高速＆RFビアトランジションの設計方法

高速PCB設計において、シングルエンド信号と差動ペアの両方において、信号トレース上のビアを避けるべきだという設計ガイドラインが時々見られます。これは完全に間違っているわけではありませんが、少し文脈を要します。信号帯域が非常に広範囲にわたり、GHz範囲まで達する場合、ビアの入力において低いリターンロスを提供するようにビアの遷移を慎重に設計する必要があります。さらに、ビアへの配線/ビアからの配線を考慮すると、ビアの配置はビアなしの同等のチャネルの挿入損失を変更してはなりません。

この記事では、PCBの層間で信号をルーティングするためにこれらのビア遷移をどのように設計するかを理解するために必要な主要な概念をいくつか概説します。ビア遷移は、インピーダンスに合わせて設計することと、作成するビア構造の製造可能性を確保することについてです。ここで概説される概念は、ステッチングビアを使用して層間遷移を構築するために、より高度な設計ツールを使用する方法を理解するのに役立つはずです。

ビア遷移の製造、アンチパッド、およびステッチングビア

ビアトランジションを設計する際の出発点は、製造する必要がある構造を理解することだと思います。高速ビアおよびRFビアのレイヤートランジションを正しく設計するために使用される主要なツールは、ステッチングビアです。RF/高速ビアトランジションの設計では、信号ビアの周りにステッチングビアを正確に配置する必要があります。そのためには、

• ビアサイズ - ビアのドリル径は常に製造業者のドリル能力によって制限されます。特定の信号や周波数に必要なビアサイズに厳密な要件はありません。
• アンチパッドサイズ - 高速設計およびRF PCB設計では、ビアトランジションは少なくとも1つのプレーン層を通過する必要があり、プレーン内のアンチパッドは正しくサイズ設定される必要があります。これはインピーダンスを決定するのに役立ちます。
• ビア間の間隔 - ビア間の壁と壁の間隔には、製造できる限界があります。
• パッドサイズ - パッドサイズには制限があります。また、クラス2またはクラス3製品のアニュラリング要件にも注意してください。
• バックドリリング - 以下の議論ではバックドリリングについて具体的には触れませんが、バックドリリングが必要なレイヤー遷移を行うかどうかを判断するのに役立ちます。バックドリリングの必要性を判断する方法についてはこちらをご覧ください。
• 高密度対標準製造 - あなたのボードにHDIビルドアップを使用し、バックドリリングが必要ですか？その場合は、レイヤー遷移に盲孔/埋没ビアを使用した高密度アプローチを検討してください。

2つのレイヤー間のビア遷移の設計を始めるには、まずこれらの質問に答えを出すことが重要です。最初の2つが最も重要であり、これはボードのDFM要件に関連しており、これによりビア遷移を介して信頼性高く伝送できる周波数（または帯域幅）が制限されます。

ビア遷移の設計方法

すべてのビア遷移は、必要な信号帯域内で必要な値を持つようにビアのインピーダンスを設計することに関係しています。これは、ボードの以下の物理的側面のサイズを決定することによって行われます：

• ステッチングビアの数
• ステッチングビアの配置
• パッドサイズとアンチパッドサイズ
• NFPの追加または

削除これらのビアトランジション設計の主な信号整合性目標のいくつかは、以下の表に示されています。挿入損失が重要な要素であることを述べたことに注意してください。一般に、挿入損失はビア構造の主要な設計目標ではありませんが、ビア構造へのルーティングの相互作用とビア構造自体の設計は、全体のチャネルの帯域幅を制限する挿入損失の大幅な増加を引き起こす可能性があります。

残念ながら、この問題に対して、任意の層数やステッチングビア構造に一般化できる解析的な方程式セットは存在しません。幾何学と境界条件が問題を複雑にしすぎて、解析的に取り扱うことができないほどです。また、ビア配列の円筒形状のため、問題には円筒形ベッセル関数やノイマン関数との関係が含まれており、エンジニアがこれらの関係を手作業で導出することを望む人はいないでしょう。

したがって、信号ビア（または差動チャネル用のビアペア）の周囲にステッチングビアの間隔を設定するために、いくつかの概念的なツールを使用する必要があります。いくつかのケースを見てみましょう：

3 GHz以下：リターンパスに注意

3 GHz以下では、近くにグラウンドリターンビアがある限り、ビアトランジションの入力インピーダンスは通常、50オームから大きく逸脱します。したがって、非常に高速なチャネルで動作していない限り、ビアトランジションへの/からの特定のステッチングビア構造を配置することを心配する必要はありません。典型的なアンチパッドサイズは、着陸パッドサイズと少なくとも同じ大きさになります。近くにリターンビアがある限り、EMI/感受性を減らすために十分に密な電流ループを維持できます。これについては、私がステッチングビアに関する他の記事で議論しました。

これは、入力インピーダンスが重要であり、ビアトランジションでの入力インピーダンスはトレースインピーダンス（つまり、ビアは電気的に短い）のように見えるためです。差動ペアにも同じことが当てはまります。ビアトランジションが本当に重要になるのは5 GHz以上です。

