Con l’aumento delle applicazioni di circuiti integrati su larga scala e su scala ultra‑larga nei sistemi di circuiti, le schede elettroniche mostrano una tendenza di sviluppo verso una maggiore stratificazione e complessità a causa dell’ampliamento della scala di integrazione dei chip, della riduzione del volume, dell’aumento dei pin e dell’incremento della velocità di trasmissione. La maggior parte dei sistemi ad alta velocitàPCB multistratoimplementare connessioni tra gli strati tramite vias passanti. Per le connessioni elettriche che non attraversano completamente dal lato superiore a quello inferiore, tuttavia, possono formarsi stub ridondanti dei vias passanti, con il risultato di influenzare negativamente la qualità di trasmissione del PCB. Pertanto, per alcuni sistemi digitali ad alta velocità con elevate prestazioni e requisiti stringenti, l’influenza degli stub ridondanti non può essere trascurata. Sulla base del tentativo di bilanciare costi e prestazioni, la progettazione di vias ciechi/sepolti nasce per evitare efficacemente l’effetto degli stub ridondanti e aumentare la qualità di trasmissione dei sistemi.
Concieco e sepolto tramiteprogettare come oggetti di ricerca e, attraverso la simulazione di modellazione, questo articolo analizza principalmente l’influenza dei parametri relativi ai diametri dei via ciechi/interrati, del pad e dell’antipad sulle caratteristiche del segnale, quali il parametro S e la continuità dell’impedenza, e fornisce indicazioni pratiche per la progettazione di via ciechi/interrati in PCB ad alta velocità.
Parametri principali e indice di prestazioni dei via ciechi/sepolti
Per i PCB multistrato di circuiti digitali ad alta velocità, i via sono necessari per la connessione ad alta velocità dei segnali tra le linee di interconnessione su un piano e le linee di interconnessione su un altro piano. I via sono in realtà conduttori elettrici che collegano le piste tra piani diversi. In base alle differenze di progettazione del PCB, i via possono essere classificati in via passanti, via ciechi e via sepolti, come mostrato in Figura 1.
• Via passantiche circolano attraverso l'intero PCB, sono utilizzati per i collegamenti interstrato o come fori di posizionamento per i componenti.
• Via cieche, senza circolare attraverso l'intero PCB, sono responsabili del collegamento tra gli strati interni del PCB e il routing sul piano di superficie.
• Via interratesono responsabili solo della connessione tra gli strati interni del PCB. Non possono essere visti direttamente dall’aspetto dei PCB.
Le vias non possono essere considerate come semplici connessioni elettriche e la loro influenza sull’integrità del segnale deve essere presa in considerazione. Pertanto, una migliore comprensione dell’influenza dell’architettura di progettazione delle vias sulle prestazioni dei circuiti digitali ad alta velocità è utile per ottenere un’ottima soluzione in termini di integrità del segnale, in modo che la progettazione dei sistemi digitali ad alta velocità possa essere ottimizzata e la qualità di trasmissione dei segnali ad alta velocità possa essere migliorata.
Nei circuiti ad alta velocità, il modello elettrico equivalente dei via può essere indicato come in Figura 2, in cuiC1,C2eLsi riferiscono rispettivamente alla capacità parassita e all’induttanza dei vias.
In base a questo modello, tutti i via nei circuiti ad alta velocità genereranno una capacità parassita verso massa. La capacità parassita può essere calcolata tramite la seguente formula:
In questa formula, la capacità parassita dei via è uguale al diametro dell’antipad verso il piano di massa, al diametro dei pad dei via, alla costante dielettrica del materiale del substrato e allo spessore del PCB. Nei circuiti digitali ad alta velocità, la capacità parassita dei via fa sì che il tempo di salita del segnale diventi più lento o si riduca e rallenta la velocità del circuito. Per una linea di trasmissione la cui impedenza caratteristica è Z0la relazione tra la capacità parassita e il tempo di salita dei segnali può essere indicata come nella formula seguente.
