Con la creciente aplicación de circuitos integrados a gran escala y a escala ultra grande en el sistema de circuitos, las placas de circuito muestran una tendencia de desarrollo hacia múltiples capas y una mayor complejidad debido al aumento de la escala de integración de los chips, la reducción del volumen, el incremento del número de pines y el aumento de la velocidad. La mayoría de los de alta velocidadplacas de circuito impreso multicapaimplementar conexiones entre capas mediante vías pasantes. Sin embargo, para las conexiones eléctricas que no circulan desde la parte superior hasta la inferior, es posible que se produzcan espolones redundantes de vías pasantes, lo que influirá gravemente en la calidad de transmisión de la PCB. Por lo tanto, en algunos sistemas digitales de alta velocidad con alto rendimiento y altos requisitos, la influencia de los espolones redundantes nunca puede ser pasada por alto. Basado en los intentos de equilibrar el costo y el rendimiento, surge el diseño de vías ciegas/enterradas con el fin de evitar eficazmente el efecto de espolón redundante y aumentar la calidad de transmisión de los sistemas.
Conciego y enterrado víadiseñados como objetos de investigación y mediante simulación de modelado, este artículo analiza principalmente la influencia de los parámetros relacionados con los diámetros de los microvías ciegos/enterrados, las almohadillas (pads) y las anti-almohadillas (antipads) en características de señal como el parámetro S y la continuidad de la impedancia, y proporciona instrucciones prácticas para el diseño de microvías ciegos/enterrados en PCB de alta velocidad.
Parámetros principales e índice de rendimiento de los microvías ciegas/enterradas
Para las PCB multicapa de circuitos digitales de alta velocidad, los orificios pasantes (vías) son necesarios para la conexión de señales de alta velocidad entre las líneas de interconexión de un plano y las líneas de interconexión de otro plano. Las vías son en realidad conductores eléctricos que conectan los trazados entre diferentes planos. Según las diferencias en el diseño de la PCB, las vías pueden clasificarse en vía pasante, vía ciega y vía enterrada, como se muestra en la Figura 1.
• Vías pasantesque circulan por toda la PCB, se aplican para rutas interconectadas entre capas o como vías de posicionamiento para componentes.
• Vías ciegas, sin circular por toda la PCB, son responsables de la conexión entre las capas internas de la PCB y el enrutamiento del plano de superficie.
• Vías enterradasson responsables únicamente de la conexión entre las capas internas de la PCB. No pueden verse directamente en el aspecto externo de las PCBs.
No se puede considerar que las vías sean conexiones eléctricas ideales y debe tenerse en cuenta su influencia en la integridad de la señal. Por lo tanto, comprender mejor la influencia del diseño de la arquitectura de las vías en el rendimiento de los circuitos digitales de alta velocidad es beneficioso para lograr una excelente solución de integridad de señal, de modo que se pueda optimizar el diseño del sistema digital de alta velocidad y mejorar la calidad de transmisión de las señales de alta velocidad.
En circuitos de alta velocidad, el modelo eléctrico equivalente de los orificios metalizados puede indicarse como en la Figura 2, en la queC1,C2yLse refieren respectivamente a la capacidad parasitaria y a la inductancia de los orificios metalizados.
Según este modelo, todos los orificios metalizados en los circuitos de alta velocidad generarán una capacitancia parásita a tierra. La capacitancia parásita puede calcularse mediante la siguiente fórmula:
En esta fórmula, la capacitancia parasitaria de los orificios metalizados es igual al diámetro del antipad a tierra, el diámetro de las almohadillas de los orificios, la constante dieléctrica del material del sustrato y el grosor de la PCB. En los circuitos digitales de alta velocidad, la capacitancia parasitaria de los orificios hace que el tiempo de subida de la señal se vuelva más lento o disminuya y reduce la velocidad del circuito. Para una línea de transmisión cuya impedancia característica es Z0la relación entre la capacitancia parasitaria y el tiempo de subida de las señales puede expresarse mediante la siguiente fórmula.
