Jak zaprojektować przejścia przez przelotki dla sygnałów wysokiej prędkości i RF

Czasami w projektowaniu PCB wysokiej prędkości pojawia się wytyczna, zgodnie z którą należy unikać stosowania przelotek (vias) na ścieżkach sygnałowych, zarówno dla sygnałów jednostronnych, jak i par różnicowych. Nie jest to całkowicie błędne, ale wymaga pewnego kontekstu. Gdy pasmo sygnału jest bardzo szerokie, sięgając dobrze w zakres GHz, przejście przez przelotkę musi być starannie zaprojektowane, aby zapewnić niskie straty zwrotne na wejściu przelotki. Ponadto, biorąc pod uwagę trasowanie do/wyjście z przelotki, umieszczenie przelotki nie powinno modyfikować strat wstawienia równoważnego kanału bez przelotki.

W tym artykule przedstawię niektóre z głównych koncepcji wymaganych do zrozumienia, jak projektować te przejścia przez przelotki, aby sygnały mogły być kierowane między warstwami w PCB. Przejścia przez przelotki dotyczą projektowania z uwzględnieniem impedancji, jak również zapewnienia możliwości wytworzenia struktury przelotki. Koncepcje przedstawione tutaj powinny pomóc zrozumieć, jak pracować z bardziej zaawansowanymi narzędziami projektowymi, aby budować przejścia międzywarstwowe z przelotkami łączącymi.

Produkcja przejść przez przelotki, antypady i przelotki łączące

Myślę, że pierwszym krokiem podczas projektowania przejścia przez przelotkę jest zrozumienie struktury, którą potrzebujesz wyprodukować. Podstawowym narzędziem używanym do poprawnego projektowania przejść warstwowych dla szybkich przelotek i przelotek RF jest stosowanie przelotek łączących. Projektowanie przejścia przelotki RF/szybkiej wymaga precyzyjnego rozmieszczenia przelotek łączących wokół przelotki sygnałowej tak, aby 

• rozmiar przelotki - średnica wiercenia przelotki zawsze będzie ograniczona przez możliwości wiertnicze zakładu produkcyjnego. Nie ma ścisłych wymagań co do rozmiaru przelotki potrzebnego dla określonego sygnału czy częstotliwości.
• rozmiar antypadu - W projektowaniu wysokich prędkości oraz w projektowaniu PCB RF, przejście przez przelotkę będzie musiało przejść przez co najmniej jedną warstwę płaszczyzny, a antypad w płaszczyźnie musi być odpowiednio wymiarowany, ponieważ pomaga to określić impedancję.
• odstępy między przelotkami - Będzie pewne ograniczenie odległości ściana do ściany między przelotkami, które można wyprodukować.
• rozmiar padu - Ograniczenie rozmiaru padu będzie decydować. Zwróć również uwagę na wymagania dotyczące pierścienia okólnego w produktach klasy 2 lub 3.
• Backdrilling - Poniższa dyskusja nie będzie dotyczyć bezpośrednio backdrillingu, ale pomoże określić, czy będziesz dokonywać przejścia między warstwami, które wymaga backdrillingu. Dowiedz się więcej o określaniu potrzeb backdrillingu tutaj.
• Wysoka gęstość vs. standardowa produkcja - Czy zamierzasz użyć budowy HDI dla swojej płyty i potrzebujesz backdrillingu? Jeśli tak, rozważ użycie podejścia o wysokiej gęstości z zastosowaniem ślepych/zakopanych przelotek dla twoich przejść między warstwami.

Aby rozpocząć projektowanie przejścia przelotki między dwoma warstwami, upewnij się, że najpierw znajdziesz odpowiedzi na te pytania. Pierwsze dwa są najważniejsze, ponieważ dotyczą wymagań DFM dla twojej płyty, co następnie ograniczy częstotliwość (lub pasmo) danych, które możesz niezawodnie przesyłać przez przejście przelotki.

Jak projektować przejścia przelotek

Wszystkie przejścia przelotek dotyczą projektowania impedancji przelotki, aby miała wymaganą wartość w obrębie potrzebnego pasma sygnału. Osiąga się to przez dobór następujących fizycznych aspektów twojej płyty:

• Liczba przelotek
• Układ przelotek
• Rozmiar pady i antypady
• Włączenie lub usunięcie NFP

Niektóre z głównych celów integralności sygnału dla tych projektów przejścia przez przelotki są pokazane w poniższej tabeli. Zauważ, że wspomniałem, iż straty wtrąceniowe są ważnym czynnikiem. Ogólnie, straty wtrąceniowe nie są głównym celem projektowym dla struktury przelotki, ale interakcja między trasowaniem do/z struktury przelotki a projektowaniem samej struktury przelotki może spowodować znaczny wzrost strat wtrąceniowych, który ogranicza pasmo całego kanału.

