Mit den zunehmenden Anwendungen von groß- und sehr groß integrierten Schaltkreisen im Schaltungssystem zeigen Leiterplatten aufgrund des wachsenden Integrationsgrades der Chips, der Verkleinerung des Volumens, der Zunahme der Pins und der steigenden Geschwindigkeitstaktung einen Entwicklungstrend hin zu mehreren Lagen und größerer Komplexität. Die meisten Hochgeschwindigkeits-mehrlagige LeiterplattenVerbindungen zwischen den Schichten werden durch Durchkontaktierungen (Thru-Hole Vias) implementiert. Bei elektrischen Verbindungen, die jedoch nicht von der Ober- zur Unterseite verlaufen, können redundante Durchkontaktierungs-Stubs entstehen, was die Übertragungsqualität der Leiterplatte stark beeinträchtigen kann. Daher darf bei einigen Hochgeschwindigkeits-Digitalsystemen mit hohen Leistungsanforderungen der Einfluss redundanter Stubs keinesfalls vernachlässigt werden. Um ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung zu erreichen, wurde das Design von Blind- und vergrabenen Vias entwickelt, um den Effekt redundanter Stubs wirksam zu vermeiden und die Übertragungsqualität der Systeme zu erhöhen.
MitBlind- und vergrabene DurchkontaktierungDurch die Auswahl von Designobjekten als Forschungsgegenstand und mittels Modellierungssimulation analysiert dieser Artikel hauptsächlich den Einfluss von Parametern wie den Durchmessern von Blind- und vergrabenen Vias, Pad und Antipad auf Signaleigenschaften wie S-Parameter und Impedanzkontinuität und bietet praktische Anleitungen für das Design von Hochgeschwindigkeits-PCB-Blind- und vergrabenen Vias.
Hauptparameter und Leistungskennzahlen von Blind- und vergrabenen Durchkontaktierungen
Für mehrlagige Leiterplatten (PCBs) mit Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen sind Durchkontaktierungen notwendig, um Hochgeschwindigkeitssignale zwischen den Verbindungsleitungen einer Ebene und den Verbindungsleitungen einer anderen Ebene zu übertragen. Durchkontaktierungen sind tatsächlich elektrische Leiter, die Verbindungen zwischen verschiedenen Ebenen herstellen. Je nach Unterschieden im PCB-Design können Durchkontaktierungen in Durchgangsvia, Blindvia und vergrabene Via unterteilt werden, wie in Abbildung 1 gezeigt.
• Durchkontaktierte Vias, die durch die gesamte Leiterplatte zirkulieren, werden für die Verbindung von Leiterbahnen zwischen den Schichten oder als Positionierungs-Vias für Bauteile verwendet.
• Blind Vias, ohne durch die gesamte Leiterplatte zu verlaufen, sind für die Verbindung zwischen den inneren Schichten der Leiterplatte und der Oberflächenverdrahtung verantwortlich.
• Vergrabene Durchkontaktierungensind nur für die Verbindung zwischen den inneren Schichten der Leiterplatte verantwortlich. Sie sind von außen auf den Leiterplatten nicht direkt sichtbar.
Vias können nicht als elektrische Verbindungen betrachtet werden, und ihr Einfluss auf die Signalintegrität muss berücksichtigt werden. Daher ist ein besseres Verständnis des Einflusses des Aufbaus von Vias auf die Leistung von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen vorteilhaft für eine hervorragende Lösung der Signalintegrität, sodass das Design von Hochgeschwindigkeits-Digitalsystemen optimiert und die Übertragungsqualität von Hochgeschwindigkeitssignalen verbessert werden kann.
In Hochgeschwindigkeits-Schaltungen kann das äquivalente elektrische Modell von Vias wie in Abbildung 2 dargestellt werden, in derC1,C2undLbezieht sich jeweils auf die parasitäre Kapazität und Induktivität von Durchkontaktierungen.
Basierend auf diesem Modell erzeugen alle Vias in Hochgeschwindigkeits-Schaltungen eine parasitäre Kapazität gegen Masse. Die parasitäre Kapazität kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
In dieser Formel entspricht die parasitäre Kapazität der Vias dem Durchmesser des Antipads zur Masse, dem Durchmesser der Pads der Vias, der Dielektrizitätskonstanten des Substratmaterials und der Dicke der Leiterplatte. In Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen bewirkt die parasitäre Kapazität der Vias, dass die Anstiegszeit des Signals langsamer oder abgeschwächt wird und die Schaltungsgeschwindigkeit verringert wird. Für eine Übertragungsleitung mit dem Wellenwiderstand Z0, der Zusammenhang zwischen parasitärer Kapazität und der Anstiegszeit von Signalen kann durch die folgende Formel dargestellt werden.
