Cách Thiết kế Chuyển đổi Via Tốc độ Cao & RF

Đôi khi có một hướng dẫn thiết kế được thấy trong thiết kế PCB tốc độ cao cho rằng nên tránh việc sử dụng via trên các đường tín hiệu, cả cho tín hiệu đơn và cặp tín hiệu vi sai. Điều này không hoàn toàn sai, nhưng nó đòi hỏi một chút ngữ cảnh. Khi băng thông tín hiệu rất rộng, vươn xa vào phạm vi GHz, sự chuyển tiếp qua via phải được thiết kế cẩn thận để cung cấp tổn thất hoàn trả thấp tại đầu vào của via. Ngoài ra, khi xem xét việc định tuyến vào/ra khỏi via, vị trí đặt via không nên thay đổi tổn thất chèn của kênh tương đương mà không có via.

Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày một số khái niệm chính cần hiểu để thiết kế các sự chuyển tiếp qua via sao cho tín hiệu có thể được định tuyến giữa các lớp trong một PCB. Sự chuyển tiếp qua via liên quan đến việc thiết kế theo trở kháng, cũng như đảm bảo khả năng sản xuất cho cấu trúc via bạn tạo ra. Những khái niệm được trình bày ở đây sẽ giúp bạn hiểu cách làm việc với các công cụ thiết kế tiên tiến hơn để xây dựng các sự chuyển tiếp giữa các lớp với việc sử dụng via ghép.

Sản Xuất Chuyển Tiếp Via, Antipads, và Via Ghép

Tôi nghĩ điểm khởi đầu khi thiết kế một sự chuyển tiếp qua via là hiểu rõ cấu trúc mà bạn cần sản xuất. Công cụ chính được sử dụng để thiết kế chính xác các chuyển tiếp lớp cho các via tốc độ cao và via RF là các via ghép nối. Việc thiết kế một sự chuyển tiếp via RF/tốc độ cao đòi hỏi việc đặt chính xác các via ghép nối xung quanh một via tín hiệu sao cho 

• Kích thước Via - Đường kính khoan của via luôn bị giới hạn bởi khả năng khoan của nhà sản xuất. Không có yêu cầu nghiêm ngặt nào về kích thước via cần thiết cho một tín hiệu hoặc tần số cụ thể.
• Kích thước Antipad - Trong thiết kế tốc độ cao và trong thiết kế PCB RF, sự chuyển tiếp via sẽ cần phải đi qua ít nhất một lớp mặt phẳng, và antipad trong mặt phẳng cần được kích thước chính xác vì nó giúp xác định trở kháng.
• Khoảng cách giữa các via - Sẽ có một số giới hạn về khoảng cách từ tường này sang tường kia giữa các via có thể được sản xuất.
• Kích thước pad - Giới hạn về kích thước pad sẽ xác định. Cũng lưu ý về yêu cầu vòng tròn ngoại vi trong các sản phẩm Lớp 2 hoặc Lớp 3.
• Backdrilling - Cuộc thảo luận dưới đây sẽ không xem xét cụ thể về backdrilling, nhưng nó giúp xác định liệu bạn có thực hiện chuyển đổi lớp yêu cầu backdrilling hay không. Tìm hiểu thêm về việc xác định nhu cầu backdrilling tại đây.
• Chế tạo mật độ cao so với chế tạo tiêu chuẩn - Bạn có sử dụng HDI buildup cho bảng mạch của mình và bạn cần backdrilling không? Nếu có, hãy xem xét sử dụng phương pháp mật độ cao với vias mù/chôn cho chuyển đổi lớp của bạn.

Để bắt đầu thiết kế chuyển đổi via giữa hai lớp, hãy chắc chắn rằng bạn xác định câu trả lời cho những câu hỏi này trước. Hai câu đầu tiên là quan trọng nhất vì chúng liên quan đến yêu cầu DFM cho bảng mạch của bạn, và điều này sau đó sẽ giới hạn tần số (hoặc băng thông) bạn có thể chuyển giao đáng tin cậy qua một chuyển đổi via.

Cách Thiết Kế Chuyển Đổi Via

Tất cả chuyển đổi via đều về việc thiết kế trở kháng via để có giá trị yêu cầu trong băng thông tín hiệu yêu cầu của bạn. Điều này được thực hiện bằng cách kích thước các khía cạnh vật lý sau của bảng mạch của bạn:

• Số lượng via ghép nối
• Sắp xếp của via ghép nối
• Kích thước pad và kích thước antipad
• Việc bao gồm hoặcloại bỏ NFPs

Một số mục tiêu chính về tính toàn vẹn tín hiệu cho các thiết kế chuyển đổi via này được hiển thị trong bảng dưới đây. Lưu ý rằng tôi đã đề cập rằng tổn hao chèn là một yếu tố quan trọng. Nói chung, tổn hao chèn không chỉ là mục tiêu thiết kế chính cho cấu trúc via, nhưng sự tương tác giữa việc định tuyến vào/ra khỏi cấu trúc via và thiết kế của chính cấu trúc via có thể tạo ra sự tăng mạnh về tổn hao chèn, giới hạn băng thông của toàn bộ kênh.

