Diametro dell'antipad, diafonia e i risultati di IBM dall'IPC APEX EXPO 2021

Al giorno d'oggi, probabilmente non pensi a IBM come una forza principale nell'industria delle PCB. IBM ha fatto una grande spinta verso il cloud e non ha ricevuto molto amore dall'industria elettronica. Tuttavia, l'azienda conosciuta per i suoi mainframe, server, Watson e capacità di intelligenza artificiale sta facendo parlare di sé nella comunità del design ad alta velocità con i suoi recenti risultati presentati all'IPC APEX 2021.

Il documento presentato da un team di tre ricercatori IBM esamina modi per ridurre il crosstalk tra strati in design ad alta densità con vie PTH retroforate. Il documento è piuttosto interessante poiché ha esaminato due aspetti del design delle vie PTH retroforate che intuitivamente non si collegano alla riduzione del crosstalk. Tuttavia, in un design ad alta densità con spaziature molto ridotte tra interconnessioni ad alta velocità, dobbiamo cercare quasi ovunque per provare a ridurre i problemi di integrità del segnale, inclusi il crosstalk.

I loro risultati sono molto interessanti quando esaminiamo gli antipad e i loro effetti sull'integrità del segnale. Con questo in mente, esaminiamo questi risultati interessanti ed esploriamo come potrebbero influenzare le tue pratiche di progettazione in futuro.

Che cos'è il Crosstalk tra Strati?

Prima di addentrarci nel nucleo dell'articolo di IBM, è importante definire il crosstalk tra strati in una PCB ad alta velocità. Potresti chiederti, perché dovrebbe verificarsi del crosstalk tra due strati in una PCB ad alta velocità? Non posizioniamo normalmente un piano di massa tra i livelli dei segnali su una PCB ad alta velocità per prevenire qualsiasi crosstalk tra i livelli? Sebbene sia vero che i piani di massa tra i livelli dei segnali forniscono isolamento, a volte è difficile posizionare un piano di massa tra ogni possibile coppia di livelli di segnali. Con progetti che hanno un alto numero di strati e che devono anche supportare un routing denso di segnali ad alta velocità, non si ha sempre il lusso di posizionare piani di massa tra ogni livello di segnali.

Entra in gioco il crosstalk tra strati. Quando le tracce sono posizionate su strati adiacenti, esiste il potenziale per il crosstalk tra le tracce a causa del coupling tra i conduttori. Questo include il crosstalk tra tracce a impedenza controllata accoppiate in modo broadside su strati adiacenti. Una raccomandazione tipica con tracce a impedenza controllata è di instradarle ortogonalmente, poiché ciò eliminerebbe il crosstalk induttivo, anche se questo non è sempre praticabile in termini di risolvibilità del routing.

Accoppiamento Broadside-Edge

Personalmente, tendo a evitare il routing ortogonale su stripline e preferisco optare per una separazione laterale (accoppiamento ai bordi) o su strati diversi. Nei progetti ad altissima densità, dove sei costretto a usare stripline su strati adiacenti, si ha un accoppiamento frontale o frontale-laterale tra le tracce. Questo si verifica nelle tracce a terminazione singola e nelle coppie differenziali; nota che ti troverai a gestire coppie differenziali nel routing digitale ad alta velocità.

Con coppie differenziali accoppiate frontale-laterale, esiste un passo specifico tra le coppie sugli strati adiacenti che produce uno crosstalk interstrato inverso pari a zero. In verità, la forza dello crosstalk non è perfettamente zero, ma puoi certamente ridurre la forza dello crosstalk al di sotto dei -60 dB. Nelle coppie differenziali, ciò si verifica perché il campo dalla coppia aggressore sarà perfettamente parallelo alla sezione trasversale della coppia vittima, portando a zero l'induttivo interstrato crosstalk differenziale, secondo la legge di Faraday.

Disallineamento

A causa delle tolleranze di fabbricazione, il passo tra le coppie differenziali non sarà perfettamente uguale al valore di progettazione, e ci sarà un certo disallineamento tra i livelli. Questo è chiamato disregistrazione e porta a una piccola quantità di diafonia che si verifica nella coppia vittima. Questa disregistrazione può essere alta fino a 5 mils, che è uno dei valori indagati nello studio di IBM.

Scott McMorrow di Samtec ha una presentazione eccellente che mostra gli effetti del disallineamento tra coppie differenziali sulla diafonia tra strati. Ho presentato un risultato importante della sua presentazione qui sotto, poiché mostra chiaramente come il passo tra coppie influenzi la diafonia diretta.

I Risultati nel Documento di IBM

Ora possiamo approfondire il lavoro di IBM sulla diafonia tra strati. Hanno esaminato la diafonia tra strati da due dimensioni: disregistrazione dei strati e diametri degli antipad sui via PTH. Naturalmente ci si aspetterebbe che la riduzione della disregistrazione abbia il maggiore effetto sulla diafonia tra strati, ma come si è scoperto, regolare il diametro dell'antipad ha avuto un effetto maggiore nel ridurre la diafonia tra strati rispetto alla riduzione della disregistrazione.

Senza ripetere tutti i risultati del loro documento, riassumerò brevemente i risultati importanti sull'integrità del segnale:

Diafonia tra strati e Affidabilità vs. Disregistrazione

Quando la disallineazione è stata ridotta da 5 mil a 3 mil, la forza del crosstalk interstrato sulle linee vittime è diminuita, il che è coerente con i risultati mostrati sopra da McMorrow. Ciò che è importante di questo risultato è che è universale: tolleranze più strette portano a una minore disallineazione e a un crosstalk inferiore in tutto il layout del PCB.

Il risultato più sorprendente che il team ha trovato è stato l'effetto di un cambiamento del diametro dell'antipad sullo stesso tipo di crosstalk.

Diametro dell'Antipad

Per le tracce che effettuano transizioni di strato sopra i PTH forati in retro, si è scoperto che anche il diametro dell'antipad influisce sul crosstalk interstrato tra interconnessioni accoppiate. L'antipad intorno a un via passante è già noto per modificare i parassiti intorno al via e alla traccia vicina, creando una leggera disadattamento di impedenza che accumula perdita. Nel documento IBM, ridurre il diametro dell'antipad da 30 mil a 28 mil su un PTH di diametro 10 mil ha prodotto anche una riduzione nel crosstalk interstrato. Questo è un esempio di un semplice cambiamento di progettazione che ti aiuterà a ridurre il crosstalk, ma si basa su tolleranze esatte intorno a un PTH con foratura di precisione, qualcosa che non tutti i fabbricanti potrebbero essere in grado di ospitare.

Riassunto

I risultati mostrati nel documento di IBM sono importanti perché illustrano il collegamento tra un importante problema di integrità del segnale e la tolleranza di fabbricazione su piccole scale di lunghezza. Man mano che i progetti avanzati continuano a diventare più compatti, ulteriori indagini aiuteranno a rivelare l'influenza delle tolleranze di fabbricazione sull'integrità del segnale e dell'alimentazione. Il crosstalk tra strati non è un problema nuovo da risolvere. Una buona revisione e alcune strategie di routing alternative per ridurre il crosstalk tra strati in doppie stripline possono essere trovate nel seguente documento del 2013:

• Xiao, Kai, Jimmy Hsu, Yuan-Liang Li, Richard Kunze, Yinglei Ren, e Trung-Thu Nguyen. "Gestione del crosstalk inter-strato in doppie stripline differenziali." Nel Simposio Internazionale IEEE sulla Compatibilità Elettromagnetica del 2013, pp. 724-729. IEEE, 2013.

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