Como Projetar Transições de Vias de Alta Velocidade e RF

Às vezes, existe uma diretriz de design em projetos de PCB de alta velocidade que afirma que vias devem ser evitadas em trilhas de sinal, tanto para sinais de terminação única quanto para pares diferenciais. Isso não é totalmente incorreto, mas requer um pouco de contexto. Quando as larguras de banda do sinal são muito amplas, alcançando a faixa de GHz, a transição pela via deve ser cuidadosamente projetada para fornecer baixa perda de retorno na entrada da via. Além disso, ao considerar o roteamento de entrada/saída da via, o posicionamento da via não deve modificar a perda de inserção do canal equivalente sem a via.

Neste artigo, vou delinear alguns dos principais conceitos necessários para entender como projetar essas transições de via para que os sinais possam ser roteados entre camadas em um PCB. Transições de via são sobre projetar para a impedância, bem como garantir a fabricabilidade para a estrutura de via que você cria. Os conceitos delineados aqui devem ajudá-lo a entender como trabalhar com ferramentas de design mais avançadas para construir transições de camadas com vias de costura.

Manufatura de Transição de Via, Antipads e Vias de Costura

Acho que o primeiro passo ao projetar uma transição de via é entender a estrutura que você precisa fabricar. A ferramenta principal usada para projetar corretamente transições de camadas para vias de alta velocidade e vias de RF é a utilização de vias de costura. O design de uma transição de via de RF/alta velocidade requer a colocação precisa de vias de costura ao redor de uma via de sinal de tal forma que o 

• Tamanho da via - O diâmetro do furo da via será sempre limitado pelas capacidades de perfuração da casa de fabricação. Não há um requisito estrito sobre o tamanho da via necessário para um sinal ou frequência específicos.
• Tamanho do antipad - No design de alta velocidade e no design de PCB de RF, a transição da via precisará passar por pelo menos uma camada de plano, e o antipad no plano precisa ser dimensionado corretamente, pois ajuda a determinar a impedância.
• Espaçamento entre vias - Haverá algum limite para o espaçamento de parede a parede entre as vias que podem ser fabricadas.
• Tamanho do pad - O limite no tamanho do pad determinará. Além disso, observe os requisitos de anel anular em produtos de Classe 2 ou Classe 3.
• Backdrilling - A discussão a seguir não considerará especificamente o backdrilling, mas ajuda a determinar se você fará uma transição de camada que requer backdrilling. Aprenda mais sobre como determinar as necessidades de backdrilling aqui.
• Fabricação de alta densidade vs. padrão - Você usará a construção HDI para sua placa e precisa de backdrilling? Se sim, considere usar uma abordagem de alta densidade com vias cegas/enterradas para suas transições de camada.

Para começar a projetar uma transição de via entre duas camadas, certifique-se de determinar as respostas para estas perguntas primeiro. As duas primeiras são mais importantes porque estão relacionadas aos requisitos de DFM para sua placa, e isso então limitará a frequência (ou largura de banda) que você pode transferir de forma confiável através de uma transição de via.

Como Projetar Transições de Via

Todas as transições de via são sobre projetar a impedância da via para ter o valor requerido dentro da sua largura de banda de sinal necessária. Isso é feito dimensionando os seguintes aspectos físicos da sua placa:

• Número de vias de costura
• Arranjo das vias de costura
• Tamanho do pad e tamanho do antipad
• Inclusão ouremoção de NFPs

Alguns dos principais objetivos de integridade de sinal para esses designs de transição via são mostrados na tabela abaixo. Note que mencionei que a perda de inserção é um fator importante. Geralmente, a perda de inserção não é apenas o principal objetivo de design para a estrutura da via, mas a interação entre o roteamento de entrada/saída da estrutura da via e o design da própria estrutura da via pode criar um forte aumento na perda de inserção que limita a largura de banda de todo o canal.

Infelizmente, não existe um conjunto analítico de equações para este problema que seja generalizável para qualquer quantidade de camadas ou estrutura de via de costura. A geometria e as condições de contorno apenas tornam o problema complexo demais de modo que é analiticamente intratável. Além disso, devido à geometria cilíndrica dos arranjos de vias, o problema envolve relações com funções cilíndricas de Bessel e Neumann, e tenho certeza de que nenhum engenheiro quer gastar seu tempo derivando essas relações à mão.

Portanto, temos que usar algumas ferramentas conceituais para definir o espaçamento das vias de costura ao redor da via de sinal (ou par de vias para um canal diferencial). Vamos olhar alguns casos:

Abaixo de 3 GHz: Preocupe-se com o Caminho de Retorno

Abaixo de cerca de 3 GHz, a impedância de entrada da transição da via tipicamente desviará significativamente de 50 Ohms, desde que haja uma via de retorno à terra próxima. Portanto, a menos que você esteja operando com canais muito rápidos, não se preocupe em colocar uma estrutura específica de via de costura para dentro/fora de uma transição de via. Um tamanho de antipad típico será pelo menos tão grande quanto o tamanho do pad de aterrissagem. Desde que haja uma via de retorno em algum lugar por perto, você manterá um laço de corrente suficientemente apertado para reduzir EMI/suscetibilidade. Eu discuti isso no meu outro artigo sobre vias de costura.

