In che modo gli antipad influiscono sull'integrità del segnale nel PCB multistrato

Gli antipad attorno alle vie dei fori passanti sono un punto controverso nei PCB moderni e il dibattito sull'uso di questi elementi in un PCB multistrato è inquadrato come una scelta binaria. Con gli odierni PCB, è utile comprendere gli effetti degli antipad sull' integrità del segnale e in particolare sull'impedenza di un PCB. In questo articolo esamineremo da vicino gli effetti del dimensionamento dell'antipad sull'impedenza del passaggio e sulla propagazione delle onde, perché questa metrica è alla base di altre metriche di integrità del segnale.

Come modellare tramite antipad e integrità del segnale

Se stai instradando su un piano solido, la domanda di progettazione è quanto grande dovrebbe estendersi l'antipad oltre il pad della via e se nel progetto vengono mantenuti pad interni non funzionali. Se si esaminano le note applicative di alcuni componenti, si raccomanda di collocare gli antipad sulle piazzole di destinazione senza alcuna spiegazione. Inoltre, note diverse ti diranno con precisione il diametro degli antipad delle vie che dovresti usare, ma è facile evincerlo dal contesto. Esaminiamo attentamente queste due situazioni e come la struttura di una via/pad + antipad possa portare a problemi di integrità del segnale.

Gli antipad sulle vie sono dimensionati con precisione per raggiungere un'impedenza di destinazione ad alte frequenze. Per Dk = da 3 a circa Dk = 4, l'intervallo di frequenza in cui sarà necessaria un'impedenza controllata è leggermente superiore a 3-5 GHz (vedi il modello di seguito). L'antipad di una via può anche essere applicato automaticamente dai tuoi strumenti CAD in base alle regole di spaziatura ogni volta che usi un foro passante placcato per passare attraverso un piano solido. L'autorizzazione verrà applicata indipendentemente dal fatto che tu conservi gli NFP sulla tua via o li rimuova. Potresti anche applicare un ritaglio di poligono se la via passa attraverso un layer con colata di rame; questo ti darebbe una certa flessibilità per indirizzare delle vie specifiche con antipad di dimensioni precise.

Un modello a bassa frequenza (fino a 3-5 GHz per Dk = da 3 a 4)

Alle basse frequenze, esiste un modello semplice che può essere utilizzato per approssimare il comportamento di una via. L'applicazione di un antipad specifico serve a far sì che l'impedenza della via raggiunga un obiettivo specifico. Questo viene fatto bilanciando i parassiti reattivi standard in una struttura a vie:

• Induttanza. Una via presa isolatamente è fondamentalmente un induttore e la sua induttanza dipende dall'aspect ratio della via.
• Capacità. La presenza del piano intorno crea una certa capacità parassita intorno alla parete della via e sarà presente una capacità tra le piazzole delle vie e la messa a terra.

Ogni pad al termine della via e del piano intermedio crea due capacità in parallelo. Se combinato con un induttore, abbiamo un modello pi standard che descrive una via e il suo antipad, come mostrato di seguito. Nota che l'equazione di capacità mostrata di seguito è solo un'approssimazione in quanto non considera i campi marginali. Anche l'equazione di induttanza della via è un'approssimazione.

A questo punto possiamo estrarre moltissimi risultati concettuali. Anzitutto, proprio come qualsiasi circuito pi, il modello pi CLC è fondamentalmente un filtro passa basso con la frequenza di taglio di 3 dB definita in precedenza. Supponi di voler estendere la larghezza di banda della disposizione via + antipad. In tal caso, è necessario ridurre il rapporto d'aspetto (via più corta o diametro del cilindro più ampio), oppure diminuire la capacità pad-piano-pad (antipad più grande). In secondo luogo, c'è il pericolo che la frequenza di 3 dB diminuisca e limiti la larghezza di banda quando il rapporto d'aspetto diventa piuttosto grande.