Cuando las señales de alta velocidad pasan a través de vías, también se genera inductancia parasitaria. En los circuitos digitales de alta velocidad, la influencia provocada por la inductancia parasitaria de las vías es mayor que la de la capacitancia parasitaria. La inductancia parasitaria puede calcularse según la fórmula siguiente.
En esta fórmula, la inductancia parasitaria de los orificios metalizados es igual a la longitud de los orificios y al diámetro de los orificios. Además, la impedancia equivalente causada por la inductancia parasitaria nunca puede pasarse por alto y la relación entre la impedancia equivalente y la capacitancia parasitaria y el tiempo de subida de las señales puede indicarse mediante la siguiente fórmula.
Según las fórmulas mencionadas anteriormente, el rendimiento eléctrico de los vías cambia con los parámetros de diseño. Los cambios en el diámetro del vía, la longitud, el pad y el antipad provocan discontinuidades de impedancia en los circuitos de alta velocidad, influyendo en gran medida en la integridad de la señal. El análisis de las características de la señal en este artículo se basa en los índices de S11(pérdida de retorno) y S21(pérdida de inserción). Cuando el grado de atenuación de la pérdida de inserción es menor que -3 dB, se aplica el ancho de banda efectivo para juzgar y analizar el rendimiento de transmisión de la señal de los microvías ciegos/enterrados. Además, se puede aplicar la simulación TDR para analizar la reflexión causada por la discontinuidad de impedancia.
Modelado, simulación y análisis de resultados de vías ciegas/enterradas
Para investigar la influencia de los microvías ciegos/enterrados enPCB de alta velocidadEn cuanto a las características de la señal, este artículo diseña un modelo de PCB de 8 capas con el software HFSS, que se muestra en la Figura 3 a continuación.
En esta PCB, las capas 1 a 2, 4 a 5 y 7 a 8 son todas capas de señal; la tercera capa es la capa de alimentación; la sexta capa es la capa de tierra; el grosor de cada capa es de 0,2 mm (8 mil); el material dieléctrico es FR4; el coeficiente dieléctrico es 4. El ancho de enrutamiento de las líneas de señal es de 0,1 mm (4 mil), el grosor 0,13 mm (1,1 mil). En la simulación, el tiempo de subida de las señales se establece en 20 ps y la frecuencia máxima de barrido se establece en 100 GHz.
• Comparación de la influencia de las características de la señal derivadas de vías ciegas/enterradas y vías pasantes
Cuando se requiere que una línea de señal circule desde la primera capa hasta la quinta capa, se puede aplicar un vía ciego para la conexión. El radio del vía ciego se establece en 0,1 mm (4 mil) y la longitud en 0,81 mm (32 mil).
A modo de comparación, también se diseña una conexión mediante vía pasante con un radio de vía pasante de 0,1 mm. En esta condición, la longitud del stub de la vía pasante es de 0,6 mm.
Según el resultado de la simulación, cuando la frecuencia se encuentra en el rango de 40 GHz a 80 GHz, el parámetro de pérdida de retorno del orificio ciego (S11) es solo de 4 dB a 7 dB. Sin embargo, cuando la frecuencia está en el rango de 40 GHz a 80 GHz, el parámetro de pérdida de retorno del orificio pasante (S11) es solo de 4 dB a 10 dB. Cuando la frecuencia es de 76 GHz, el parámetro de pérdida de inserción del microvía ciego (S21) es el más grande. Sin embargo, cuando la frecuencia es de 52 GHz, el parámetro de pérdida de inserción del orificio pasante (S21) es el más grande. Si se garantiza que la pérdida de inserción sea inferior a -3 dB, el ancho de banda de operación del vía ciego será de 22 GHz, mientras que el ancho de banda de operación del vía pasante será solo de 15 GHz.