Wenn Hochgeschwindigkeitssignale durch Vias laufen, entsteht ebenfalls parasitäre Induktivität. In Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ist der Einfluss der parasitären Induktivität von Vias größer als der der parasitären Kapazität. Die parasitäre Induktivität kann nach folgender Formel berechnet werden.
In dieser Formel entspricht die parasitäre Induktivität der Vias der Länge und dem Durchmesser der Vias. Darüber hinaus darf die durch parasitäre Induktivität verursachte äquivalente Impedanz niemals vernachlässigt werden, und die Beziehung zwischen äquivalenter Impedanz, parasitärer Kapazität und Anstiegszeit der Signale kann durch die folgende Formel dargestellt werden.
Basierend auf den oben genannten Formeln ändert sich die elektrische Leistung von Vias mit den Designparametern. Änderungen des Via-Durchmessers, der Länge, des Pads und des Antipads führen zu Impedanzdiskontinuitäten in Hochgeschwindigkeits-Schaltungen, wodurch die Signalintegrität stark beeinflusst wird. Die Analyse der Signaleigenschaften in diesem Artikel basiert auf den S-Parametern.11(Rückflussdämpfung) und S21(Einfügedämpfung). Wenn der Dämpfungsgrad der Einfügedämpfung weniger als -3 dB beträgt, wird die effektive Bandbreite zur Beurteilung und Analyse der Signalübertragungsleistung von Blind- bzw. vergrabenen Durchkontaktierungen herangezogen. Darüber hinaus kann eine TDR-Simulation angewendet werden, um die durch Impedanzdiskontinuität verursachten Reflexionen zu analysieren.
Modellierung, Simulation und Ergebnisanalyse von Blind- und Durchkontaktierungen
Um den Einfluss von blinden/vergrabenen Durchkontaktierungen aufHochgeschwindigkeits-LeiterplatteSignalmerkmale, dieser Artikel entwirft ein 8-lagiges PCB-Modell mit der HFSS-Software, das in Abbildung 3 unten gezeigt ist.
In dieser Leiterplatte sind die Lagen 1 bis 2, 4 bis 5 und 7 bis 8 alles Signallagen; die dritte Lage ist die Versorgungslage; die sechste Lage ist die Masseebene; die Dicke jeder Lage beträgt 0,2 mm (8 mil); das Dielektrikum ist FR4; der Dielektrizitätskoeffizient beträgt 4. Die Leiterbahnbreite der Signalleitungen beträgt 0,1 mm (4 mil), die Dicke 0,13 mm (1,1 mil). In der Simulation ist die Anstiegszeit der Signale auf 20 ps eingestellt und die höchste Sweep-Frequenz auf 100 GHz festgelegt.
• Vergleich des Einflusses von Signalmerkmalen, die sich aus Blind-/vergrabenen Vias und Durchgangsvias ergeben
Wenn eine Signalleitung von der ersten bis zur fünften Schicht geführt werden muss, kann eine Blindbohrung zur Verbindung verwendet werden. Der Radius der Blindbohrung beträgt 0,1 mm (4 mil) und die Länge 0,81 mm (32 mil).
Zum Vergleich wurde auch eine Durchgangsloch-Via-Verbindung mit einem Durchgangsloch-Via-Radius von 0,1 mm entworfen. Unter dieser Bedingung beträgt die Stublänge der Durchgangsloch-Via 0,6 mm.
Basierend auf dem Simulationsergebnis liegt der Rückflussdämpfungsparameter des Blindvias (S) im Frequenzbereich von 40 GHz bis 80 GHz11) beträgt nur 4 dB bis 7 dB. Wenn jedoch die Frequenz im Bereich von 40 GHz bis 80 GHz liegt, beträgt der Rückflussdämpfungsparameter der Durchkontaktierung (S11) beträgt nur 4 dB bis 10 dB. Wenn die Frequenz 76 GHz beträgt, liegt der Parameter des Einfügedämpfungsverlusts des Blindvias (S21) ist der größte. Wenn jedoch die Frequenz 52 GHz beträgt, ist der Parameter des Einfügedämpfungsverlusts des Durchgangslochs (S21) ist der größte. Wenn ein Einfügungsverlust von weniger als -3 dB garantiert wird, beträgt die Betriebsbandbreite der Blinddurchkontaktierung 22 GHz, während die Betriebsbandbreite der Durchgangsdurchkontaktierung nur 15 GHz beträgt.
