È opportuno mettere delle lacrime sulle coppie differenziali?

Uno dei principali fattori che influiscono sull'affidabilità di un PCBA è l'uso delle lacrime sulle tracce del PCB. Le lacrime sono molto utili e alcuni costruttori potrebbero richiederle nei prodotti di Classe III che costruiscono con l'intento di espandere gli anelli anulari e i fori di via su un foro. Come per molti aspetti dell'affidabilità, le considerazioni si estendono anche all'ambito dell'integrità del segnale, soprattutto perché i prodotti ad alta affidabilità richiedono maggiori capacità di gestione dei dati e funzionano a velocità più elevate.

Poiché le interfacce ad alta velocità funzionano con coppie differenziali, la domanda che sorge spontanea è: si devono usare le lacrime su una coppia differenziale?

Questa è una domanda che mi è stata posta da Mario Strano, uno dei nostri ultimi ospiti del podcast. Si tratta di un problema importante nella progettazione ad alta velocità, poiché le lacrime introducono essenzialmente una deviazione dell'impedenza di ingresso all'estremità di ingresso di una via. Dal punto di vista concettuale, ritengo che questa sia una domanda eccellente, in quanto le lacrime dei PCB sono importanti per l'affidabilità e riflettono il riconoscimento del fatto che possono modificare l'impedenza. In questo articolo analizzerò i problemi legati all'utilizzo delle lacrime su coppie differenziali e come possono influenzare l'impedenza.

Perché le lacrime PCB (PCB teardrop)?

Anzitutto è importante ricordare il motivo per cui le lacrime (PCB teardrop) possono essere posizionate su una coppia differenziale (o su qualsiasi altra traccia) che viene instradata in una via. Durante la fabbricazione, quando si praticano fori per le vias o altri NPTH/fori di montaggio, è possibile che il trapano si muova durante la rotazione (incrudimento) e manchi leggermente l'obiettivo di perforazione. Se c'è molto incrudimento, il trapano potrebbe interrompere una traccia di collegamento o una piazzola dalla via, lasciando così una connessione a circuito aperto dopo l'applicazione della placcatura.

Le lacrime possono essere applicate per aiutare a prevenire qualsiasi rottura che potrebbe interrompere una traccia collegata a un pad della via. L'idea in questo caso è di fornire del rame aggiuntivo per prevenire la rottura della traccia durante la perforazione durante la fabbricazione.

Alcuni stabilimenti di produzione di classe 3 IPC consigliano l'uso delle lacrime, ma questo solleva la questione dell'integrità del segnale sulle interfacce ad alta velocità. In che modo questi elementi influiscono sui segnali ad alta velocità, specialmente sulle coppie differenziali? La domanda è importante in quanto le interfacce standard ad alta velocità utilizzano segnali differenziali e altri prodotti ad alta affidabilità incorporano questi protocolli.

Osserva la progettazione RF per trovare la soluzione

Che tu ci creda o no, possiamo ancora una volta prendere a esempio le pratiche di progettazione PCB RF. Quello che abbiamo su queste tracce differenziali è una sezione del restringimento, che gli ingegneri RF usano spesso per abbinare le impedenze. In effetti, i restringimenti sono utilizzati come elementi di transizione dalle microstrisce alle guide d'onda integrate nel substrato (SIW) e alle guide d'onda complanari con messa a terra. L'adattamento di impedenza fornito da questi elementi può essere a banda larga e fornisce una risposta di fase molto coerente tra le risonanze per segnali RF con larghezza di banda moderata.

Per i segnali digitali, sono presenti tre problematiche da considerare quando esaminiamo come le lacrime influiscono sui segnali ad alta velocità:

• Larghezza di banda: tutti i segnali digitali hanno ampia larghezza di banda (teoricamente infinita); il canale deve trasferire le frequenze fino al limite di frequenza Nyquist.
• Accoppiamento: con coppie differenziali, abbiamo una coppia di nastri accoppiati, non solo un singolo restringimento in isolamento, e l'accoppiamento dipende dalla larghezza della traccia e dalla spaziatura.
• Tasso di restringimento: la velocità con cui la lacrima si assottiglia rispetto alla larghezza della piazzola determina la velocità con cui cambia l'impedenza single-ended di una traccia della coppia e quindi la velocità con cui cambia l'impedenza differenziale.
• Profilo del restringimento: il profilo delle lacrime è lineare o curvo? Questo fatto sarà importante anche per la corrispondenza e la propagazione dell'impedenza.

A causa di questi tre punti, per ridurre al minimo l'impatto di una lacrima sulle coppie differenziali è necessario scegliere valori adeguati per la larghezza e la lunghezza del restringimento. Tuttavia, poiché il restringimento a una larghezza maggiore diminuisce l'impedenza della traccia, è opportuno assicurarsi che l'impedenza di ingresso nella via (valida solo alle alte frequenze) sia inferiore all'impedenza in modalità dispari della traccia di ingresso prima del restringimento.

Per le coppie differenziali, ciò significa che è necessario controllare la spaziatura tra le coppie e la velocità/lunghezza del restringimento lungo la lacrima PCB. Esaminiamo ciascuno di questi punti:

Lunghezza del restringimento

In seguito dovremmo chiederci: quale lunghezza del restringimento dovrebbe essere utilizzata nelle lacrime? Ancora una volta, torniamo a un sistema RF con una sezione di corrispondenza del restringimento. Se è necessaria un'impedenza corrispondente con una perdita di ritorno costante e nessun comportamento risonante fino a larghezze di banda elevate, il restringimento deve fornire una transizione di impedenza regolare fino al limite di larghezza di banda richiesto. Il limite di larghezza di banda in questi restringimenti è definito da una transizione di fase, segnato da interferenze costruttive direttamente a una particolare frequenza risonante (vedi di seguito).