Niestety, nie istnieje zestaw analitycznych równań do tego problemu, który byłby uogólnialny na dowolną liczbę warstw lub strukturę przelotek łączących. Geometria i warunki brzegowe sprawiają, że problem jest zbyt skomplikowany, aby można było go rozwiązać analitycznie. Ponadto, ze względu na cylindryczną geometrię tablic przelotek, problem obejmuje związki z cylindrycznymi funkcjami Bessela i Neumanna, i jestem pewien, że żaden inżynier nie chciałby spędzać swojego czasu na ręcznym wyprowadzaniu tych zależności.

Dlatego musimy użyć pewnych narzędzi koncepcyjnych, aby ustawić odstępy między przelotkami łączącymi wokół przelotki sygnałowej (lub pary przelotek dla kanału różnicowego). Spójrzmy na kilka przypadków:

Poniżej 3 GHz: Martw się o ścieżkę powrotną

Poniżej około 3 GHz, impedancja wejściowa przejścia przez przelotkę zwykle będzie znacznie odbiegać od 50 omów, o ile w pobliżu znajduje się przelotka zwrotna do masy. Dlatego, chyba że pracujesz z bardzo szybkimi kanałami, nie martw się o umieszczanie specyficznej struktury przelotek łączących do/od przejścia przez przelotkę. Typowy rozmiar antipada będzie przynajmniej tak duży jak rozmiar płytki lądowania. Dopóki w pobliżu znajduje się jakaś przelotka zwrotna, utrzymasz wystarczająco ciasną pętlę prądową, aby zmniejszyć EMI/podatność. Omówiłem to w moim innym artykule o przelotkach łączących.

Powodem tego jest to, że to impedancja wejściowa ma znaczenie, a impedancja wejściowa przy przejściu przez przelotkę będzie wyglądać jak impedancja ścieżki (tzn. przelotka jest elektrycznie krótka). To samo dotyczy par różnicowych. Przejścia przez przelotki zaczynają mieć naprawdę znaczenie powyżej 5 GHz.

Powyżej 3-5 GHz

Wielokrotnie stwierdzałem (i pokazywałem za pomocą obliczeń/symulacji), że impedancja przelotki nie ma znaczenia, dopóki pasmo sygnału nie przekroczy 3 do 5 GHz. Jeśli mamy tylko przejście przez przelotkę bez przelotek zszywających, impedancja przejścia będzie wyglądać na indukcyjną i będzie wzrastać aż do około 3-4x charakterystycznej impedancji przelotki do około 30 GHz. Powyżej tego zakresu częstotliwości, dominującą rolę zaczyna odgrywać pojemność, a impedancja przelotki zaczyna ponownie spadać do około 50 GHz.

Umieszczenie kilku przelotek zszywających, jak pokazano poniżej, i zmniejszenie rozmiaru antypadu zmniejszy wzrost impedancji w zakresie od 5 do 50 GHz. Wynika to z faktu, że przelotki i antypad określają pojemność widzianą równolegle do przelotek sygnałowych, co redukuje charakterystyczną impedancję przelotki, a tym samym impedancję wejściową. Gdy granica przelotek i antypadu zostanie przesunięta bliżej, spadek impedancji będzie większy i zbliży się do docelowego poziomu impedancji (zarówno dla sygnałów jednojak i różnicowych).

Dla par różnicowych, antypad będzie dominować w wpływie na impedancję wejściową, podczas gdy kanały jednojak mają podobną wrażliwość zarówno na rozmiar antypadu, jak i układ przelotek.

Jeśli zbliżysz zbyt mocno przelotki i/lub antipady, dodasz zbyt dużą pojemność, a wtedy impedancja wejściowa spadnie poniżej twojego celu w zakresie 5-50 GHz. Z odpowiednim rozmieszczeniem przelotek możesz osiągnąć docelową impedancję i utrzymać niemal płaską impedancję wejściową do 40-50 GHz, co jest wystarczające dla bardzo szybkiego sygnału 112G PAM-4.

