans un PCB. Les transitions via concernent la conception selon l'impédance, ainsi que l'assurance de la fabricabilité pour la structure via que vous créez. Les concepts décrits ici devraient vous aider à comprendre comment travailler avec des outils de conception plus avancés pour construire des transitions de couches avec des vias de brochage.

La Fabrication de Transition Via, les Antipads et les Vias de Brochage

Je pense que le premier endroit où commencer lors de la conception d'une transition de via est de comprendre la structure que vous devez fabriquer. L'outil principal utilisé pour concevoir correctement les transitions de couches pour les vias à haute vitesse et les vias RF est les vias de couture. La conception d'une transition de via RF/haute vitesse nécessite de placer précisément des vias de couture autour d'un via de signal de telle sorte que le 

• Taille du via - Le diamètre de perçage du via sera toujours limité par les capacités de perçage de l'usine de fabrication. Il n'y a pas d'exigence stricte sur la taille du via requise pour un signal ou une fréquence spécifique.
• Taille de l'antipad - Dans la conception à haute vitesse et dans la conception de PCB RF, la transition de via devra traverser au moins une couche de plan, et l'antipad dans le plan doit être dimensionné correctement car il aide à déterminer l'impédance.
• Espacement entre les vias - Il y aura une certaine limite à l'espacement de mur à mur entre les vias qui peut être fabriqué.
• Taille du pad - La limite sur la taille du pad déterminera. Notez également les exigences de l'anneau annulaire dans les produits de Classe 2 ou Classe 3.
• Backdrilling - La discussion ci-dessous ne considérera pas spécifiquement le backdrilling, mais elle aide à déterminer si vous allez effectuer une transition de couche nécessitant du backdrilling. En savoir plus sur la détermination des besoins en backdrilling ici.
• Fabrication haute densité vs. standard - Allez-vous utiliser une construction HDI pour votre carte, et avez-vous besoin de backdrilling ? Si c'est le cas, envisagez d'utiliser une approche haute densité avec des vias aveugles/enterrés pour vos transitions de couches.

Pour commencer à concevoir une transition de via entre deux couches, assurez-vous de répondre d'abord à ces questions. Les deux premières sont les plus importantes car elles se rapportent aux exigences DFM pour votre carte, et cela limitera ensuite la fréquence (ou la bande passante) que vous pouvez transférer de manière fiable à travers une transition de via.

Comment concevoir des transitions de via

Toutes les transitions de via concernent la conception de l'impédance du via pour avoir la valeur requise dans votre bande passante de signal nécessaire. Cela se fait en dimensionnant les aspects physiques suivants de votre carte:

• Nombre de vias de liaison
• Disposition des vias de liaison
• Taille du pad et taille de l'antipad
• Inclusion ou suppression des NFP

Certains des principaux objectifs d'intégrité du signal pour ces conceptions de transition via sont présentés dans le tableau ci-dessous. Notez que j'ai mentionné que la perte d'insertion est un facteur important. Généralement, la perte d'insertion n'est pas juste l'objectif principal de la conception de la structure via, mais l'interaction entre le routage entrant/sortant de la structure via et la conception de la structure via elle-même peut créer une forte augmentation de la perte d'insertion qui limite la bande passante de l'ensemble du canal.

Malheureusement, il n'existe pas de set d'équations analytiques pour ce problème qui soit généralisable à n'importe quel nombre de couches ou structure de via de couture. La géométrie et les conditions aux limites rendent simplement le problème trop complexe pour qu'il soit analytiquement traitable. De plus, en raison de la géométrie cylindrique des réseaux de via, le problème implique des relations avec des fonctions de Bessel et de Neumann cylindriques, et je suis sûr qu'aucun ingénieur ne souhaite passer son temps à dériver ces relations à la main.

Par conséquent, nous devons utiliser quelques outils conceptuels pour définir l'espacement des via de couture autour du via de signal (ou paire de via pour un canal différentiel). Examinons quelques cas :

En dessous de 3 GHz : Préoccupez-vous du chemin de retour

En dessous de 3 GHz, l'impédance d'entrée de la transition par l'intermédiaire déviera significativement de 50 Ohms tant qu'il y a une via de retour à la masse à proximité. Par conséquent, à moins que vous n'opériez avec des canaux très rapides, ne vous préoccupez pas de placer une structure de via de couture spécifique dans/sortant d'une transition par l'intermédiaire. Une taille d'antipad typique sera au moins aussi grande que la taille du pad d'atterrissage. Tant qu'il y a une via de retour quelque part à proximité, vous maintiendrez une boucle de courant suffisamment serrée pour réduire l'EMI/la susceptibilité. J'ai discuté de cela dans mon autre article sur les vias de couture.

La raison en est que c'est l'impédance d'entrée qui importe, et l'impédance d'entrée à la transition par l'intermédiaire ressemblera à l'impédance de la trace (c'est-à-dire, l'intermédiaire est électriquement court). La même chose s'applique aux paires différentielles. Les transitions par l'intermédiaire commencent vraiment à importer au-dessus de 5 GHz.

Au-dessus de 3-5 GHz

J'ai affirmé (et démontré avec des calculs/simulations) à de nombreuses reprises que l'impédance d'une via ne devient importante que lorsque la bande passante du signal dépasse 3 à 5 GHz. Si vous avez juste une transition via sans vias de liaison, l'impédance de la transition apparaîtra inductive et augmentera jusqu'à environ 3-4 fois l'impédance caractéristique de la transition via jusqu'à environ 30 GHz. Au-delà de cette gamme de fréquences, la capacité prend le dessus, et l'impédance de la via commence à diminuer à nouveau jusqu'à environ 50 GHz.