Bezüglich des Wellenwiderstands liegt die Veränderungskategorie des Wellenwiderstands von Blind Vias im Bereich von 46 bis 52, während die Veränderungskategorie des Wellenwiderstands von Durchkontaktierungen von 42 bis 53 reicht, was bedeutet, dass Blind Vias eine bessere Kontinuität des Übertragungsleitungswiderstands aufweisen. Daher kann auf Grundlage der Stabilität der S-Parameter und der Veränderung des Wellenwiderstands-TDR veranschaulicht werden, dass Blind Vias eine bessere Übertragungsqualität als Durchkontaktierungen in Bezug auf die Signalleitungsverbindung zwischen der obersten Schicht und der internen Schicht oder zwischen der untersten Schicht und der internen Schicht bieten.
Wenn eine Signalleitung von der zweiten zur fünften Schicht geführt werden muss, kann ein vergrabener Via zur Verbindung verwendet werden. Der Radius der vergrabenen Vias beträgt 0,1 mm und die Länge 0,57 mm. Zum Vergleich wird auch ein Durchgangsvia verwendet, dessen Radius 0,1 mil beträgt. Die Länge des redundanten Stubs zwischen der ersten und der zweiten Schicht beträgt 0,23 mm, während die Länge des redundanten Stubs zwischen der fünften und der achten Schicht 0,6 mm beträgt.
Basierend auf dem Simulationsergebnis liegt der Rückflussdämpfungsparameter der vergrabenen Durchkontaktierung (S) im Frequenzbereich von 40 GHz bis 80 GHz11) beträgt nur 4 dB bis 8 dB mit relativ gleichmäßiger Änderung. Wenn jedoch die Frequenz im Bereich von 40 GHz bis 80 GHz liegt, ist der Parameter des Rückflussverlusts des Durchgangslochs (S11) beträgt nur 4 dB bis 10 dB. Besonders bei einer Frequenz von 32 GHz ändert sich die Dämpfung sofort auf 13 dB, was die Stabilität der Übertragung beeinflusst. Bei einer Frequenz von 77 GHz beträgt der Parameter des Einfügeverlusts der vergrabenen Durchkontaktierung (S21) ist der größte. Wenn jedoch die Frequenz 54 GHz beträgt, ist der Parameter des Einfügungsverlusts des Durchgangslochs (S21) ist der größte. Wenn ein Einfügungsverlust von weniger als -3 dB garantiert wird, beträgt die Betriebsbandbreite der eingebetteten Durchkontaktierung 32 GHz, während die Betriebsbandbreite der Durchgangsloch-Durchkontaktierung nur 20 GHz beträgt.
Außerdem liegt die Änderung des charakteristischen TDR von vergrabenen Vias im Bereich von 41,8 bis 52, während die Änderung des charakteristischen TDR von Durchgangsvias im Bereich von 37,5 bis 52 liegt, was bedeutet, dass vergrabene Vias eine bessere Kontinuität des Übertragungsleitungswiderstands aufweisen als Durchgangsvias. Daher kann auf Grundlage der Stabilität der S-Parameter und der Änderung des charakteristischen Impedanz-TDR veranschaulicht werden, dass vergrabene Vias in Bezug auf die Signalverbindung zwischen den internen Lagen eine bessere Übertragungsqualität als Durchgangsvias bieten.
• Einfluss des Durchmessers von blinden/vergrabenen Vias, Pads und Antipads auf die Signaleigenschaften
Um den Einfluss des Durchmessers von Blind- und vergrabenen Vias, sowie von Pad und Antipad auf die Signaleigenschaften zu untersuchen, können die Größen von Pad und Antipad der Blind- und vergrabenen Vias festgelegt werden. Der Anfangswert des Radius der Blind- und vergrabenen Vias wird auf 0,1 mm gesetzt und variiert innerhalb des Bereichs von 0,1 mm bis 0,175 mm.
Basierend auf dem Simulationsergebnis kann festgestellt werden, dass sich bei einer Änderung des Radius der Blinddurchkontaktierung im Bereich von 0,1 mm bis 0,175 mm die Impedanz im Bereich von 6 bis 13,5 ändert, wobei der Grad der Impedanzdiskontinuität zunimmt, was zu einer Vergrößerung des Bereichs des Einfügungsverlusts S führt.21. Wenn die Frequenz im Bereich von 20 GHz bis 60 GHz liegt, erreicht die größte Dämpfung 1,7 dB. Währenddessen, wenn der Radius der eingebetteten Durchkontaktierung im Bereich von 4 mil bis 7 mil variiert, liegt die Impedanzänderung im Bereich von 10 bis 17, wobei der Grad der Impedanzdiskontinuität zunimmt, was zu einer Vergrößerung des Bereichs des Einfügedämpfungsverlusts S führt.21Wenn die Frequenz im Bereich von 20 GHz bis 60 GHz liegt, beträgt die größte Dämpfung 1,6 dB.
Bei unverändertem Durchmesser der Blindbohrung und des Antipads wird der Anfangswert des Radius des Blind-/vergrabenen Via-Pads auf 0,2 mm festgelegt und variiert innerhalb des Bereichs von 0,2 mm bis 0,28 mm.
