Как спроектировать переходы сквозных отверстий для высокоскоростных и РЧ-сигналов

Иногда в руководствах по проектированию высокоскоростных печатных плат можно встретить указание избегать использование переходных отверстий (виас) на сигнальных трассах, как для однопроводных сигналов, так и для дифференциальных пар. Это утверждение не совсем неверно, но требует определенного контекста. Когда ширина полосы сигнала очень широка и достигает значений в диапазоне ГГц, переход через виа должен быть тщательно спроектирован для обеспечения низкого уровня возвратных потерь на входе виа. Кроме того, при учете маршрутизации входа/выхода через виа, размещение виа не должно изменять потери вставки эквивалентного канала без виа.

В этой статье я изложу некоторые основные концепции, необходимые для понимания того, как проектировать такие переходы через виа, чтобы сигналы могли быть направлены между слоями на печатной плате. Переходы через виа связаны с проектированием по импедансу, а также с обеспечением производственной возможности для создаваемой вами структуры виа. Изложенные здесь концепции должны помочь вам понять, как работать с более продвинутыми инструментами проектирования для создания переходов между слоями с использованием стыковочных виас.

Производство переходов через виа, антипады и стыковочные виас

Я думаю, первое, с чего стоит начать при проектировании перехода через переходное отверстие (via), - это понимание структуры, которую вам нужно изготовить. Основным инструментом, используемым для правильного проектирования переходов слоев для высокоскоростных переходных отверстий и переходных отверстий для РЧ, являются сквозные отверстия для стежков (stitching vias). Проектирование перехода для РЧ/высокоскоростного переходного отверстия требует точного размещения сквозных отверстий для стежков вокруг сигнального переходного отверстия таким образом, чтобы

• Размер переходного отверстия - Диаметр сверления переходного отверстия всегда будет ограничен возможностями сверления производственного предприятия. Нет строгих требований к размеру переходного отверстия, необходимого для конкретного сигнала или частоты.
• Размер антипада - В высокоскоростном дизайне и при проектировании РЧ печатных плат переход через переходное отверстие должен пройти через как минимум один слой плоскости, и антипад в плоскости должен быть правильно размерен, поскольку он помогает определить импеданс.
• Расстояние между переходными отверстиями - Будет некоторый предел для расстояния между стенками переходных отверстий, которое может быть изготовлено.
• Размер площадки - Ограничение на размер площадки определит . Также обратите внимание на требования к кольцевому зазору в продуктах класса 2 или класса 3.
• Backdrilling - Ниже приведенное обсуждение не будет конкретно касаться backdrilling, но это поможет определить, нужно ли вам делать переход между слоями, который требует backdrilling. Узнайте больше о том, как определить необходимость backdrilling здесь.
• Высокая плотность против стандартного изготовления - Будете ли вы использовать HDI-технологию для вашей платы, и вам нужен backdrilling? Если да, то рассмотрите возможность использования подхода высокой плотности с скрытыми/закрытыми переходными отверстиями для переходов между слоями.

Чтобы начать проектирование перехода через переходное отверстие между двумя слоями, сначала убедитесь, что вы нашли ответы на эти вопросы. Первые два наиболее важны, поскольку они связаны с требованиями DFM для вашей платы, и это затем ограничит частоту (или полосу пропускания), которую вы можете надежно передавать через переход через переходное отверстие.

Как спроектировать переходы через переходные отверстия

Все переходы через переходные отверстия связаны с проектированием импеданса переходного отверстия так, чтобы он имел требуемое значение в пределах необходимой полосы пропускания сигнала. Это делается путем выбора следующих физических аспектов вашей платы:

• Количество сквозных переходов
• Расположение сквозных переходов
• Размер площадки и антиплощадки
• Включение илиудаление NFP

Некоторые из основных целей по обеспечению целостности сигнала для этих конструкций переходов через сквозные отверстия показаны в таблице ниже. Обратите внимание, что я упомянул, что потери на вставке являются важным фактором. В целом, потери на вставке не являются первостепенной целью проектирования структуры сквозного отверстия, но взаимодействие между маршрутизацией входа/выхода из структуры сквозного отверстия и самой конструкцией сквозного отверстия может создать значительное увеличение потерь на вставке, которое ограничивает пропускную способность всего канала.

