Come progettare transizioni via ad alta velocità e RF

A volte, nelle linee guida per la progettazione di PCB ad alta velocità, si afferma che le vie dovrebbero essere evitate sulle tracce dei segnali, sia per i segnali single-ended che per le coppie differenziali. Questo non è completamente errato, ma richiede un po' di contesto. Quando le larghezze di banda dei segnali sono molto ampie, arrivando ben oltre il range dei GHz, la transizione attraverso la via deve essere progettata con cura per fornire una bassa perdita di ritorno all'ingresso della via. Inoltre, una volta considerato il routing in entrata/uscita dalla via, il posizionamento della via non dovrebbe modificare la perdita di inserzione del canale equivalente senza la via.

In questo articolo, delinerò alcuni dei concetti principali necessari per capire come progettare queste transizioni attraverso le vie in modo che i segnali possano essere instradati tra i layer in un PCB. Le transizioni attraverso le vie riguardano la progettazione in funzione dell'impedenza, così come la garanzia della fabbricabilità per la struttura della via che si crea. I concetti qui delineati dovrebbero aiutarvi a capire come lavorare con strumenti di progettazione più avanzati per costruire transizioni tra layer con vie di collegamento.

Produzione di Transizioni Via, Antipad e Vie di Collegamento

Credo che il primo passo nella progettazione di una transizione tramite via sia comprendere la struttura che si necessita di produrre. Lo strumento primario utilizzato per progettare correttamente le transizioni tra strati per vie ad alta velocità e vie RF è l'uso di vie di stitching. La progettazione di una transizione via per RF/alta velocità richiede di posizionare con precisione le vie di stitching intorno a una via di segnale in modo tale che il 

• Dimensione della via - Il diametro della foratura della via sarà sempre limitato dalle capacità di foratura della casa di fabbricazione. Non esiste un requisito rigoroso sulla dimensione della via necessaria per un segnale o una frequenza specifici.
• Dimensione dell'antipad - Nel design ad alta velocità e nel design di PCB RF, la transizione via dovrà passare attraverso almeno uno strato di piano, e l'antipad nello strato deve essere dimensionato correttamente poiché aiuta a determinare l'impedenza.
• Spaziatura tra le vie - Ci sarà un certo limite alla spaziatura da parete a parete tra le vie che può essere fabbricata.
• Dimensione del pad - Il limite sulla dimensione del pad determinerà. Inoltre, nota i requisiti dell'anello annulare nei prodotti di Classe 2 o Classe 3.
• Backdrilling - La discussione seguente non considererà specificamente il backdrilling, ma aiuta a determinare se effettuerai una transizione di strato che richiede il backdrilling. Scopri di più su come determinare le necessità di backdrilling qui.
• Fabbricazione ad alta densità vs. standard - Utilizzerai l'accumulo HDI per la tua scheda e hai bisogno di backdrilling? In tal caso, considera l'utilizzo di un approccio ad alta densità con vie cieche/interrotte per le tue transizioni di strato.

Per iniziare a progettare una transizione via tra due strati, assicurati di determinare prima le risposte a queste domande. Le prime due sono le più importanti perché si riferiscono ai requisiti DFM per la tua scheda, e ciò limiterà poi la frequenza (o larghezza di banda) che puoi trasferire in modo affidabile attraverso una transizione via.

Come Progettare Transizioni Via

Tutte le transizioni via riguardano la progettazione dell'impedenza via per avere il valore richiesto all'interno della tua larghezza di banda del segnale necessaria. Ciò viene fatto dimensionando i seguenti aspetti fisici della tua scheda:

• Numero di piazzole di collegamento
• Disposizione delle piazzole di collegamento
• Dimensione del pad e dimensione dell'antipad
• Inclusione o rimozione degli NFP

Alcuni degli obiettivi principali per l'integrità del segnale di questi progetti di transizione tramite via sono mostrati nella tabella sottostante. Nota che ho menzionato che la perdita di inserzione è un fattore importante. Generalmente, la perdita di inserzione non è solo l'obiettivo principale della progettazione della struttura via, ma l'interazione tra il routing in entrata/uscita dalla struttura via e la progettazione della struttura via stessa può creare un forte aumento della perdita di inserzione che limita la larghezza di banda dell'intero canale.