Wspomniałem powyżej, że nie ma analitycznych rozwiązań problemu projektowania przejścia przez przelotki, więc nie istnieją zamknięte modele, które działałyby w zakresach częstotliwości, gdzie impedancja przelotek ma rzeczywiste znaczenie. To jest powód, dla którego każdy kalkulator impedancji przelotek, który widziałem, daje nieprawidłowe wyniki i nie jest użyteczny w rzeczywistych sytuacjach. Omówiłem ten problem w innym artykule; dlatego też będziesz potrzebować jakiejś aplikacji takiej jak CST czy Simbeor do projektowania połączeń z płaską impedancją w pożądanym paśmie sygnału.

Czy istnieje maksymalna częstotliwość przejścia przez przelotkę montażową?

Jakie maksymalne pasmo możesz oczekiwać w tych projektach? Wartość będzie gdzieś poniżej ~100 GHz dla sygnałów RF, a płaska impedancja może być projektowana do ~50 GHz dla sygnałów cyfrowych.

Głównym czynnikiem ograniczającym pasmo/częstotliwość, którą można przepuścić przez przejście przez via, jest technologia produkcji używana do budowy tego przejścia. Wynika to z faktu, że rozmiar wiercenia i odstępy między via będą ograniczone. Aby zbudować przejścia warstwowe poza ~90 GHz, potrzebna jest inna technologia produkcji.

Z tym powiedzianym, ograniczenia w obecnej technologii produkcji przez trawienie i wiercenie nadal umożliwiają działanie przejść przez via w paśmie mmWave. W mojej firmie zaprojektowaliśmy przejścia przez via na 77 GHz dla projektów radarowych. Na tych częstotliwościach większość projektów skupia się na użyciu ślepego via do wykonania przejścia między warstwami, ale przez-wierty są naprawdę bardzo ważne w obszarach takich jak gęste hybrydowe radary z formowaniem wiązki MIMO oraz w antenach 5G działających w paśmach mmWave. Pokazałem to w mojej ostatniej prezentacji na EDICON.

Ryzyko tutaj polega na tym, że może dojść do nadmiernego wycieku sygnału z tablicy via, co wskazuje limit częstotliwości lokalizacji (na zielono).

Świat RF wykonał wiele pracy, aby stworzyć precyzyjne projekty przejść między warstwami, które mogą działać dobrze w zakresie GHz, nie opierając się na przelotowych otworach. Pomogło to przezwyciężyć ograniczenie ~90 GHz, znajdowane w szerokopasmowych lądowiskach złączy z komponentów BGA oraz typach wąskopasmowych przejść pokazanych powyżej. Niektóre z alternatywnych typów przejść sygnałów, które mogą obejmować część lub całość stosu warstw PCB w zakresie mmWave, obejmują sprzężenie przez otwór oraz stopniowe sprzężenie przez ślepe/zakopane przelotki.

Niestety, wszystkie te rozwiązania są wąskopasmowe, co oznacza, że nie można przez te przejścia przelotek przesłać sygnału o wysokiej prędkości. Zacznie się tracić moc w średnich częstotliwościach, co można wyraźnie zobaczyć w pomiarach strat zwrotnych na przejściu sygnału. Projektowałem przejścia przelotek dla różnicowych kanałów SerDes, które bardzo wyraźnie zapewniają wystarczającą przepustowość dla przejścia przez otwór, które może obsługiwać pasmo 56 GHz (jest to częstotliwość Nyquista dla 224 Gbps strumieni bitowych PAM-4) na substratach Megtron.

W projektach, które realizowałem w tych obszarach, nie mieliśmy wyboru i musieliśmy używać przelotek, ponieważ na jednej warstwie powierzchniowej umieszczaliśmy łatki, a na drugiej warstwie transceivery. Jednakże, aby zaprojektować i określić te przejścia, potrzebny jest solver pola elektromagnetycznego, czytelny rysunek wykonawczy i oczywiście najlepsze w branży narzędzia CAD.

Podsumowanie

Podsumowując, opracowałem poniższą tabelę, która wskazuje, kiedy potrzebna jest tablica przelotek, kiedy wystarczy pojedyncza przelotka zwrotna, a kiedy nie są potrzebne żadne przelotki dla przejść sygnału przez wiele warstw.

Gdy będziesz gotowy, aby stworzyć układ warstw PCB i layout, który wspiera szybkie/wysokoczęstotliwościowe przejścia warstw przez przelotki, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania produktów w Altium Designer®. Funkcje CAD w Altium Designer umożliwiają realizację wszystkich aspektów projektowania systemów i produktów, począwszy od pakowania i układu PCB, aż po projektowanie wiązek i kabli. Gdy skończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.