К сожалению, не существует аналитического набора уравнений для этой проблемы, который был бы обобщаем на любое количество слоев или структуру сквозных соединений. Геометрия и граничные условия делают проблему слишком сложной для аналитического решения. Кроме того, из-за цилиндрической геометрии массивов сквозных соединений проблема включает в себя отношения с функциями Бесселя и Неймана, и я уверен, что ни один инженер не захочет тратить свое время на вывод этих отношений вручную.

Поэтому нам приходится использовать некоторые концептуальные инструменты для определения расстояния между сквозными соединениями вокруг сигнального сквозного соединения (или пары сквозных соединений для дифференциального канала). Давайте рассмотрим несколько случаев:

Ниже 3 ГГц: Беспокойтесь о пути возврата

Ниже 3 ГГц входное сопротивление перехода через переходное отверстие (via) обычно будет значительно отличаться от 50 Ом, если рядом есть заземляющее переходное отверстие. Поэтому, если вы работаете не с очень быстрыми каналами, не беспокойтесь о размещении конкретной структуры сквозного соединения в/из перехода через via. Типичный размер антипада будет по крайней мере таким же большим, как размер посадочного места. До тех пор, пока где-то поблизости есть возвратное переходное отверстие, вы сохраните достаточно плотный токовый контур для уменьшения электромагнитных помех/чувствительности. Я обсуждал это в моей другой статье о сквозных соединениях.

Причина этого в том, что важно входное сопротивление, и входное сопротивление на переходе через via будет выглядеть как сопротивление трассы (то есть, via электрически короткое). То же самое относится к дифференциальным парам. Переходы через via начинают действительно иметь значение выше 5 ГГц.

Выше 3-5 ГГц

Я неоднократно утверждал (и демонстрировал с помощью расчетов/симуляций), что импеданс переходного отверстия (via) не имеет значения до тех пор, пока полоса пропускания сигнала не превысит 3-5 ГГц. Если у вас есть только переход через via без дополнительных соединительных отверстий (stitching vias), импеданс перехода будет выглядеть индуктивным и будет увеличиваться примерно в 3-4 раза по сравнению с характеристическим импедансом перехода до примерно 30 ГГц. Выше этого диапазона частот емкость начинает преобладать, и импеданс via начинает снова снижаться до ~50 ГГц.

Размещение некоторых соединительных отверстий, как показано ниже, и уменьшение размера антипада снизит рост импеданса в диапазоне от 5 до 50 ГГц. Это связано с тем, что отверстия и антипад определяют емкость, видимую параллельно сигнальным отверстиям, что снижает характеристический импеданс via и, следовательно, входной импеданс. Когда границы отверстий и антипада перемещаются ближе, уменьшение импеданса будет больше и будет ближе к целевому импедансу (либо однопроводному, либо дифференциальному).

Для дифференциальных пар антипад будет доминировать в эффектах на входной импеданс, в то время как однопроводные каналы имеют аналогичную чувствительность как к размеру антипада, так и к расположению via.

Если вы разместите переходные отверстия (vias) и/или антипады слишком близко, вы добавите слишком много емкости, и тогда входное сопротивление упадет ниже вашей цели в диапазоне 5-50 ГГц. С правильным расположением переходных отверстий вы можете достичь целевого сопротивления и поддерживать практически постоянное входное сопротивление до 40-50 ГГц, что достаточно для очень быстрой передачи сигналов 112G PAM-4.

Как я упоминал выше, для проблемы дизайна перехода через отверстия нет аналитических решений, поэтому не существует закрытых формульных моделей, которые работали бы в диапазонах частот, где импеданс переходных отверстий действительно имеет значение. Это причина, по которой каждый калькулятор импеданса переходных отверстий, который я видел, дает неверные результаты и не полезен в реальных ситуациях. Я обсуждал эту проблему в другой статье; это также объясняет, почему вам понадобится какое-либо приложение вроде CST или Simbeor для проектирования соединений с постоянным импедансом в желаемой полосе пропускания сигнала.

