Średnica antypada, przeploty i wyniki IBM z IPC APEX EXPO 2021

W dzisiejszych czasach prawdopodobnie nie kojarzysz IBM jako głównej siły w przemyśle PCB. IBM mocno postawił na chmurę i nie otrzymał wiele uznania ze strony branży elektronicznej. Jednak firma znana z mainframe'ów, serwerów, Watsona i możliwości AI robi furorę w społeczności projektantów wysokich prędkości dzięki swoim ostatnim wynikom przedstawionym na IPC APEX 2021.

Artykuł przedstawiony przez zespół trzech badaczy IBM bada sposoby redukcji przeplotu międzywarstwowego w projektach o wysokiej gęstości z wykorzystaniem przewiertów PTH z wierceniem zwrotnym. Artykuł jest dość interesujący, ponieważ badał dwa aspekty projektowania przewiertów PTH z wierceniem zwrotnym, które intuicyjnie mogłyby nie być kojarzone z redukcją przeplotu. Jednak w projektach o wysokiej gęstości z bardzo małymi odstępami między szybkimi połączeniami, musimy szukać niemal wszędzie, aby próbować zmniejszyć problemy z integralnością sygnału, w tym przeplot.

Ich wyniki są bardzo interesujące, gdy przyjrzymy się antypadom i ich wpływowi na integralność sygnału. Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się tym interesującym wynikom i zbadajmy, jak mogą one wpłynąć na Twoje praktyki projektowe w przyszłości.

Co to jest przeplot międzywarstwowy?

Zanim zagłębimy się w sedno artykułu IBM, ważne jest, aby zdefiniować przeplot międzywarstwowy w szybkich PCB. Możesz się zastanawiać, dlaczego dochodzi do przeplotu między dwoma warstwami w szybkim PCB? Czy nie umieszczamy zazwyczaj płaszczyzny masy między warstwami sygnałowymi w szybkich PCB, aby zapobiec jakimkolwiek przeplotom między warstwami? Chociaż jest prawdą, że płaszczyzny masy między warstwami sygnałowymi zapewniają izolację, czasami trudno jest umieścić płaszczyznę masy między każdą możliwą parą warstw sygnałowych. W projektach o wysokiej liczbie warstw, które muszą również wspierać gęste trasowanie szybkich sygnałów, nie zawsze masz luksus umieszczania płaszczyzn masy między każdą warstwą sygnałową.

Wprowadzenie przeplotu międzywarstwowego. Gdy ścieżki są umieszczone na sąsiednich warstwach, istnieje potencjał dla przeplotu między ścieżkami ze względu na sprzężenie między przewodnikami. Obejmuje to przeplot między ścieżkami o kontrolowanej impedancji sprzężonymi szerokobokowo na sąsiednich warstwach. Typowym zaleceniem dla ścieżek o kontrolowanej impedancji jest trasowanie ich ortogonalnie, ponieważ eliminowałoby to przeplot indukcyjny, chociaż nie zawsze jest to praktyczne pod względem rozwiązywalności trasowania.

Sprzężenie Szerokobokowe-Krawędziowe

Osobiście unikam ortogonalnego trasowania na linii paskowych i wolę optować za separacją boczną (sprzęganie krawędziowe) lub na różnych warstwach. W projektach o bardzo wysokiej gęstości, gdzie jesteś zmuszony używać linii paskowych na sąsiednich warstwach, występuje sprzęganie szerokoboczne lub szerokoboczno-krawędziowe między ścieżkami. Dzieje się to w ścieżkach jednostronnych oraz w parach różnicowych; zauważ, że będziesz mieć do czynienia z parami różnicowymi przy trasowaniu cyfrowym wysokiej prędkości.

W parach różnicowych sprzęganych szerokoboczno-krawędziowo, istnieje określony rozstaw między parami na sąsiednich warstwach, który produkuje zerowy odwrotny przesłuch międzywarstwowy. W rzeczywistości siła przesłuchu nie jest idealnie równa zeru, ale z pewnością można osiągnąć siłę przesłuchu poniżej -60 dB. W parach różnicowych, dzieje się to ponieważ pole od pary agresora będzie idealnie równoległe do przekroju pary ofiary, prowadząc do zerowego indukcyjnego międzywarstwowego przesłuchu różnicowego, zgodnie z prawem Faradaya.