En términos de impedancia característica, la categoría de cambio de la impedancia característica de los microvías ciegos está en el rango de 46 a 52, mientras que la categoría de cambio de la impedancia característica de los orificios pasantes está de 42 a 53, lo que significa que los microvías ciegos tienen una mejor continuidad de la impedancia de la línea de transmisión. Por lo tanto, basándose en la estabilidad de los parámetros S y en el cambio de la impedancia característica TDR, se puede ilustrar que los microvías ciegos tienen una mejor calidad de transmisión que los orificios pasantes en términos de conexión de la línea de señal entre la capa superior y la capa interna o entre la capa inferior y la capa interna.
Cuando se requiere que una línea de señal circule desde la segunda capa hasta la quinta capa, se pueden aplicar vías enterradas para la conexión. El radio de las vías enterradas se establece en 0,1 mm y la longitud en 0,57 mm. También se aplican vías pasantes para comparación, con un radio de 0,1 mil, y la longitud del stub redundante entre la primera capa y la segunda capa es de 0,23 mm, mientras que la longitud del stub redundante entre la quinta capa y la octava capa es de 0,6 mm.
Según el resultado de la simulación, cuando la frecuencia se encuentra en el rango de 40 GHz a 80 GHz, el parámetro de pérdida de retorno del vía enterrado (S11) es solo de 4 dB a 8 dB con un cambio relativamente suave. Sin embargo, cuando la frecuencia está en el rango de 40 GHz a 80 GHz, el parámetro de pérdida de retorno del vía pasante (S11) es solo de 4 dB a 10 dB. Especialmente cuando la frecuencia es de 32 GHz, la atenuación cambia instantáneamente a 13 dB, lo que influye en la estabilidad de la transmisión. Cuando la frecuencia es de 77 GHz, el parámetro de pérdida de inserción del vía enterrado (S21) es el más grande. Sin embargo, cuando la frecuencia es de 54 GHz, el parámetro de pérdida de inserción del orificio pasante (S21) es el más grande. Si se garantiza que la pérdida de inserción sea menor que -3 dB, el ancho de banda de operación del vía enterrado es de 32 GHz, mientras que el ancho de banda de operación del vía pasante es solo de 20 GHz.
Además, el cambio del TDR de impedancia característica del vía enterrado está en el rango de 41.8 a 52, mientras que el cambio del TDR de impedancia característica del vía pasante está en el rango de 37.5 a 52, lo que significa que el vía enterrado presenta una mejor continuidad de impedancia de la línea de transmisión que el vía pasante. Por lo tanto, basándose en la estabilidad de los parámetros S y en el cambio de la impedancia característica TDR, se puede ilustrar que los vías enterrados tienen una mejor calidad de transmisión que los vías pasantes en términos de conexión de la línea de señal entre capas internas.
• Influencia del diámetro de los microvías ciegas/enterradas, del pad y del antipad en las características de la señal
Para estudiar la influencia del diámetro de los microvías ciegos/enterrados, del pad y del antipad en las características de la señal, se puede fijar el tamaño del pad y del antipad de los microvías ciegos/enterrados. El valor inicial del radio de los microvías ciegos/enterrados se establece en 0,1 mm y varía dentro del rango de 0,1 mm a 0,175 mm.
Según el resultado de la simulación, se puede indicar que cuando el radio del orificio ciego cambia dentro del rango de 0,1 mm a 0,175 mm, el cambio de impedancia se sitúa en el rango de 6 a 13,5, con el aumento del grado de discontinuidad de impedancia que provoca el incremento en el rango de la pérdida de inserción S21. Cuando la frecuencia está en el rango de 20 GHz a 60 GHz, la mayor atenuación alcanza 1,7 dB. Mientras tanto, cuando el radio del vía enterrado cambia dentro de la categoría de 4 mil a 7 mil, el cambio de impedancia se sitúa en la categoría de 10 a 17, con el aumento del grado de discontinuidad de impedancia que provoca el incremento en el rango de la pérdida de inserción S21. Cuando la frecuencia está en el rango de 20 GHz a 60 GHz, la mayor atenuación alcanza 1,6 dB.
Con el diámetro del microvía ciego y del antipad sin cambios, el valor inicial del radio del pad del microvía ciego/enterrado se establece en 0,2 mm y varía dentro de la categoría de 0,2 mm a 0,28 mm.