Purtroppo, questo modello sarà impreciso a frequenze superiori a circa 3-5 GHz. Perché non possiamo usarlo per i calcoli di impedenza della via? Ecco alcuni motivi:

1. È preciso solo negli intervalli in cui l'impedenza della via non è necessaria
2. Tende a sopravvalutare il ritardo di propagazione della via di circa un fattore 2
3. Non contiene la dipendenza dalla frequenza nell'impedenza, che sarà sempre osservata al di sopra di 3-5 GHz
4. Non può prendere in considerazione le vie di collegamento e i loro effetti sull'impedenza
5. Non può essere impiegato con coppie differenziali, utilizzate prevalentemente con segnali ad alta velocità controllati dall'impedenza

Una volta raggiunto il regime mmWave, dovrai affrontare altre problematiche per l'integrità del segnale che coinvolgono il routing attraverso le vie. A queste frequenze gli elementi parassiti aggiuntivi diventano dominanti e contribuiscono alla perdita di inserzione complessiva lungo un'interconnessione.

• Ulteriori informazioni sui calcoli di impedenza
• Ulteriori informazioni sul comportamento del segnale mmWave nelle vie PTH

Esempio di calcolo Dk effettivo

A titolo di esempio, possiamo utilizzare un esempio di calcolo della dimensione dell'antipad per determinare il tempo necessario affinché un segnale viaggi lungo una via. Il tempo di percorrenza può essere confrontato con quello dello stesso segnale nel vuoto per determinare la costante dielettrica effettiva lungo la lunghezza della via.

Supponiamo di avere una via che passa attraverso un PCB spesso 1,57 mm con un diametro del cilindro di 10 mil, un pad di destinazione da 20 mil e un antipad da 25 mil. Se calcoliamo il tempo di propagazione utilizzando il modello precedente con Dk = 4, otteniamo circa 43 ps di tempo di transito attraverso questa via, sebbene il valore reale finisca per essere di circa 20 ps senza via di collegamento. Ciò fornisce un valore Dk effettivo di circa 14. Questo significa che una singola via crea molti ritardi di propagazione in eccesso per i segnali che viaggiano lungo di essa; se usiamo solo il valore Dk = 4 per calcolare il ritardo di propagazione attraverso la via, calcoleremo circa 10 ps di ritardo di propagazione. Si tratta di una differenza significativa se abbiamo bisogno di segnali con corrispondenza del ritardo (nel design ad alta velocità) o segnali con abbinamento di fase (nel design RF).

Producibilità con antipad

Anche le dimensioni di un antipad influiranno sulla producibilità. Il problema della producibilità riguarda la realizzazione di una via a foro passante attraverso un piano, che sarà influenzato dall'oscillazione del trapano. Durante la fabbricazione, un'eventuale oscillazione del trapano può far sì che il foro assuma la posizione sbagliata ed esponga parte del rame del piano attraverso la parete del foro. Durante la placcatura, questo problema andrebbe a creare un corto nel layer del piano. 

Per evitare questo problema, l'antipad deve essere sufficientemente grande in modo che qualsiasi oscillazione del trapano non fori il layer del piano. Come minimo, un approccio appropriato consiste nel rendere l'antipad grande almeno quanto i pad su ciascuna estremità della via. Tuttavia, per i prodotti di Classe II, qualsiasi breakout nell'anello anulare colpirebbe sicuramente il layer del piano, anche tenendo conto della mancata registrazione da layer a layer (di solito circa 1 mil).

A questo punto, una buona strategia è chiedere al produttore cosa consiglia. Una regola pratica è quella di dimensionare il diametro dell'antipad in modo che sia 20 mil più grande del diametro della punta o 12 mil più grande della dimensione del pad richiesta per la conformità IPC-6012 Classe II. Questo ti darebbe molto spazio per i prodotti di Classe II o Classe III. Naturalmente è solo una raccomandazione; si può optare per un valore di espansione inferiore purché non siano presenti pad non funzionanti sui layer interni, sebbene la conformità possa essere un problema se le tolleranze di produzione sono troppo basse.

Sopra il limite di 3-5 GHz

L'impedenza è controllata con un antipad, NFP e vie di collegamento

L'aggiunta di vie di collegamento aggiunge capacità distribuita in parallelo alla transizione delle vie; ciò può convertire l'impedenza della via da induttiva a capacitiva proprio quando la frequenza di funzionamento supera circa 5 GHz. Nella maggior parte dei protocolli digitali (sotto i 10 Gbps SerDes) e nelle interconnessioni RF single-ended, potrebbe essere necessario solo un piccolo numero di vie di collegamento. In segnali o larghezze di banda ben al di sopra di 5 GHz, sarà necessario unire le vie per impostare l'impedenza su un valore di destinazione.