Существует ли максимальная частота для перехода через отверстие?

Какую максимальную полосу пропускания можно ожидать в этих конструкциях? Значение будет где-то ниже ~100 ГГц для РЧ сигналов, и постоянный импеданс может быть спроектирован до ~50 ГГц для цифровых сигналов.

Основным фактором, ограничивающим полосу пропускания/частоту, которую можно передать через переход через переходное отверстие (via), является технология изготовления, используемая для создания этого перехода. Это связано с тем, что размер сверления и расстояние между сквозными отверстиями будут ограничены. Для создания переходов между слоями на частотах выше ~90 ГГц необходима другая технология изготовления.

С учетом сказанного, ограничения в текущей технологии вычитания и сверления все еще позволяют использовать переходы через сквозные отверстия, работающие вплоть до миллиметровых волн. В моей компании мы разрабатывали переходы через сквозные отверстия на частоте 77 ГГц для радиолокационных систем. На этих частотах большинство проектов сосредотачиваются на использовании слепых отверстий для перехода между слоями, но сквозные отверстия на самом деле очень важны в таких областях, как плотные гибридные формирователи луча MIMO радаров и в антенных решетках 5G, работающих в миллиметровом диапазоне волн. Я показал это в моем недавнем выступлении на EDICON.

Здесь риск заключается в том, что может произойти чрезмерная утечка сигнала из массива переходных отверстий, что обозначается пределом локализации частоты (на зеленом).

Мир РЧ-технологий проделал большую работу, чтобы создать точные конструкции переходов между слоями, которые могут работать в диапазоне ГГц, не используя сквозные металлизированные отверстия. Это помогло преодолеть предел в ~90 ГГц, обнаруженный на широкополосных площадках соединителей от компонентов BGA и типов узкополосных переходов, показанных выше. Некоторые из альтернативных типов переходов сигналов, которые могут охватывать часть или всю стопку слоев печатной платы в диапазоне миллиметровых волн, включают в себя связь через апертуру и связь через ступенчатые слепые/закрытые металлизированные отверстия.

К сожалению, все эти переходы узкополосные, что означает, что вы не можете передать через них высокоскоростной сигнал. Вы начнете терять мощность на средних частотах, что можно четко увидеть по измерениям потерь на обратном ходе сигнала при переходе. Я разрабатывал конструкции переходов для дифференциальных каналов SerDes, которые очень четко обеспечивают достаточную полосу пропускания для сквозного перехода, который может поддерживать полосу пропускания 56 ГГц (это частота Найквиста для 224 Гбит/с PAM-4 потоков данных) на подложках Megtron.

В проектах, над которыми я работал в этих областях, у нас не было выбора, кроме как использовать сквозные отверстия, поскольку на одном слое поверхности у нас размещены патчи, а на другом - приемопередатчики. Однако для проектирования и определения этих переходов вам понадобится решатель электромагнитного поля, четкий чертеж изготовления и, конечно, лучшие в отрасли инструменты CAD.

Резюме

В итоге я разработал следующую таблицу, которая указывает, когда необходим массив сквозных соединений, когда достаточно одного возвратного сквозного соединения и когда сквозные соединения не нужны для переходов сигналов через несколько слоев.

Когда вы готовы создать стек и компоновку печатной платы, поддерживающие высокоскоростные/высокочастотные переходы слоев через переходные отверстия (виас), используйте полный набор инструментов для проектирования продуктов в Altium Designer. Функции САПР в Altium Designer позволяют охватить все аспекты системного и продуктового дизайна, начиная от упаковки и компоновки печатной платы, и заканчивая проектированием кабелей и проводников. Когда вы закончите свой проект и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упростит сотрудничество и обмен проектами.

Мы лишь затронули поверхность возможностей, которые открывает Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.