Según el resultado de la simulación, se puede indicar que cuando el radio del pad del vía ciega cambia dentro del rango de 0,2 mm a 0,28 mm, el cambio de impedancia se sitúa en el rango de 6,5 a 10,5, lo que provoca un aumento en el rango de la pérdida de inserción S.21. Además, la mayor atenuación aumenta en 2 dB. Mientras tanto, cuando el radio del pad del vía enterrado cambia dentro del rango de 0,2 mm a 0,28 mm, el cambio de impedancia se sitúa en el rango de 10,5 a 15,5, con un aumento del grado de discontinuidad de impedancia que provoca el incremento del rango de la pérdida de inserción S21. Además, la mayor atenuación aumenta en 3,2 dB.
Con el diámetro del vía ciego/enterrado y el tamaño del pad sin cambios, el valor inicial del antipad se establece en 0,3 mm y varía dentro de la categoría de 0,3 mm a 0,375 mm.
Según el resultado de la simulación, se puede indicar que cuando el tamaño del antipad del vía ciego cambia dentro del rango de 0,3 mm a 0,375 mm, el cambio de impedancia se sitúa en el rango de 6,5 a 5,5, lo que provoca la disminución del grado de discontinuidad de impedancia y del rango de la pérdida de inserción S.21. Además, la mayor atenuación aumenta en 3,2 dB. Mientras tanto, cuando el tamaño del antipad del vía enterrado cambia dentro de la categoría de 0,3 mm a 0,375 mm, el cambio de impedancia se sitúa en la categoría de 10 a 7,5, lo que provoca la disminución en términos del grado de discontinuidad de impedancia y del rango de la pérdida de inserción S21. Además, la mayor atenuación aumenta en 3 dB.
Conclusión
Con un modelo de PCB de 8 capas con vías ciegas y enterradas establecido mediante HFSS, este artículo compara los parámetros S y el TDR de impedancia característica de las vías ciegas/enterradas y las vías pasantes. Se puede concluir que las vías ciegas/enterradas tienen una menor pérdida de inserción y una mejor discontinuidad de impedancia que las vías pasantes. Bajo la condición de que la pérdida de inserción sea menor que -3 dB, las vías ciegas/enterradas tienen un ancho de banda de operación más amplio que las vías pasantes.
Este artículo también analiza la influencia de parámetros como el diámetro del vía, el pad y el antipad en las características de las señales de los vías ciegos/enterrados. Con el aumento del diámetro de los vías ciegos/enterrados y del tamaño del pad, la atenuación de la pérdida de inserción de la señal disminuye en consecuencia y el grado de discontinuidad de impedancia aumenta. Sin embargo, con el aumento del tamaño del antipad de los vías ciegos/enterrados, la atenuación de la pérdida de inserción de la señal disminuye y, en consecuencia, también lo hace la discontinuidad de impedancia.
Si la pérdida de inserción es inferior a -3 dB y el ancho de banda efectivo de operación alcanza los 20 GHz, el radio de los microvías ciegos no debe ser mayor de 0,175 mm y el radio de los microvías enterrados no debe ser mayor de 0,23 mm; el pad de los microvías ciegos no debe ser mayor de 0,25 mm y el pad de los microvías enterrados no debe ser mayor de 0,275 mm; el antipad de los microvías ciegos no debe ser menor de 0,25 mm y el antipad de los microvías enterrados no debe ser menor de 0,23 mm.
Si el rango de variación de la impedancia se controla dentro de ±10%, el radio de las vías ciegas y enterradas no debe ser mayor de 0,125 mm; la almohadilla (pad) de las vías ciegas no debe ser mayor de 0,25 mm y la almohadilla de las vías enterradas no debe ser mayor de 0,175 mm; el antipad de las vías ciegas no debe ser menor de 0,275 mm y el antipad de las vías enterradas no debe ser menor de 0,4 mm.
PCBCart tiene la capacidad de fabricar PCB con vías ciegas, vías enterradas y vías pasantes.