Le vie di collegamento sono semplici: sono disposte attorno alla via lungo il bordo dell'antipad. Per impostare correttamente l'impedenza della via in modo che sia piatta alle alte frequenze, si consiglia di rimuovere gli NFP e di posizionare delle vie di collegamento attorno alla struttura della via. Di seguito è riportato un esempio di struttura che estende l'impedenza della struttura delle vie oltre i 5 GHz:

Se le vie di collegamento vengono avvicinate troppo alla via di segnale, l'impedenza della via cambierà da induttiva a capacitiva al di sopra del limite di ~5 GHz. Questo perché le strutture delle vie sono molto sensibili al carico capacitivo lungo la parete della via, in particolare nel caso di vie con fori passanti. Impostare via e antipad sul diametro giusto può aiutare a impostare l'impedenza della via su un valore ideale per l'impedenza del sistema (di solito 50 Ohm) su un'ampia larghezza di banda, anche per le vie a foro passante.

E le coppie differenziali?

Per le coppie differenziali le considerazioni sono un po' diverse in quanto dobbiamo esaminare l'effetto sull'impedenza in modalità dispari della struttura della via. In altre parole, dobbiamo analizzare una coppia di vie che vengono gestite in modo diverso, non una coppia di singole vie. Purtroppo, il semplice modello di impedenza a bassa frequenza descritto sopra non è utile anche per le coppie differenziali e non esiste un modello analitico per la modellazione di vie differenziali come linee di trasmissione. La strategia tipica consiste nel mantenere non meno della stessa spaziatura utilizzata durante l'instradamento quando si posizionano le vie differenziali. Tuttavia, le dimensioni del pad potrebbero limitare la distanza che è possibile impostare tra le vie differenziali e le piazzole di destinazione. Pertanto, un field solver è lo strumento migliore per determinare con precisione il posizionamento e l'instradamento delle vie differenziali in un PCB ad alta velocità.

Dimensioni dell'antipad per il backdrilling

In entrambi i casi single-ended e differenziali, potrebbe essere necessario determinare i requisiti di retroforatura, che dipenderanno anche dalle dimensioni dell'antipad. Le punte da trapano utilizzate nella perforazione a profondità controllata possono essere più grandi del diametro normale; per sicurezza è meglio dimensionare l'antipad in modo che sia più grande della punta del trapano. Per saperne di più, dai un'occhiata al seguente video sulla retroforatura per vedere come gli antipad su una coppia di vie differenziali influiscono sul ritardo di propagazione. Come vedrai nel video, l'antipad aiuta a determinare la frequenza di risonanza dell'ordine più basso nelle linee di trasmissione delle vie, che determinerà quando è necessaria la retroforatura.

Riepilogo

In sintesi, se vuoi controllare la larghezza di banda e gli elementi parassiti delle vie, hai a disposizione alcune leve da azionare. Gli antipad sulle vie offrono un modo semplice per regolare la capacità parassita in modo che corrisponda all'induttanza per un determinato aspect ratio delle vie. La costante dielettrica (solo valore dk) può essere utilizzata anche come strumento per il controllo di capacità delle vie. Infine, i collegamenti delle vie sono necessari per impostare la transizione delle vie all'impedenza richiesta al di sopra di circa 5 GHz.

Per quanto riguarda gli antipad sulle piazzole di destinazione, si crea una piccola discontinuità di impedenza, che può creare un'altrettanto piccola perdita di inserzione e di ritorno sulla piazzola. Nei canali ad alta velocità in cui le larghezze di banda possono estendersi fino a 100 GHz e oltre, ogni minima perdita di inserimento che puoi evitare è fondamentale. A mio parere, è consigliabile andare sul sicuro e non utilizzare alcun antipad sui pad di destinazione, a meno che non sia assolutamente necessario per impostare l'impedenza di un pad di destinazione su un valore specifico, riducendo così la perdita di ritorno.

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