Diâmetro do Antipad, Diafonia e os Resultados da IBM do IPC APEX EXPO 2021

Hoje em dia, você provavelmente não pensa na IBM como uma força importante na indústria de PCB. A IBM fez um grande avanço para a nuvem e não recebeu muito amor da indústria eletrônica. No entanto, a empresa conhecida por seus mainframes, servidores, Watson e capacidades de IA está fazendo ondas na comunidade de design de alta velocidade com seus resultados recentes apresentados na IPC APEX 2021.

O artigo apresentado por uma equipe de três pesquisadores da IBM examina maneiras de reduzir o crosstalk entre camadas em designs de alta densidade com vias PTH retrofuradas. O artigo é bastante interessante, pois examinou dois aspectos do design de vias PTH retrofuradas que alguém pode não ligar intuitivamente à redução do crosstalk. No entanto, em design de alta densidade com espaçamento muito baixo entre interconexões de alta velocidade, temos que olhar praticamente em todos os lugares para tentar reduzir problemas de integridade de sinal, incluindo crosstalk.

Os resultados são muito interessantes quando olhamos para os antipads e seus efeitos na integridade do sinal. Com isso em mente, vamos olhar para esses resultados interessantes e explorar como eles podem afetar suas práticas de design daqui para frente.

O que é Crosstalk entre Camadas?

Antes de entrarmos no cerne do artigo da IBM, é importante definir o crosstalk entre camadas em uma PCB de alta velocidade. Você pode estar se perguntando, por que ocorreria crosstalk entre duas camadas em uma PCB de alta velocidade? Não colocamos normalmente uma camada de terra entre as camadas de sinal em uma PCB de alta velocidade para prevenir qualquer crosstalk entre camadas? Embora seja verdade que as camadas de terra entre as camadas de sinal proporcionem isolamento, às vezes é difícil colocar uma camada de terra entre cada possível par de camadas de sinal. Com designs que possuem um alto número de camadas e que também devem suportar o roteamento denso de sinais de alta velocidade, nem sempre é possível ter o luxo de colocar camadas de terra entre cada camada de sinal.

Então surge o crosstalk entre camadas. Quando trilhas são colocadas em camadas adjacentes, existe o potencial para crosstalk entre as trilhas devido ao acoplamento entre os condutores. Isso inclui crosstalk entre trilhas de impedância controlada acopladas lateralmente em camadas adjacentes. Uma recomendação típica com trilhas de impedância controlada é roteá-las ortogonalmente, pois isso eliminaria o crosstalk indutivo, embora isso nem sempre seja prático em termos de solvabilidade de roteamento.

Acoplamento Lateral-Borda

Pessoalmente, eu evito o roteamento ortogonal em linhas de transmissão e prefiro optar pela separação lateral (acoplamento de borda) ou em camadas diferentes. Em designs de alta densidade, onde você é forçado a usar linhas de transmissão em camadas adjacentes, ocorre o acoplamento lado a lado ou acoplamento de borda-lado entre as trilhas. Isso ocorre em trilhas de sinal único e em pares diferenciais; note que você estará lidando com pares diferenciais em roteamento digital de alta velocidade.

Com pares diferenciais acoplados de borda-lado, há um espaçamento específico entre pares nas camadas adjacentes que produz zero crosstalk intercamadas reverso. Na verdade, a intensidade do crosstalk não é perfeitamente zero, mas você certamente pode reduzir a intensidade do crosstalk para abaixo de -60 dB. Em pares diferenciais, isso ocorre porque o campo do par agressor será perfeitamente paralelo à seção transversal do par vítima, levando a zero crosstalk diferencial intercamadas indutivo crosstalk diferencial, de acordo com a lei de Faraday.

Desalinhamento

Devido às tolerâncias de fabricação, o espaçamento entre seus pares diferenciais não será perfeitamente igual ao valor de design, e haverá algum desalinhamento entre as camadas. Isso é chamado de desregistro e leva a uma pequena quantidade de diafonia ocorrendo no par vítima. Esse desregistro pode ser de até 5 mils, que é um valor investigado no estudo da IBM.

Scott McMorrow da Samtec tem uma excelente apresentação que mostra os efeitos do desalinhamento entre pares diferenciais na diafonia intercamadas. Apresentei um resultado importante de sua apresentação abaixo, pois isso mostra bem como o espaçamento entre pares afeta a diafonia direta.

Os Resultados no Artigo da IBM

Agora podemos entrar no trabalho da IBM sobre diafonia intercamadas. Eles olharam para a diafonia intercamadas de duas dimensões: desregistro de camadas e diâmetros de antipad em vias PTH. Naturalmente esperaríamos que a redução do desregistro tivesse o maior efeito na diafonia intercamadas, mas como se verifica, ajustar o diâmetro do antipad teve um efeito maior na redução da diafonia intercamadas do que reduzir o desregistro.

Sem repetir todos os resultados de seu artigo, vou resumir brevemente os resultados importantes de integridade de sinal:

Diafonia Interlaminares e Confiabilidade vs. Desregistro

Quando a má registro foi reduzida de 5 mil para 3 mil, a força do diafonia entre camadas nas linhas afetadas diminuiu, o que é consistente com os resultados mostrados por McMorrow acima. O que é importante sobre esse resultado é que ele é universal: tolerâncias mais apertadas levam a um menor má registro e menor diafonia em todo o layout da PCB.

O resultado mais surpreendente que a equipe encontrou foi o efeito de uma mudança no diâmetro do antipad no mesmo tipo de diafonia.

Diâmetro do Antipad

Para trilhas que fazem transições de camada sobre vias PTH retrofuradas, descobriu-se que o diâmetro do antipad também afeta a diafonia entre camadas entre interconexões acopladas. O antipad ao redor de uma via passante já é conhecido por modificar os parasitas ao redor da via e da trilha próxima, criando um leve descompasso de impedância que acumula perda. No artigo da IBM, a redução do diâmetro do antipad de 30 mils para 28 mils em uma PTH de diâmetro de 10 mil também produziu uma redução na diafonia entre camadas. Este é um exemplo de uma mudança de design simples que ajudará você a reduzir a diafonia, mas depende de tolerâncias exatas ao redor de uma PTH com retrofuração precisa, algo que nem todos os fabricantes podem ser capazes de acomodar.

Resumo

Os resultados apresentados no artigo da IBM são importantes porque ilustram a ligação entre um problema significativo de integridade de sinal e a tolerância de fabricação em escalas pequenas. À medida que os designs avançados continuam a se tornar mais compactos, mais investigações ajudarão a revelar a influência das tolerâncias de fabricação na integridade de sinal e energia. O crosstalk entre camadas não é um problema novo a ser resolvido. Uma boa revisão e algumas estratégias alternativas de roteamento para reduzir o crosstalk entre camadas em linhas duplas podem ser encontradas no seguinte artigo de 2013:

• Xiao, Kai, Jimmy Hsu, Yuan-Liang Li, Richard Kunze, Yinglei Ren, e Trung-Thu Nguyen. "Gerenciamento de crosstalk entre camadas em linhas duplas diferenciais." No Simpósio Internacional IEEE sobre Compatibilidade Eletromagnética de 2013, pp. 724-729. IEEE, 2013.

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