Placer quelques vias de liaison comme montré ci-dessous et réduire la taille de l'antipad réduira l'augmentation de l'impédance de la gamme 5 à 50 GHz. Cela est dû au fait que les vias et l'antipad déterminent la capacité vue en parallèle aux vias de signal, ce qui réduit l'impédance caractéristique de la via et donc l'impédance d'entrée. Lorsque les vias et la limite de l'antipad sont rapprochés, la diminution de l'impédance sera plus importante et se rapprochera davantage de l'objectif d'impédance (soit en mode simple, soit en mode différentiel).

Pour les paires différentielles, l'antipad dominera les effets sur l'impédance d'entrée, tandis que les canaux en mode simple auront une sensibilité similaire à la fois à la taille de l'antipad et à l'arrangement des vias.

Si vous rapprochez trop les vias et/ou l'antipad, vous aurez ajouté trop de capacité, et alors l'impédance d'entrée chutera en dessous de votre cible dans la plage de 5 à 50 GHz. Avec juste le bon arrangement de vias, vous pouvez atteindre votre impédance cible et maintenir une impédance d'entrée presque plate jusqu'à 40-50 GHz, ce qui est suffisant pour une signalisation 112G PAM-4 très rapide.

J'ai mentionné ci-dessus qu'il n'existe pas de solutions analytiques au problème de conception de transition de via, donc il n'y a pas de modèles sous forme fermée qui fonctionneront dans les plages de fréquences où l'impédance de via importe réellement. C'est la raison pour laquelle chaque calculateur d'impédance de via que j'ai vu produit des résultats incorrects et n'est pas utile dans des situations réelles. J'ai discuté de ce problème dans un autre article ; c'est également pourquoi vous aurez besoin d'une application comme CST ou Simbeor pour concevoir des interconnexions avec une impédance plate dans la bande passante de signal désirée.

Existe-t-il une Fréquence Maximale pour la Transition par Via Métallisée?

Quelle sorte de bande passante maximale pouvez-vous attendre de ces conceptions ? La valeur sera quelque part en dessous de ~100 GHz pour les signaux RF, et une impédance plate peut être conçue jusqu'à ~50 GHz pour les signaux numériques.

Le principal facteur limitant la bande passante/fréquence que vous pouvez faire passer à travers une transition par via est la technologie de fabrication utilisée pour construire la transition par via. Cela est dû au fait que la taille du perçage et l'espacement des via de brochage seront limités. Pour construire des transitions de couches au-delà de ~90 GHz, nous avons besoin d'une technologie de fabrication différente.

Cela dit, les limites de la technologie de fabrication actuelle par gravure et perçage soustractifs permettent encore des transitions par via traversantes fonctionnant bien dans les bandes mmWave. Dans mon entreprise, nous avons conçu des transitions par via à 77 GHz pour des conceptions de radars. À ces fréquences, la plupart des conceptions se concentrent sur l'utilisation d'un via aveugle pour effectuer une transition de couche, mais les via traversants sont en fait très importants dans des domaines comme les radars MIMO à formation de faisceaux hybrides denses et dans les réseaux d'antennes 5G opérant dans les bandes mmWave. J'ai montré cela dans ma récente présentation à EDICON.

Le risque ici est qu'il pourrait y avoir une fuite excessive du signal de l'ensemble des via, ce qui est indiqué par la limite de fréquence de localisation (en vert).

Le monde de la RF a accompli beaucoup de travail pour créer des conceptions de transition de couches précises qui peuvent fonctionner bien au-delà de la gamme des GHz sans se baser sur des vias traversants. Cela a aidé à dépasser la limite d'environ 90 GHz trouvée dans les terres de connecteurs large bande des composants BGA et les types de transitions à bande étroite montrés ci-dessus. Certains des types alternatifs de transitions de signal qui peuvent couvrir une partie ou la totalité d'un empilement de couches de PCB dans la gamme des ondes millimétriques incluent le couplage par ouverture et le couplage via aveugle/enterré par étapes.

Malheureusement, toutes ces transitions sont à bande étroite, ce qui signifie que vous ne pouvez pas faire passer un signal à haute vitesse à travers ces transitions via. Vous commencerez à perdre de la puissance dans les fréquences moyennes, ce qui peut être clairement observé dans les mesures de perte de retour au niveau de la transition de signal. J'ai réalisé des conceptions de transition via pour des canaux SerDes différentiels qui fournissent très clairement une bande passante suffisante pour une transition traversante pouvant supporter des largeurs de bande de 56 GHz (c'est la fréquence de Nyquist pour des flux de bits PAM-4 de 224 Gbps) sur des substrats Megtron.

Dans les conceptions que j'ai réalisées dans ces domaines, nous n'avons pas d'autre choix que d'utiliser des trous traversants car nous avons des patchs empilés sur une couche de surface, avec des transceivers empilés sur l'autre couche de surface. Cependant, pour concevoir et spécifier ces transitions, vous avez besoin d'un solveur de champ électromagnétique, d'un dessin de fabrication clair et, bien sûr, vous aurez besoin des meilleurs outils de CAO de l'industrie.

Résumé

En résumé, j'ai développé le tableau suivant qui liste quand un réseau de vias de brochage est nécessaire, quand seulement un via de retour unique est nécessaire, et quand aucun via n'est nécessaire pour les transitions de signal à travers plusieurs couches.

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