Thật không may, không có một bộ phương trình phân tích nào cho vấn đề này có thể áp dụng chung cho bất kỳ số lượng lớp nào hoặc cấu trúc via ghép nối. Hình học và điều kiện biên khiến vấn đề trở nên quá phức tạp đến mức không thể giải quyết một cách phân tích. Ngoài ra, do hình học trụ của mảng via, vấn đề bao gồm mối quan hệ với các hàm Bessel và Neumann hình trụ, và tôi chắc chắn không có kỹ sư nào muốn dành thời gian của mình để suy ra các mối quan hệ này bằng tay.

Do đó, chúng ta phải sử dụng một số công cụ khái niệm để thiết lập khoảng cách via ghép nối xung quanh via tín hiệu (hoặc cặp via cho một kênh vi sai). Hãy xem xét một số trường hợp:

Dưới 3 GHz: Lo lắng về Đường Trở Về

Dưới khoảng 3 GHz, trở kháng đầu vào của chuyển đổi via thường sẽ lệch đáng kể so với 50 Ohm miễn là có một via trả về mặt đất ở gần đó. Do đó, trừ khi bạn đang hoạt động với các kênh cực nhanh, không cần phải lo lắng về việc đặt một cấu trúc via khâu cụ thể vào/ra khỏi chuyển đổi via. Kích thước antipad tiêu biểu sẽ ít nhất bằng kích thước pad hạ cánh. Miễn là có một via trả về ở đâu đó gần đó, bạn sẽ duy trì một vòng lặp dòng điện đủ chặt để giảm EMI/sự nhạy cảm. Tôi đã thảo luận về điều này trong bài viết khác của tôi về việc khâu vias.

Lý do cho điều này là trở kháng đầu vào là điều quan trọng, và trở kháng đầu vào tại chuyển đổi via sẽ giống như trở kháng đường dẫn (nghĩa là, via là điện tử ngắn). Điều tương tự áp dụng cho các cặp vi sai. Các chuyển đổi via bắt đầu thực sự quan trọng ở trên 5 GHz.

Trên 3-5 GHz

Tôi đã nêu (và chứng minh bằng các phép tính/mô phỏng) nhiều lần rằng trở kháng của via không quan trọng cho đến khi băng thông tín hiệu vượt quá 3 đến 5 GHz. Nếu bạn chỉ có một sự chuyển tiếp qua via mà không có vias khâu, trở kháng của sự chuyển tiếp sẽ có vẻ cảm kháng và sẽ tăng lên khoảng 3-4 lần trở kháng đặc trưng của sự chuyển tiếp via cho đến khoảng 30 GHz. Trên phạm vi tần số đó, dung kháng sẽ chiếm ưu thế, và trở kháng của via bắt đầu giảm trở lại cho đến khoảng ~50 GHz.

Đặt một số vias khâu như được hiển thị dưới đây và giảm kích thước antipad sẽ giảm sự tăng trở kháng từ phạm vi 5 đến 50 GHz. Điều này là do các vias và antipad xác định dung kháng được thấy song song với các vias tín hiệu, giảm trở kháng đặc trưng của via và do đó là trở kháng đầu vào. Khi các vias và ranh giới antipad được di chuyển lại gần hơn, sự giảm trở kháng sẽ lớn hơn và sẽ tiến gần hơn đến mục tiêu trở kháng (dù là đơn cuối hay chênh lệch).

Đối với các cặp chênh lệch, antipad sẽ chi phối các ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào, trong khi các kênh đơn cuối có độ nhạy tương tự đối với cả kích thước antipad và sắp xếp via.

Nếu bạn đặt các via và/hoặc antipad quá gần nhau, bạn đã tăng quá nhiều dung lượng, và sau đó trở kháng đầu vào sẽ giảm xuống dưới mục tiêu của bạn trong phạm vi 5-50 GHz. Với sự sắp xếp via vừa đủ, bạn có thể đạt được trở kháng mục tiêu và duy trì trở kháng đầu vào gần như phẳng lên đến 40-50 GHz, đủ cho tín hiệu 112G PAM-4 rất nhanh.

Tôi đã đề cập ở trên rằng không có giải pháp phân tích nào cho vấn đề thiết kế chuyển đổi via, vì vậy không có mô hình dạng đóng nào sẽ hoạt động trong các phạm vi tần số mà trở kháng via thực sự quan trọng. Đây là lý do mà mọi máy tính trở kháng via tôi đã thấy đều cho kết quả không chính xác và không hữu ích trong tình huống thực tế. Tôi đã thảo luận về vấn đề này trong một bài viết khác; đây cũng là lý do bạn sẽ cần một ứng dụng như CST hoặc Simbeor để thiết kế kết nối với trở kháng phẳng trong băng thông tín hiệu mong muốn.