Quando i segnali ad alta velocità attraversano i via, si genera anche un’induttanza parassita. Nei circuiti digitali ad alta velocità, l’influenza causata dall’induttanza parassita dei via è maggiore rispetto alla capacità parassita. L’induttanza parassita può essere calcolata secondo la formula seguente.
In questa formula, l’induttanza parassita dei via è uguale alla lunghezza dei via e al diametro dei via. Inoltre, l’impedenza equivalente causata dall’induttanza parassita non può mai essere trascurata e la relazione tra l’impedenza equivalente, la capacità parassita e il tempo di salita dei segnali può essere espressa dalla formula seguente.
In base alle formule menzionate sopra, le prestazioni elettriche dei via variano con i parametri di progetto. Le variazioni del diametro del via, della lunghezza, del pad e dell’antipad portano a discontinuità di impedenza nei circuiti ad alta velocità, con una forte influenza sull’integrità del segnale. L’analisi delle caratteristiche del segnale in questo articolo si basa sugli indici di S11(perdita di ritorno) e S21(perdita di inserzione). Quando il grado di attenuazione della perdita di inserzione è inferiore a -3 dB, si applica la larghezza di banda effettiva per giudicare e analizzare le prestazioni di trasmissione del segnale dei via ciechi/sepolti. Inoltre, si può applicare la simulazione TDR per analizzare la riflessione causata dalla discontinuità di impedenza.
Simulazione di modellazione e analisi dei risultati dei via ciechi/sepolti
Per studiare l'influenza dei via ciechi/sepolti suPCB ad alta velocitàPer le caratteristiche del segnale, questo articolo progetta un modello PCB a 8 strati con il software HFSS, mostrato nella Figura 3 seguente.
In questo PCB, gli strati da 1 a 2, da 4 a 5 e da 7 a 8 sono tutti strati di segnale; il terzo strato è lo strato di alimentazione; il sesto strato è lo strato di massa; lo spessore di ciascuno strato è 0,2 mm (8 mil); il materiale dielettrico è FR4; il coefficiente dielettrico è 4. La larghezza di instradamento delle linee di segnale è 0,1 mm (4 mil), lo spessore 0,13 mm (1,1 mil). Nella simulazione, il tempo di salita dei segnali è impostato a 20 ps e la massima frequenza di sweep è impostata a 100 GHz.
• Confronto sull'influenza delle caratteristiche del segnale derivanti da vias ciechi/sepolti e vias passanti
Quando è necessario che una linea di segnale circoli dal primo al quinto strato, si può utilizzare un via cieco per la connessione. Il raggio del via cieco è impostato a 0,1 mm (4 mil) e la lunghezza a 0,81 mm (32 mil).
Ai fini del confronto, è stato progettato anche un collegamento tramite via passante con un raggio della via passante di 0,1 mm. In queste condizioni, la lunghezza dello stub della via passante è di 0,6 mm.
In base al risultato della simulazione, quando la frequenza è nell’intervallo da 40 GHz a 80 GHz, il parametro di perdita di ritorno del via cieco (S11) è solo da 4 dB a 7 dB. Tuttavia, quando la frequenza è nell’intervallo da 40 GHz a 80 GHz, il parametro di perdita di ritorno del via passante (S11) è solo da 4 dB a 10 dB. Quando la frequenza è 76 GHz, il parametro di perdita di inserzione del via cieco (S21) è il più grande. Tuttavia, quando la frequenza è 52 GHz, il parametro di perdita di inserzione del via passante (S21) è il più grande. Se si garantisce che la perdita di inserzione sia inferiore a -3 dB, la larghezza di banda operativa del via cieco sarà di 22 GHz, mentre la larghezza di banda operativa del via passante sarà di soli 15 GHz.
In termini di impedenza caratteristica, la variazione dell’impedenza caratteristica dei via ciechi è compresa tra 46 e 52, mentre la variazione dell’impedenza caratteristica dei via passanti è compresa tra 42 e 53, il che significa che i via ciechi presentano una migliore continuità dell’impedenza della linea di trasmissione. Pertanto, sulla base della stabilità dei parametri S e della variazione dell’impedenza caratteristica TDR, si può dimostrare che i via ciechi hanno una qualità di trasmissione migliore rispetto ai via passanti per quanto riguarda la connessione della linea di segnale tra lo strato superiore e lo strato interno o tra lo strato inferiore e lo strato interno.
