Диаметр антипада, перекрестные помехи и результаты IBM с выставки IPC APEX EXPO 2021

В наши дни вы, вероятно, не считаете IBM ведущей силой в индустрии печатных плат. IBM активно развивает облачные технологии и не получила особой любви от электронной индустрии. Однако компания, известная своими мэйнфреймами, серверами, Watson и возможностями искусственного интеллекта, создает волны в сообществе высокоскоростного проектирования благодаря своим недавним результатам, представленным на IPC APEX 2021.

Доклад, представленный командой из трех исследователей IBM, рассматривает способы уменьшения межслоевых перекрестных помех в высокоплотных конструкциях с обратно просверленными сквозными отверстиями PTH. Доклад довольно интересен, поскольку он исследует два аспекта дизайна сквозных отверстий PTH с обратным сверлением, которые интуитивно не связывают с уменьшением перекрестных помех. Однако в высокоплотном дизайне с очень малым расстоянием между высокоскоростными соединениями нам приходится искать практически везде способы уменьшения проблем с целостностью сигнала, включая перекрестные помехи.

Их результаты очень интересны, когда мы смотрим на антипады и их влияние на целостность сигнала. Имея это в виду, давайте рассмотрим эти интересные результаты и исследуем, как они могут повлиять на ваши практики проектирования в будущем.

Что такое межслоевые перекрестные помехи?

Перед тем как перейти к сути статьи IBM, важно определить, что такое межслойные перекрестные помехи на высокоскоростной печатной плате. Возможно, вы задаетесь вопросом, почему могут возникать перекрестные помехи между двумя слоями на высокоскоростной печатной плате? Разве мы обычно не размещаем заземляющий слой между слоями сигналов на высокоскоростной печатной плате, чтобы предотвратить любые перекрестные помехи между слоями? Хотя это верно, что заземляющие слои между слоями сигналов обеспечивают изоляцию, иногда бывает сложно разместить заземляющий слой между каждой возможной парой слоев сигналов. С дизайнами, имеющими большое количество слоев, которые также должны поддерживать плотную трассировку высокоскоростных сигналов, у вас не всегда есть возможность размещать заземляющие слои между каждым слоем сигналов.

Вот где возникают межслойные перекрестные помехи. Когда дорожки размещаются на соседних слоях, существует потенциал для перекрестных помех между дорожками из-за связи между проводниками. Это включает в себя перекрестные помехи между дорожками с контролируемым импедансом, расположенными на соседних слоях. Типичная рекомендация для дорожек с контролируемым импедансом - прокладывать их ортогонально, поскольку это устранит индуктивные перекрестные помехи, хотя это не всегда практично с точки зрения возможности трассировки.

Сопряжение сторона-край

Лично я стараюсь избегать ортогональной трассировки на полосковых линиях и предпочитаю разделение либо по бокам (связь по краям), либо на разных слоях. В очень плотных конструкциях, где вам приходится использовать полосковые линии на соседних слоях, возникает связь лицом к лицу или связь лицом к краю между трассами. Это происходит как в одиночных трассах, так и в дифференциальных парах; обратите внимание, что вы будете иметь дело с дифференциальными парами при трассировке высокоскоростных цифровых сигналов.

У дифференциальных пар с связью лицом к краю существует определенный шаг между парами на соседних слоях, который обеспечивает нулевую обратную межслоевую перекрестную помеху. На самом деле сила помех не идеально равна нулю, но вы определенно можете снизить силу помех ниже -60 дБ. В дифференциальных парах это происходит потому, что поле от агрессивной пары будет идеально параллельно сечению пострадавшей пары, что приводит к нулевой индуктивной межслоевой дифференциальной перекрестной помехе, согласно закону Фарадея.

Несоосность

Из-за допусков производства расстояние между вашими дифференциальными парами не будет идеально равным значению проекта, и будет некоторое несоответствие между слоями. Это называется смещением регистрации и приводит к небольшому количеству перекрестных помех в пострадавшей паре. Это смещение может достигать 5 милов, что является одним из значений, исследованных в исследовании IBM.

Скотт Макморроу из Samtec имеет отличную презентацию, которая показывает эффекты несоответствия между дифференциальными парами на перекрестные помехи между слоями. Я представил важный результат из его презентации ниже, так как это хорошо показывает, как расстояние между парами влияет на прямые перекрестные помехи.

Результаты в работе IBM

Теперь мы можем перейти к работе IBM по перекрестным помехам между слоями. Они рассматривали перекрестные помехи между слоями с двух точек зрения: смещение слоев и диаметры антипадов на сквозных отверстиях PTH. Мы бы естественно ожидали, что уменьшение смещения регистрации окажет наибольшее влияние на перекрестные помехи между слоями, но как оказалось, корректировка диаметра антипада имела большее влияние на уменьшение перекрестных помех, чем уменьшение смещения регистрации.

Не повторяя все результаты из их работы, я кратко резюмирую важные результаты по целостности сигнала:

Перекрестные помехи и надежность против смещения регистрации

Когда смещение слоев было снижено с 5 мил до 3 мил, сила перекрестных помех на пострадавших линиях уменьшилась, что соответствует результатам McMorrow, показанным выше. Важным в этом результате является его универсальность: более строгие допуски приводят к меньшему смещению слоев и снижению перекрестных помех по всей плате.

Более неожиданным результатом, который обнаружила команда, было влияние изменения диаметра антипада на тот же тип перекрестных помех.

Диаметр антипада

Для дорожек, переходящих между слоями через сквозные отверстия с обратным сверлением (PTH), было обнаружено, что диаметр антипада также влияет на перекрестные помехи между связанными соединениями. Антипад вокруг сквозного отверстия уже известен тем, что изменяет паразитные характеристики вокруг отверстия и близлежащей дорожки, создавая небольшое несоответствие импеданса, которое накапливает потери. В статье IBM было показано, что уменьшение диаметра антипада с 30 мил до 28 мил при диаметре PTH 10 мил также приводит к снижению перекрестных помех между слоями. Это один из примеров простого изменения в дизайне, которое поможет вам снизить перекрестные помехи, но оно требует точных допусков вокруг PTH с точным обратным сверлением, что не все производители могут обеспечить.

Итог

Результаты, представленные в статье IBM, важны, поскольку они демонстрируют связь между значимой проблемой целостности сигнала и допусками производства на малых масштабах. По мере того как передовые проекты становятся всё более компактными, дополнительные исследования помогут раскрыть влияние допусков производства на целостность сигнала и питания. Взаимное влияние между слоями не является новой проблемой для решения. Хороший обзор и некоторые альтернативные стратегии трассировки для снижения взаимного влияния между слоями в двойных стриплиниях можно найти в следующей статье 2013 года:

• Сяо, Кай, Джимми Хсу, Юань-Лян Ли, Ричард Кунце, Инглей Рен, и Трунг-Тху Нгуен. "Управление взаимным влиянием между слоями в дифференциальных двойных стриплиниях." На Международном симпозиуме IEEE по электромагнитной совместимости 2013 года, стр. 724-729. IEEE, 2013.

Здесь, в Altium, наша цель - держать вас в курсе последних разработок в области проектирования межсоединений, включая аспекты, такие как антипады, взаимное влияние и целостность сигнала в высокоскоростных конструкциях. Поскольку электронная промышленность продолжает сдвигать границы упаковки электроники, у вас будут все необходимые инструменты для создания конструкций высочайшего качества с помощью Altium Designer® и платформы Altium 365™. Продолжайте следить за блогом для получения дополнительных обновлений по инженерии и технологиям.