Basierend auf dem Simulationsergebnis kann festgestellt werden, dass sich bei einer Änderung des Radius des Blindlochpads im Bereich von 0,2 mm bis 0,28 mm die Impedanz im Bereich von 6,5 bis 10,5 ändert, was zu einer Zunahme des Bereichs des Einfügungsverlusts S führt.21. Darüber hinaus nimmt die größte Dämpfung um 2 dB zu. Währenddessen liegt bei einer Änderung des Radius des eingelassenen Via-Pads innerhalb des Bereichs von 0,2 mm bis 0,28 mm die Impedanzänderung im Bereich von 10,5 bis 15,5, wobei der Grad der Impedanzdiskontinuität zunimmt, was zu einer Vergrößerung des Bereichs des Einfügedämpfungsverlusts S führt.21. Darüber hinaus erhöht sich die größte Dämpfung um 3,2 dB.
Bei unverändertem Durchmesser der Blind-/vergrabenen Durchkontaktierung und der Padgröße wird der Anfangswert des Antipads auf 0,3 mm festgelegt und variiert innerhalb der Kategorie von 0,3 mm bis 0,375 mm.
Basierend auf dem Simulationsergebnis kann festgestellt werden, dass sich bei einer Änderung der Größe des Blindvia-Antipads im Bereich von 0,3 mm bis 0,375 mm die Impedanz im Bereich von 6,5 bis 5,5 ändert, was zu einer Verringerung des Grades der Impedanzdiskontinuität und des Bereichs des Einfügungsverlusts S führt.21. Darüber hinaus steigt die größte Dämpfung um 3,2 dB. Währenddessen liegt bei einer Änderung der Größe des vergrabenen Via-Antipads innerhalb des Bereichs von 0,3 mm bis 0,375 mm die Änderung des Widerstands im Bereich von 10 bis 7,5, was zu einer Verringerung des Ausmaßes der Impedanzdiskontinuität und des Bereichs des Einfügedämpfungsverlusts S führt.21. Darüber hinaus erhöht sich die größte Dämpfung um 3 dB.
Fazit
Mit einem durch HFSS erstellten 8-Lagen-PCB-Modell mit Blind- und vergrabenen Vias vergleicht dieser Artikel die S-Parameter und die charakteristische Impedanz-TDR von Blind-/vergrabenen Vias und Durchkontaktierungen. Es kann festgestellt werden, dass Blind-/vergrabene Vias einen geringeren Einfügedämpfungsverlust und eine bessere Impedanzdiskontinuität als Durchkontaktierungen aufweisen. Unter der Bedingung, dass der Einfügedämpfungsverlust weniger als -3 dB beträgt, verfügen Blind-/vergrabene Vias über eine größere Betriebsbandbreite als Durchkontaktierungen.
Dieser Artikel analysiert außerdem den Einfluss von Parametern wie Durchmesser der Vias, Pad und Antipad auf die Signalmerkmale von Blind- und Buried-Vias. Mit zunehmendem Durchmesser der Blind-/Buried-Vias und der Pad-Größe verringert sich die Dämpfung des Signal-Einfügungsverlusts entsprechend, während der Grad der Impedanzdiskontinuität zunimmt. Mit zunehmender Antipad-Größe der Blind-/Buried-Vias verringern sich jedoch sowohl die Dämpfung des Signal-Einfügungsverlusts als auch die Impedanzdiskontinuität entsprechend.
Wenn der Einfügedämpfungsverlust weniger als -3 dB beträgt und die effektive Betriebsbandbreite 20 GHz erreicht, sollte der Radius der Blind Vias nicht größer als 0,175 mm und der Radius der Buried Vias nicht größer als 0,23 mm sein; das Pad der Blind Vias sollte nicht größer als 0,25 mm und das Pad der Buried Vias nicht größer als 0,275 mm sein; das Antipad der Blind Vias sollte nicht kleiner als 0,25 mm und das Antipad der Buried Vias nicht kleiner als 0,23 mm sein.
Wenn der Impedanzänderungsbereich innerhalb von ±10% gehalten wird, sollte der Radius sowohl von Blind- als auch von vergrabenen Durchkontaktierungen nicht größer als 0,125 mm sein; das Pad von Blindvias sollte nicht größer als 0,25 mm und das Pad von vergrabenen Vias nicht größer als 0,175 mm sein; das Antipad von Blindvias sollte nicht kleiner als 0,275 mm und das Antipad von vergrabenen Vias nicht kleiner als 0,4 mm sein.
PCBCart verfügt über die Fähigkeiten, Leiterplatten mit Blind Vias, Buried Vias und Durchkontaktierungen herzustellen.