Có Tần số Tối đa cho Chuyển đổi Via Xuyên Lỗ không?

Bạn có thể mong đợi băng thông tối đa nào trong những thiết kế này? Giá trị sẽ ở mức dưới ~100 GHz cho tín hiệu RF, và trở kháng phẳng có thể được thiết kế lên đến ~50 GHz cho tín hiệu số.

Yếu tố chính hạn chế băng thông/tần số bạn có thể truyền qua một chuyển đổi via là công nghệ chế tạo được sử dụng để xây dựng chuyển đổi via. Điều này là bởi vì kích thước khoan và khoảng cách ghép nối via sẽ bị giới hạn. Để xây dựng chuyển đổi lớp vượt qua ~90 GHz, chúng ta cần một công nghệ chế tạo khác.

Với điều đó được nói, giới hạn trong công nghệ chế tạo khắc và khoan hiện tại vẫn cho phép chuyển đổi via xuyên lỗ hoạt động tốt trong các băng tần sóng mm. Tại công ty của tôi, chúng tôi đã thiết kế chuyển đổi via ở 77 GHz cho các thiết kế radar. Tại những tần số này, hầu hết các thiết kế tập trung vào việc sử dụng via mù để tạo chuyển đổi lớp, nhưng via xuyên lỗ thực sự rất quan trọng trong các lĩnh vực như radar MIMO hình thành chùm lai dày đặc và trong mảng ăng ten 5G hoạt động trong các băng tần sóng mm. Tôi đã trình bày điều này trong bài thuyết trình EDICON gần đây của tôi.

Rủi ro ở đây là có thể có sự rò rỉ quá mức của tín hiệu từ mảng via, được chỉ ra bởi giới hạn tần số định vị (màu xanh).

Thế giới RF đã thực hiện nhiều công việc để tạo ra các thiết kế chuyển tiếp lớp chính xác có thể hoạt động tốt trong phạm vi GHz mà không dựa vào vias xuyên lỗ. Những thiết kế này đã giúp vượt qua giới hạn ~90 GHz tìm thấy trong các vùng kết nối rộng băng của các thành phần BGA và các loại chuyển tiếp hẹp băng được hiển thị ở trên. Một số loại chuyển tiếp tín hiệu thay thế có thể bao gồm một phần hoặc toàn bộ một chồng lớp PCB vào phạm vi mmWave bao gồm ghép nối qua lỗ nhỏ và ghép nối via mù/chôn bước.

Thật không may, tất cả những này đều là hẹp băng, nghĩa là bạn không thể truyền tín hiệu tốc độ cao qua những chuyển tiếp via này. Bạn sẽ bắt đầu mất công suất ở các tần số trung bình, điều này có thể được thấy rõ ràng trong các phép đo tổn thất trở lại tại chuyển tiếp tín hiệu. Tôi đã thực hiện các thiết kế chuyển tiếp via cho các kênh SerDes vi sai rõ ràng cung cấp đủ băng thông cho một chuyển tiếp xuyên lỗ có thể hỗ trợ băng thông 56 GHz (đây là tần số Nyquist cho các dòng bit PAM-4 224 Gbps) trên các nền Megtron.

Trong các thiết kế mà tôi đã thực hiện trong những lĩnh vực này, chúng tôi không có sự lựa chọn nào khác ngoài việc sử dụng lỗ thông hồng vì chúng tôi có các bản vá được đóng gói trên một lớp bề mặt, với các bộ thu phát được đóng gói trên lớp bề mặt khác. Tuy nhiên, để thiết kế và chỉ định những sự chuyển tiếp này, bạn cần một trình giải quyết trường điện từ, một bản vẽ chế tạo rõ ràng, và tất nhiên bạn sẽ cần những công cụ CAD tốt nhất của ngành.

Tóm tắt

Tóm lại, tôi đã phát triển bảng sau đây liệt kê khi nào cần một mảng via ghép, khi nào chỉ cần một via trả về duy nhất, và khi nào không cần via nào cho các sự chuyển tiếp tín hiệu qua nhiều lớp.

Khi bạn sẵn sàng để tạo một bố cục và thiết kế PCB hỗ trợ chuyển đổi lớp tốc độ cao/tần số cao qua vias, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế sản phẩm đầy đủ trong Altium Designer. Các tính năng CAD trong Altium Designer cho phép thực hiện mọi khía cạnh của thiết kế hệ thống và sản phẩm, từ đóng gói và bố cục PCB, cho đến thiết kế dây và cáp. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365 giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.