Обратное сверление в дизайне печатных плат: Простой способ улучшения целостности сигнала через переходные отверстия

Создано: 22 Октября, 2020
Обновлено: 23 Октября, 2020

За последние 20 лет электронные устройства стали значительно сложнее. Меньше двух десятилетий назад наличие мобильного телефона для совершения звонков было редкостью; сегодня наши телефоны управляют нашей жизнью. Чтобы удовлетворить растущий спрос на технологии смартфонов, технологии стали быстрее, функциональнее и интуитивно понятнее. Улучшения в компонентной базе оптимизировали процессы и снизили производственные затраты.

Смартфоны используют сигналы более высокой частоты, что приводит к увеличению скорости обработки и уменьшению времени нарастания и спада сигналов. Инженерам пришлось адаптироваться к новым вызовам, вызванным зависимостью от спектров более высоких частот.

Конструкторы печатных плат, создающие платы для этих устройств, сталкиваются с новыми вызовами по мере развития технологий. Им пришлось выйти за рамки простого соединения выходов компонентов на печатных платах согласно схемам, чтобы гарантировать, что пути распространения сигналов сохраняют целостность и что потери сигнала минимизированы. Чтобы удовлетворить этим потребностям, конструкторам необходимо тщательно выбирать материалы для создания плат, а также рассчитывать и проверять импеданс.

Если скорость передачи данных достигает нескольких гигабит в секунду (Гб/с), конструктор должен полностью исключить или минимизировать неоднородность, которая может возникнуть на пути сигнала. Любая неоднородность может значительно изменить форму волны, целостность сигнала и повлиять на функциональность устройства. Это особенно актуально для сигналов, проходящих через переходные отверстия (виас), особенно когда часть виаса остается неиспользованной. Эта часть является неоднородной и оказывает негативное воздействие на сигнал, как показано ниже (Рис.1).

Рис. 1. Сигнал проходит через виас. Часть виаса между 4-м и 6-м слоями не используется и создает "хвост".

Некоторые исследования [1] показали сильное влияние неиспользуемой части виаса на качество высокоскоростного сигнала (Рис. 2).

Рис. 2. Влияние "хвоста" виаса на качество высокоскоростного сигнала. Более длинный "хвост" слева иллюстрирует значительные искажения, которые нарушают целостность сигнала. Фото предоставлено [1].

Множественные отражения от неоднородностей искажают формы, поэтому конструкторам приходится согласовывать импеданс передающих линий. В некоторых случаях это может быть выполнено в виде модификаций после изготовления печатной платы. Существуют различные способы согласования импеданса, такие как последовательное завершение с одним входным резистором, параллельное согласование с выходным резистором, согласование с помощью делителя напряжения и многие другие методы.

Методы завершения требуют использования дополнительных компонентов, что иногда сложно реализовать, особенно на плотных печатных платах. Чтобы уменьшить количество переходных отверстий, конструкторы стараются обеспечить передачу высокоскоростных сигналов в одном слое. Но с увеличением плотности сборки печатных плат и стремлением конструкторов уменьшить размеры устройств, этот подход может быть затруднителен.

Altium Designer может помочь инженеру улучшить качество высокоскоростных сигналов довольно простым способом; один из таких методов называется технологией обратного сверления. Неиспользуемая часть металлизационного отверстия сверлится с большим диаметром на определенную глубину. В приведенном ниже примере конструктор должен исключить неиспользуемую часть с 6 по 4 слоя (Рис.3).

Рис. 3. Медь высверливается с 6 по 4 слоя.

Backdrilling может выполняться с обеих сторон и на разную глубину (Рис. 4).

Рис. 4. Различные методы backdrilling.

При использовании backdrilling конструктор должен помнить, что необходимо соблюдать рекомендуемое производителем печатных плат расстояние от backdrill до компонентов и элементов топологии. Обычно оно немного больше, чем стандартное сквозное отверстие.

Конструкторы могут быть не уверены, как реализовать backdrilling в системах компьютерного проектирования и какие данные должны быть переданы производителю печатных плат. Настройка backdrills в Altium Designer очень проста.

Первым шагом является запуск Менеджера Стека Слоев (LSM) и выбор Back Drills в верхнем правом углу раздела Функции (Рис. 5). С помощью этой простой последовательности действий конструктор активирует функциональность использования этих типов отверстий.

Accessing backdrills in the layer stack manager

Рис. 5. Back Drills в LSM

В Менеджере Стека Слоев (LSM) можно создать любое количество отверстий с backdrilling (Рис. 6).

Рис. 6. Отверстия с backdrilling в LSM.

Настройка сверления корректируется с помощью панели свойств backdrill в LSM (Рис. 7).

Рис. 7. Панель свойств обратного сверления.

Дизайнер указывает Первый слой (начало сверления) и Последний слой (слой, на котором заканчивается сверление). Если флажок зеркального отображения включен, сверление будет симметричным, например, с обеих сторон (Рис. 8).

Рис. 8. Сверление с обеих сторон.

Дизайнеры также должны определить, какие сети будут подвергаться обратному сверлению. Этот процесс реализуется с помощью Правил проектирования. В разделе Высокоскоростные, выберите Максимальная длина оставшегося штыря виа (обратные сверления) и создайте новое правило (Рис. 9).

Рис. 9. Правило для обратных сверлений.

Дизайнер определяет условия операции обратного сверления, назначает, насколько больше должен быть диаметр сверления по отношению к основному отверстию, максимально допустимую длину оставшегося штыря виа и объект, к которому будет применено это правило. Объект может содержать сети, классы сетей и xSignals. Когда условие, указанное в правилах, активируется, обратное сверление добавляется автоматически.

Обратные сверления в 2D режиме на печатной плате будут обозначены следующим образом (Рис. 10):

Рис. 10. Обратное сверление, отображаемое в 2D режиме.

Сквозные отверстия имеют двойную окраску. Один цвет соответствует цвету слоя, с которого начинается сверление; другой - цвету слоя, где сверление заканчивается. Эта индикация позволяет конструктору легко ориентироваться в местоположении сквозного отверстия.

Сквозное сверление также отображается в 3D режиме (Рис. 11):

Рис. 11. Сквозные отверстия, отображенные в 3D режиме.

Информация о сквозном сверлении необходима производителю печатных плат. Эта информация отображается в таблице сверлений как в файле ПП, так и в документе Draftsman, а также в выходных файлах Gerber и файлах NC Drill (для сквозных отверстий генерируется отдельный файл). В качестве примера представлен фрагмент таблицы, полученной в редакторе ПП (Рис. 12).

Рис. 12. Фрагмент таблицы, включающий сквозное сверление.

В приведенном выше примере содержится информация о диаметре отверстия, символе, первом и последнем слоях и другая соответствующая информация. Конструктор также может настроить отображение разделов, как в более типичной таблице сверлений.

Список документов и файлов, необходимых для сквозного сверления, включает в себя специфические пункты:

Файл NC-сверления для обратного сверления
Чертеж печатной платы с отверстиями для обратного сверления
Размещение обратного сверления в структуре печатной платы (первый и последний слои)

В Altium Designer настройка обратного сверления производится легко. Дизайнер может быстро использовать его с помощью простых настроек, эффективно повышая качество высокоскоростного сигнала.