Nierejestracja

Ze względu na tolerancje produkcyjne, rozstaw między parami różnicowymi nie będzie dokładnie równy wartości projektowej, a pomiędzy warstwami wystąpi pewne niezgodność wyrównania. Nazywa się to niezarejestrowaniem i prowadzi do pewnej małej ilości przeplotu występującego w parze poszkodowanej. To niezarejestrowanie może wynosić nawet 5 mils, co jest jedną z wartości zbadanych w badaniu IBM.

Scott McMorrow z Samtec ma doskonałą prezentację, która pokazuje efekty niezgodności wyrównania między parami różnicowymi na przeplot międzywarstwowy. Poniżej przedstawiłem ważny wynik z jego prezentacji, ponieważ ładnie pokazuje, jak rozstaw między parami wpływa na przeplot do przodu.

Wyniki w pracy IBM

Teraz możemy przejść do pracy IBM nad przeplotem międzywarstwowym. Badali przeplot międzywarstwowy z dwóch wymiarów: niezgodność wyrównania warstw i średnice antipadów na przelotkach PTH. Naturalnie spodziewalibyśmy się, że redukcja niezarejestrowania ma największy wpływ na przeplot międzywarstwowy, ale jak się okazuje, dostosowanie średnicy antipadu miało większy wpływ na zmniejszenie przeplotu międzywarstwowego niż redukcja niezarejestrowania.

Bez powtarzania wszystkich wyników z ich pracy, krótko podsumuję ważne wyniki dotyczące integralności sygnału:

Przeplot międzywarstwowy a niezawodność vs. niezarejestrowanie

Gdy niedopasowanie zostało zmniejszone z 5 mil do 3 mil, siła przeplotu międzywarstwowego na liniach ofiary zmniejszyła się, co jest zgodne z wynikami przedstawionymi przez McMorrowa powyżej. Ważne w tym wyniku jest to, że jest on uniwersalny: bardziej rygorystyczne tolerancje prowadzą do mniejszego niedopasowania i mniejszego przeplotu na całym układzie PCB.

Niespodziewanym wynikiem, który zespół odkrył, był wpływ zmiany średnicy antypadu na ten sam rodzaj przeplotu.

Średnica Antypadu

Dla ścieżek przechodzących przez warstwy nad otworami PTH z wierceniem zwrotnym, stwierdzono również, że średnica antypadu wpływa na przeplot międzywarstwowy między połączonymi interkonektami. Antypad wokół przelotowego otworu via jest już znany z modyfikowania parametrów pasożytniczych wokół via i pobliskiej ścieżki, tworząc niewielką niedopasowanie impedancji, które kumuluje straty. W dokumencie IBM, zmniejszenie średnicy antypadu z 30 mil do 28 mil na otworze PTH o średnicy 10 mil również spowodowało zmniejszenie przeplotu międzywarstwowego. Jest to jeden z przykładów prostych zmian w projektowaniu, które pomogą Ci zmniejszyć przeplot, ale wymaga to ścisłych tolerancji wokół PTH z precyzyjnym wierceniem zwrotnym, czego nie wszyscy producenci mogą być w stanie zapewnić.

Podsumowanie

Wyniki przedstawione w artykule IBM są ważne, ponieważ ilustrują związek między ważnym problemem integralności sygnału a tolerancją produkcyjną na małych skalach długości. W miarę jak zaawansowane projekty stają się coraz bardziej kompaktowe, więcej takich badań pomoże ujawnić wpływ tolerancji produkcyjnych na integralność sygnału i zasilania. Przesłuch międzywarstwowy to nie jest nowy problem do rozwiązania. Dobrą recenzję oraz kilka alternatywnych strategii trasowania w celu zmniejszenia przesłuchu międzywarstwowego w podwójnych liniiach paskowych można znaleźć w następującym artykule z 2013 roku:

• Xiao, Kai, Jimmy Hsu, Yuan-Liang Li, Richard Kunze, Yinglei Ren, i Trung-Thu Nguyen. "Zarządzanie przesłuchem międzywarstwowym w różnicowych podwójnych liniiach paskowych." Na sympozjum IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, ss. 724-729. IEEE, 2013.

Tutaj, w Altium, naszym celem jest utrzymywanie Cię na bieżąco z najnowszymi rozwojami w projektowaniu połączeń, w tym aspekty takie jak antypady, przesłuch i integralność sygnału w szybkich projektach. Ponieważ branża elektroniczna nadal przesuwa granice pakowania elektroniki, będziesz miał wszystkie narzędzia, których potrzebujesz, aby tworzyć projekty najwyższej jakości z Altium Designer® i platformą Altium 365™. Śledź bloga, aby uzyskać więcej aktualizacji z inżynierii i technologii.