3-5 GHz以上

私は何度も述べてきましたし、計算やシミュレーションで示してきましたが、信号帯域が3〜5GHzを超えるまでビアのインピーダンスは重要ではありません。ステッチングビアがない単なるビアのトランジションでは、トランジションのインピーダンスは誘導性を示し、約30GHzまでビアトランジションの特性インピーダンスの約3〜4倍まで増加します。その周波数範囲を超えると、容量性が支配的になり、ビアのインピーダンスは再び下降し始め、約50GHzまで下がります。

下記に示すようにいくつかのステッチングビアを配置し、アンチパッドのサイズを小さくすると、5GHzから50GHzの範囲でのインピーダンスの上昇が減少します。これは、ビアとアンチパッドが信号ビアに並列に見える容量を決定し、ビアの特性インピーダンスとそれによって入力インピーダンスを減少させるためです。ビアとアンチパッドの境界を近づけると、インピーダンスの減少はより大きくなり、インピーダンス目標（単端または差動）に近づきます。

差動ペアの場合、アンチパッドが入力インピーダンスに対する影響を支配しますが、単端チャネルはアンチパッドのサイズとビアの配置の両方に同様の感度を持ちます。

ビアやアンチパッドを近づけすぎると、過剰な容量を追加してしまい、その結果、入力インピーダンスが目標値を5-50 GHzの範囲で下回ってしまいます。ビアの配置を適切に行うことで、目標インピーダンスに到達し、40-50 GHzまでほぼフラットな入力インピーダンスを維持できます。これは、非常に高速な112G PAM-4シグナリングに十分です。

上述したように、ビアトランジションの設計問題には解析的解法がなく、ビアインピーダンスが実際に重要となる周波数範囲で機能する閉じた形式のモデルは存在しません。これが、私が見たすべてのビアインピーダンス計算機が誤った結果を出し、実際の状況では役に立たない理由です。この問題については別の記事で議論しました。これも、所望の信号帯域内でフラットインピーダンスを持つインターコネクトを設計するために、CSTやSimbeorのようなアプリケーションが必要な理由です。

スルーホールビアトランジションの最大周波数はありますか？

これらの設計で期待できる最大帯域幅はどの程度でしょうか？RF信号の場合、その値はおよそ100 GHz以下になりますが、デジタル信号の場合は、~50 GHzまでフラットインピーダンスを設計できます。

ビアトランジションを通過できる帯域幅/周波数を制限する主な要因は、ビアトランジションを構築するために使用される製造技術です。これは、ドリルサイズとステッチングビアの間隔が限られるためです。~90 GHzを超える層間トランジションを構築するためには、異なる製造技術が必要です。

それを踏まえて、現在の減算エッチングおよびドリリング製造技術の限界でも、スルーホールビアトランジションがmmWave帯域まで十分に機能することが可能です。私の会社では、レーダーデザイン用に77 GHzでビアトランジションを設計しました。これらの周波数では、ほとんどの設計が層間トランジションを行うためにブラインドビアの使用に焦点を当てていますが、密集したハイブリッドビームフォームドMIMOレーダーやmmWave帯域で動作する5Gアンテナアレイなどの領域では、スルーホールが実際に非常に重要です。これについては、最近のEDICONプレゼンテーションで示しました。

ここでのリスクは、ビアアレイからの信号の過剰な漏洩が発生する可能性があることで、これは局所化周波数限界（緑色で示される）によって示されます。

RFの世界では、スルーホールビアに基づかないGHz範囲までうまく動作する正確なレイヤー遷移設計を多く作り出してきました。これらは、BGAコンポーネントからの広帯域コネクタランドで見つかった約90GHzの限界や、上記で示された狭帯域遷移のタイプを超えるのに役立ちました。PCBレイヤースタックの一部または全部をmmWave範囲にわたってスパンできる信号遷移の代替タイプには、開口結合や段階的なブラインド/埋め込みビア結合が含まれます。

残念ながら、これらはすべて狭帯域であり、これらのビア遷移を通して高速信号を得ることはできません。中間周波数で電力を失い始めることになり、これは信号遷移でのリターンロス測定で明確に見ることができます。私は、スルーホール遷移が56GHzの帯域幅（これは224GbpsのPAM-4ビットストリームのナイキスト周波数です）をサポートできる十分な帯域幅を非常に明確に提供する差動SerDesチャネルのビア遷移設計を行いました。これはMegtron基板上でのことです。

これらの分野で私が行った設計では、片面レイヤーにパッチを詰め込み、もう一方の表面レイヤーにトランシーバーを詰め込むため、スルーホールを使用する以外に選択肢がありません。しかし、これらの遷移を設計し指定するには、電磁場ソルバー、明確な製造図面、そしてもちろん業界最高のCADツールが必要になります。

要約

要約すると、複数のレイヤーを越える信号遷移において、ステッチングビア配列が必要な場合、単一のリターンビアのみが必要な場合、そしてビアが全く必要ない場合をリストした以下の表を作成しました。

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