Quando è necessario che una linea di segnale circoli dal secondo al quinto strato, si possono utilizzare dei via interrati per la connessione. Il raggio dei via interrati è impostato a 0,1 mm e la lunghezza a 0,57 mm. I via passanti vengono inoltre utilizzati per il confronto, con un raggio di 0,1 mil e una lunghezza dello stub ridondante tra il primo e il secondo strato di 0,23 mm, mentre la lunghezza dello stub ridondante tra il quinto e l’ottavo strato è di 0,6 mm.
In base al risultato della simulazione, quando la frequenza è nell’intervallo da 40 GHz a 80 GHz, il parametro di perdita di ritorno del via interrato (S11) è solo da 4 dB a 8 dB con una variazione relativamente uniforme. Tuttavia, quando la frequenza è nell’intervallo da 40 GHz a 80 GHz, il parametro di perdita di ritorno del via passante (S11) è solo da 4 dB a 10 dB. In particolare, quando la frequenza è 32 GHz, l’attenuazione diventa immediatamente 13 dB, influenzando la stabilità della trasmissione. Quando la frequenza è 77 GHz, il parametro della perdita di inserzione del via interrato (S21) è il più grande. Tuttavia, quando la frequenza è 54 GHz, il parametro di perdita di inserzione del via passante (S21) è il più grande. Se si garantisce che la perdita di inserzione sia inferiore a -3 dB, la banda operativa del via interrato è di 32 GHz, mentre la banda operativa del via passante è di soli 20 GHz.
Inoltre, la variazione del TDR caratteristico del via cieco interrato è compresa tra 41,8 e 52, mentre la variazione del TDR caratteristico del via passante è compresa tra 37,5 e 52, il che significa che il via cieco interrato presenta una migliore continuità dell’impedenza della linea di trasmissione rispetto al via passante. Pertanto, sulla base della stabilità dei parametri S e della variazione dell’impedenza caratteristica TDR, si può dimostrare che i via ciechi interrati hanno una qualità di trasmissione migliore rispetto ai via passanti per quanto riguarda la connessione delle linee di segnale tra gli strati interni.
• Influenza del diametro delle vias cieche/interrate, del pad e dell’antipad sulle caratteristiche del segnale
Per studiare l’influenza del diametro dei via ciechi/interrati, del pad e dell’antipad sulle caratteristiche del segnale, è possibile fissare le dimensioni del pad e dell’antipad dei via ciechi/interrati. Il valore iniziale del raggio dei via ciechi/interrati è impostato a 0,1 mm e varia nell’intervallo da 0,1 mm a 0,175 mm.
In base al risultato della simulazione, si può indicare che quando il raggio del via cieco varia nell’intervallo da 0,1 mm a 0,175 mm, la variazione dell’impedenza rientra nell’intervallo da 6 a 13,5, con un aumento del grado di discontinuità di impedenza che provoca un incremento dell’ampiezza della perdita di inserzione S21. Quando la frequenza è nell’intervallo da 20 GHz a 60 GHz, l’attenuazione massima raggiunge 1,7 dB. Nel frattempo, quando il raggio del via interrato varia nella categoria da 4 mil a 7 mil, la variazione dell’impedenza rientra nella categoria da 10 a 17, con un aumento del grado di discontinuità di impedenza che provoca l’aumento dell’intervallo di perdita di inserzione S21. Quando la frequenza è compresa tra 20 GHz e 60 GHz, l’attenuazione massima raggiunge 1,6 dB.
Con il diametro del via cieco e dell’antipad invariato, il valore iniziale del raggio del pad del via cieco/sepolto è impostato a 0,2 mm e varia all’interno della categoria da 0,2 mm a 0,28 mm.