Sfortunatamente, non esiste un insieme di equazioni analitiche per questo problema che sia generalizzabile a qualsiasi numero di strati o struttura di via di collegamento. La geometria e le condizioni al contorno rendono il problema troppo complesso per essere risolto analiticamente. Inoltre, a causa della geometria cilindrica degli array di via, il problema coinvolge relazioni con le funzioni cilindriche di Bessel e Neumann, e sono sicuro che nessun ingegnere voglia trascorrere il proprio tempo a derivare queste relazioni a mano.

Quindi, dobbiamo utilizzare alcuni strumenti concettuali per impostare la spaziatura dei via di collegamento intorno al via del segnale (o coppia di via per un canale differenziale). Vediamo alcuni casi:

Al di sotto di 3 GHz: Preoccuparsi del Percorso di Ritorno

Sotto i 3 GHz, l'impedenza di ingresso della transizione del via tende tipicamente a deviare significativamente dai 50 Ohm finché c'è un via di ritorno a massa nelle vicinanze. Pertanto, a meno che non si stia operando con canali molto veloci, non preoccupatevi di posizionare una specifica struttura di via di collegamento in entrata/uscita da una transizione del via. Una dimensione tipica dell'antipad sarà almeno grande quanto quella del pad di atterraggio. Finché c'è un via di ritorno da qualche parte nelle vicinanze, manterrete un loop di corrente sufficientemente stretto per ridurre EMI/suscettibilità. Ne ho discusso nel mio altro articolo sui via di collegamento.

Il motivo di ciò è che l'impedenza di ingresso è ciò che conta, e l'impedenza di ingresso alla transizione del via sembrerà come l'impedenza della traccia (cioè, il via è elettricamente corto). Lo stesso vale per le coppie differenziali. Le transizioni del via iniziano a diventare davvero importanti sopra i 5 GHz.

Sopra i 3-5 GHz

Ho affermato (e dimostrato con calcoli/simulazioni) molte volte che l'impedenza della via non ha importanza fino a quando la larghezza di banda del segnale non supera i 3-5 GHz. Se si ha solo una transizione tramite una via senza vie di stitching, l'impedenza della transizione apparirà induttiva e aumenterà fino a circa 3-4 volte l'impedenza caratteristica della transizione della via fino a circa 30 GHz. Al di sopra di quella gamma di frequenze, la capacità prende il sopravvento, e l'impedenza della via inizia a diminuire nuovamente fino a ~50 GHz.

Posizionare alcune vie di stitching come mostrato sotto e ridurre la dimensione dell'antipad ridurrà l'aumento dell'impedenza nella gamma da 5 a 50 GHz. Questo perché le vie e l'antipad determinano la capacità vista in parallelo alle vie del segnale, il che riduce l'impedenza caratteristica della via e quindi l'impedenza in ingresso. Quando le vie e il confine dell'antipad vengono spostati più vicini, la diminuzione dell'impedenza sarà maggiore e si avvicinerà di più all'obiettivo di impedenza (sia single-ended che differenziale).

Per le coppie differenziali, l'antipad dominerà gli effetti sull'impedenza in ingresso, mentre i canali single-ended hanno una sensibilità simile sia alla dimensione dell'antipad che all'arrangiamento delle vie.

Se avvicini troppo le vie e/o l'antipad, hai aggiunto troppa capacità e quindi l'impedenza di ingresso scenderà al di sotto del tuo obiettivo nella gamma 5-50 GHz. Con la giusta disposizione delle vie, puoi raggiungere la tua impedenza obiettivo e mantenere un'impedenza di ingresso quasi piatta fino a 40-50 GHz, che è sufficiente per la segnalazione molto veloce a 112G PAM-4.