A razão para isso é que a impedância de entrada é o que importa, e a impedância de entrada na transição da via parecerá com a impedância do traço (ou seja, a via é eletricamente curta). O mesmo se aplica a pares diferenciais. As transições de via começam a realmente importar acima de 5 GHz.

Acima de 3-5 GHz

Eu já declarei (e mostrado com cálculos/simulações) muitas vezes que a impedância da via não importa até que as larguras de banda do sinal excedam 3 a 5 GHz. Se você apenas tiver uma transição de via sem vias de costura, a impedância da transição parecerá indutiva e aumentará até cerca de 3-4x a impedância característica da transição da via até cerca de 30 GHz. Acima dessa faixa de frequência, a capacitância assume o controle, e a impedância da via começa a cair novamente até ~50 GHz.

Colocar algumas vias de costura como mostrado abaixo e reduzir o tamanho do antipad reduzirá o aumento da impedância da faixa de 5 a 50 GHz. Isso ocorre porque as vias e o antipad determinam a capacitância vista em paralelo às vias de sinal, o que reduz a impedância característica da via e, portanto, a impedância de entrada. Quando as vias e o limite do antipad são movidos para mais perto, a diminuição da impedância será maior e se aproximará mais do alvo de impedância (seja de terminação única ou diferencial).

Para pares diferenciais, o antipad dominará os efeitos na impedância de entrada, enquanto canais de terminação única têm sensibilidade semelhante tanto ao tamanho do antipad quanto à disposição das vias.

Se você aproximar demais as vias e/ou o antipad, você terá adicionado muita capacitância, e então a impedância de entrada cairá abaixo do seu alvo na faixa de 5-50 GHz. Com o arranjo certo de vias, você pode atingir a impedância alvo e manter a impedância de entrada quase plana até 40-50 GHz, o que é suficiente para a sinalização muito rápida de 112G PAM-4.

Mencionei acima que não existem soluções analíticas para o problema de transição de via, então não há modelos de forma fechada que funcionarão nas faixas de frequência onde a impedância da via realmente importa. Esta é a razão pela qual todo calculador de impedância de via que eu vi produz resultados incorretos e não é útil em situações reais. Eu discuti esse problema em outro artigo; é também por isso que você precisará de alguma aplicação como CST ou Simbeor para projetar interconexões com impedância plana dentro da largura de banda de sinal desejada.

Existe uma Frequência Máxima de Transição para Via Passante?

Que tipo de largura de banda máxima você pode esperar nesses designs? O valor será em algum lugar abaixo de ~100 GHz para sinais de RF, e a impedância plana pode ser projetada até ~50 GHz para sinais digitais.

O principal fator que limita a largura de banda/frequência que pode ser transmitida através de uma transição via é a tecnologia de fabricação usada para construir a transição via. Isso ocorre porque o tamanho da broca e o espaçamento entre vias de costura serão limitados. Para construir transições de camadas além de ~90 GHz, precisamos de uma tecnologia de fabricação diferente.

Com isso dito, os limites na tecnologia de fabricação atual de gravação e perfuração subtrativa ainda permitem transições via de furo passante operando bem dentro das bandas mmWave. Na minha empresa, projetamos transições via a 77 GHz para designs de radar. Nessas frequências, a maioria dos designs foca no uso de uma via cega para fazer uma transição de camada, mas os furos passantes são na verdade muito importantes em áreas como radar MIMO formado por feixe híbrido denso e em arrays de antenas 5G operando em bandas mmWave. Eu mostrei isso em minha recente apresentação na EDICON.

O risco aqui é que pode haver um vazamento excessivo do sinal do arranjo de vias, o que é indicado pelo limite de frequência de localização (em verde).

O mundo RF realizou um grande trabalho para criar designs de transição de camadas precisos que podem operar bem na faixa de GHz, que não são baseados em vias passantes. Isso ajudou a superar o limite de ~90 GHz encontrado em terras de conectores de banda larga de componentes BGA e os tipos de transições de banda estreita mostrados acima. Alguns dos tipos alternativos de transições de sinal que podem abranger parte ou toda uma pilha de camadas de PCB na faixa de mmWave incluem acoplamento por abertura e acoplamento via cega/enterrada escalonada.

Infelizmente, todas essas são de banda estreita, o que significa que você não pode transmitir um sinal de alta velocidade através dessas transições via. Você começará a perder potência em frequências médias, algo que pode ser claramente visto nas medições de perda de retorno na transição de sinal. Eu fiz designs de transição via para canais SerDes diferenciais que claramente fornecem largura de banda suficiente para uma transição passante que pode suportar larguras de banda de 56 GHz (esta é a frequência de Nyquist para bitstreams PAM-4 de 224 Gbps) em substratos Megtron.

Nos designs que realizei nessas áreas, não temos escolha a não ser usar vias passantes porque temos patches compactados em uma camada superficial, com transceptores compactados na outra camada superficial. No entanto, para projetar e especificar essas transições, você precisa de um solucionador de campo eletromagnético, um desenho de fabricação claro e, claro, você precisará das melhores ferramentas CAD da indústria.

Resumo

Em resumo, desenvolvi a seguinte tabela que lista quando um arranjo de vias de costura é necessário, quando apenas uma única via de retorno é necessária e quando nenhuma via é necessária para transições de sinal através de múltiplas camadas.

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