In base al risultato della simulazione, si può indicare che quando il raggio del pad del via cieco varia nell’intervallo da 0,2 mm a 0,28 mm, la variazione dell’impedenza rientra nell’intervallo da 6,5 a 10,5, il che provoca un aumento in termini di intervallo della perdita di inserzione S21. Inoltre, la massima attenuazione aumenta di 2 dB. Nel frattempo, quando il raggio del pad del via interrato varia nell’intervallo da 0,2 mm a 0,28 mm, la variazione dell’impedenza rientra nell’intervallo da 10,5 a 15,5, con un aumento del grado di discontinuità di impedenza che provoca l’aumento dell’intervallo di perdita di inserzione S21Inoltre, la massima attenuazione aumenta di 3,2 dB.
Con il diametro del via cieco/sepolto e la dimensione del pad invariati, il valore iniziale dell’antipad è impostato a 0,3 mm e varia all’interno della categoria da 0,3 mm a 0,375 mm.
Sulla base del risultato della simulazione, si può indicare che quando la dimensione dell’antipad del via cieco varia nell’intervallo da 0,3 mm a 0,375 mm, la variazione dell’impedenza rientra nell’intervallo da 6,5 a 5,5, il che provoca una diminuzione del grado di discontinuità di impedenza e dell’intervallo di perdita di inserzione S21Inoltre, la massima attenuazione aumenta di 3,2 dB. Nel frattempo, quando la dimensione dell’antipad del via interrato varia nell’intervallo da 0,3 mm a 0,375 mm, la variazione dell’impedenza rientra nell’intervallo da 10 a 7,5, il che provoca una diminuzione del grado di discontinuità di impedenza e dell’intervallo di perdita di inserzione S21Inoltre, la massima attenuazione aumenta di 3 dB.
Conclusione
Con un modello di PCB a 8 strati con vias ciechi e interrati stabilito tramite HFSS, questo articolo confronta i parametri S e il TDR dell’impedenza caratteristica dei vias ciechi/interrati e dei vias passanti. Si può concludere che i vias ciechi/interrati presentano una minore perdita di inserzione e una migliore discontinuità di impedenza rispetto ai vias passanti. A condizione che la perdita di inserzione sia inferiore a -3 dB, i vias ciechi/interrati hanno una larghezza di banda operativa più ampia rispetto ai vias passanti.
Questo articolo analizza anche l’influenza di parametri quali il diametro dei via, il pad e l’antipad sulle caratteristiche del segnale dei via ciechi/interrati. Con l’aumento del diametro dei via ciechi/interrati e della dimensione del pad, l’attenuazione della perdita di inserzione del segnale si riduce di conseguenza e il grado di discontinuità d’impedenza aumenta. Tuttavia, con l’aumento della dimensione dell’antipad dei via ciechi/interrati, l’attenuazione della perdita di inserzione del segnale si riduce e, di conseguenza, anche la discontinuità d’impedenza diminuisce.
Se la perdita di inserzione è inferiore a -3 dB e la larghezza di banda operativa effettiva raggiunge i 20 GHz, il raggio dei via ciechi non deve essere maggiore di 0,175 mm e il raggio dei via interrati non deve essere maggiore di 0,23 mm; il pad dei via ciechi non deve essere maggiore di 0,25 mm e il pad dei via interrati non deve essere maggiore di 0,275 mm; l’antipad dei via ciechi non deve essere minore di 0,25 mm e l’antipad dei via interrati non deve essere minore di 0,23 mm.
Se l’intervallo di variazione dell’impedenza è controllato entro ±10%, il raggio dei via ciechi e interrati non deve essere maggiore di 0,125 mm; il pad dei via ciechi non deve essere maggiore di 0,25 mm e il pad dei via interrati non deve essere maggiore di 0,175 mm; l’antipad dei via ciechi non deve essere minore di 0,275 mm e l’antipad dei via interrati non deve essere minore di 0,4 mm.
PCBCart ha la capacità di produrre PCB con vias ciechi, vias sepolti e vias passanti.