Ho menzionato sopra che non esistono soluzioni analitiche per il problema della transizione delle vie, quindi non ci sono modelli in forma chiusa che funzioneranno nelle gamme di frequenza dove l'impedenza delle vie è effettivamente importante. Questo è il motivo per cui ogni calcolatore di impedenza delle vie che ho visto produce risultati incorretti e non è utile in situazioni reali. Ho discusso questo problema in un altro articolo; questo è anche il motivo per cui avrai bisogno di un'applicazione come CST o Simbeor per progettare interconnessioni con impedenza piatta all'interno della larghezza di banda del segnale desiderata.

C'è una Frequenza Massima per la Transizione delle Vie Passanti?

Quale tipo di larghezza di banda massima puoi aspettarti in questi progetti? Il valore sarà da qualche parte al di sotto di ~100 GHz per i segnali RF, e l'impedenza piatta può essere progettata fino a ~50 GHz per i segnali digitali.

Il principale fattore che limita la larghezza di banda/frequenza che può passare attraverso una transizione via è la tecnologia di fabbricazione utilizzata per costruire la transizione via. Questo perché le dimensioni del trapano e lo spazio tra le vie di cucitura saranno limitati. Per costruire transizioni tra strati oltre i ~90 GHz, abbiamo bisogno di una tecnologia di fabbricazione diversa.

Detto ciò, i limiti nella tecnologia di fabbricazione attuale mediante incisione sottrattiva e foratura consentono ancora transizioni via passanti che operano ben dentro le bande mmWave. Nella mia azienda, abbiamo progettato transizioni via a 77 GHz per progetti radar. A queste frequenze, la maggior parte dei progetti si concentra sull'uso di una via cieca per effettuare una transizione tra strati, ma le vie passanti sono in realtà molto importanti in aree come radar MIMO ibridi a formazione di fascio densa e in array di antenne 5G che operano nelle bande mmWave. Ho mostrato questo nella mia recente presentazione a EDICON.

Il rischio qui è che potrebbe verificarsi una eccessiva perdita del segnale dall'array di vie, che è indicata dal limite di frequenza di localizzazione (in verde).

Il mondo RF ha compiuto molti sforzi per creare progetti di transizione tra strati precisi che possono funzionare bene fino alla gamma dei GHz senza basarsi su vie passanti. Questi hanno aiutato a superare il limite di ~90 GHz trovato nelle terre di connettori a banda larga dai componenti BGA e i tipi di transizioni a banda stretta mostrati sopra. Alcuni dei tipi alternativi di transizioni di segnale che possono coprire parte o tutto un stack di strati di un PCB nella gamma mmWave includono l'accoppiamento ad apertura e l'accoppiamento via cieco/sepolti a gradini.

Sfortunatamente, queste sono tutte a banda stretta, il che significa che non è possibile trasmettere un segnale ad alta velocità attraverso queste transizioni via. Inizierai a perdere potenza nelle frequenze medie, qualcosa che può essere chiaramente visto nelle misurazioni della perdita di ritorno alla transizione del segnale. Ho realizzato progetti di transizione via per canali SerDes differenziali che forniscono chiaramente abbastanza larghezza di banda per una transizione passante che può supportare larghezze di banda di 56 GHz (questa è la frequenza di Nyquist per flussi di bit PAM-4 da 224 Gbps) su substrati Megtron.

Nelle progettazioni che ho realizzato in questi ambiti, non abbiamo altra scelta se non utilizzare fori passanti perché abbiamo patch impaccate su uno strato superficiale, con trasmettitori impaccati sull'altro strato superficiale. Tuttavia, per progettare e specificare queste transizioni, è necessario un risolutore di campo elettromagnetico, un disegno di fabbricazione chiaro e, naturalmente, avrai bisogno dei migliori strumenti CAD del settore.

Riassunto

In sintesi, ho sviluppato la seguente tabella che elenca quando è necessario un array di via di cucitura, quando è necessaria solo una via di ritorno singola e quando non sono necessarie vie per le transizioni di segnale attraverso più strati.

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