Perché la larghezza di banda dovrebbe essere limitata? Perché il restringimento della traccia si comporta come un filtro passa-alto e ha una certa lunghezza elettrica oltre la quale si comporterà come una breve sezione di linea di trasmissione se adeguatamente accoppiata alla via. Possiamo vedere dove il restringimento diventa limitato in banda traendo (di nuovo) alcune informazioni dai restringimenti in generale. L'esempio seguente mostra una traccia microstrip che viene ristretta da una traccia di 50 Ohm a un output di 40 Ohm con una lacrima sul dielettrico Rogers 3003. Possiamo immediatamente vedere che il limite di larghezza di banda si estende a frequenze più alte quando il restringimento si riduce.

Abbiamo sempre e solo una corrispondenza perfetta a frequenze specifiche, ma ci sono frequenze di fascia media in cui lo spettro della perdita di ritorno è piatto. Quanto sopra presuppone anche che il lato di uscita del restringimento sia perfettamente abbinato alla via, ma potrebbe non essere così. In tal caso, la perdita di ritorno sarà diversa e sarà dominata dal coefficiente di riflessione all'ingresso alla via con frequenze inferiori.

Determinare un'espressione analitica per l'impedenza di ingresso in funzione della velocità di restringimento in una lacrima è un argomento che esaminerò in seguito, quindi lo terrò per dopo poiché merita un articolo a parte.

Spaziatura tra le PCB teardrops

La spaziatura in coppie differenziali determinerà parzialmente l'impedenza in modalità dispari di ciascuna traccia nella coppia. Se le tracce si restringono l'una nell'altra, la minore distanza tra le regioni delle lacrime riduce ulteriormente l'impedenza che conduce alla via. L'effetto sull'impedenza di ingresso (e quindi sui parametri S e sulla conformità del canale) sarà influenzato sia dalla spaziatura che dalla lunghezza del restringimento, nonché dall'angolo dei restringimenti.

Se la spaziatura era già grande e si applicano le lacrime alla coppia differenziale senza inclinarle, si verificherà una deviazione dell'impedenza di modo dispari maggiore del normale perché la spaziatura diminuisce lungo la lunghezza del restringimento. L'impedenza single-ended diminuisce già lungo la lunghezza del restringimento, ma la minore spaziatura in questo senso riduce ulteriormente l'impedenza.

Se hai progettato la tua coppia differenziale senza spazi troppo piccoli (lato destro) e hai utilizzato un sottile dielettrico sotto le coppie (in particolare per microstrip), l'applicazione delle lacrime a un paio di vias differenziali non avrà un effetto significativo sull'impedenza. L'impedenza era già dominata dalla presenza della massa. Se poi si angolano le tracce, si noterà una deviazione dell'impedenza inferiore rispetto all'impedenza differenziale guardando la coppia di vias.

Regole di progettazione

Sulla base dei punti sopra elencati, arriviamo ai seguenti risultati per le lacrime PCB su coppie differenziali:

• Ampie larghezze di banda del segnale richiederanno distanze di restringimento a lacrima più piccole
• Prova ad inclinare le sezioni a lacrima per mantenere costante la spaziatura da bordo a bordo
• La larghezza finale deve corrispondere all'impedenza di input delle vias differenziali
• Le regioni della lacrime devono essere simmetriche all'input e all'output della coppia di via, se possibile

Purtroppo, l'affermazione "dovrebbe corrispondere all'impedenza di ingresso dei vias/pad differenziali" al punto 3 è più facile a dirsi che a farsi. C'è solo un metodo di cui sono a conoscenza che fornisce qualsiasi livello di precisione per i calcoli differenziali tramite impedenza, e parte da un calcolo del ritardo di propagazione attraverso una coppia di vias differenziali. La maggior parte dei calcolatori di impedenza single-ended sono totalmente imprecisi e non producono nulla che corrisponda ai risultati sperimentali di un TDR, quindi non ha senso iniziare da lì. Inoltre, la maggior parte dei calcolatori di impedenza non si basa su modelli a banda larga, quindi non prenderà in considerazione la propagazione e l'eccitazione modale, quindi non produrranno un risultato accurato alle alte frequenze, che è esattamente dove avresti bisogno di precisione per segnali ad alta velocità!

Le PCB teardrops non sono necessarie per l'affidabilità

Sebbene le PCB teardrops siano spesso raccomandate per garantire l'affidabilità, e alcune aziende di produzione le consiglino in linea di principio per qualsiasi prodotto di Classe 3, non sono necessarie per l'affidabilità. Ad esempio, nei backplane OpenVPX, non vedrai alcun requisito per le lacrime e non mi è mai stato chiesto di aggiungerle a uno di questi backplane (3U o 6U). Riporto questo particolare standard aperto poiché i suoi requisiti di progettazione necessari per garantire l'affidabilità sono più conservativi di quelli che implementeresti per i prodotti di Classe 2 o 3 e sono implementati in alcuni degli ambienti più difficili (mil-aero).

Per quanto riguarda la valutazione delle lacrime, le simulazioni possono essere utilizzate per determinare quando la lunghezza e la velocità del restringimento sono troppo piccole/troppo grandi e iniziano a influenzare il comportamento del segnale. La metrica chiave da esaminare è costituita dai parametri S nella sezione delle lacrime sull'interconnessione, in particolare l'S11 (perdita di ritorno) per determinare se esiste una deviazione di impedenza inaccettabile. Alcuni solventi elettromagnetici specializzati (HFSS, SIwave, Simbeor) semi-automatizzano il calcolo di S11 con lacrime applicate a una traccia.

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