Dengan peningkatan aplikasi litar bersepadu berskala besar dan berskala super besar dalam sistem litar, papan litar menunjukkan trend pembangunan ke arah berbilang lapisan dan kerumitan disebabkan oleh pembesaran skala integrasi cip, pengecilan saiz, peningkatan bilangan pin dan peningkatan kadar kelajuan. Kebanyakan litar berkelajuan tinggiPCB berbilang lapisanmelaksanakan sambungan antara lapisan melalui via lubang tembus. Namun, bagi sambungan elektrik yang tidak beredar dari bahagian atas ke bahagian bawah, tunggul via lubang tembus berlebihan mungkin wujud sehingga kualiti penghantaran PCB akan terjejas teruk. Oleh itu, bagi sesetengah sistem digital berkelajuan tinggi dengan prestasi dan keperluan yang tinggi, pengaruh tunggul berlebihan tidak boleh diabaikan. Berdasarkan usaha untuk mengimbangi kos dengan prestasi, reka bentuk via buta/tertimbus diwujudkan bagi mengelakkan secara berkesan kesan tunggul berlebihan dan meningkatkan kualiti penghantaran sistem.
Denganbuta dan ditanam melaluireka bentuk sebagai objek penyelidikan dan melalui pemodelan simulasi, artikel ini terutamanya menganalisis pengaruh parameter berkaitan diameter via buta/tertimbus, pad dan antipad terhadap ciri isyarat seperti parameter S dan kesinambungan impedans serta memberikan panduan praktikal untuk reka bentuk via buta/tertimbus PCB berkelajuan tinggi.
Parameter Utama dan Indeks Prestasi Vias Buta/Tertanam
Bagi PCB berbilang lapisan litar digital berkelajuan tinggi, via adalah perlu untuk sambungan isyarat berkelajuan tinggi antara talian antara sambung dalam satu satah dan talian antara sambung dalam satah yang lain. Via sebenarnya ialah pengalir elektrik yang menyambungkan jejak antara satah yang berbeza. Berdasarkan perbezaan reka bentuk PCB, via boleh dikelaskan kepada via lubang tembus, via buta dan via tertanam, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
• Vias lubang tembus, beredar melalui keseluruhan PCB, digunakan untuk pendawaian saling berhubung antara lapisan atau sebagai via penentududukan untuk komponen.
• Lubang via buta, tanpa beredar melalui keseluruhan PCB, bertanggungjawab untuk sambungan antara lapisan dalaman PCB dan penghalaan satah permukaan.
• Vias tertanamhanya bertanggungjawab untuk sambungan antara lapisan dalaman PCB sahaja. Ia tidak dapat dilihat secara langsung dari rupa luaran PCB.
Vias tidak boleh dianggap sebagai sambungan elektrik dan pengaruhnya terhadap keutuhan isyarat perlu diambil kira. Oleh itu, pemahaman yang lebih baik tentang pengaruh reka bentuk seni bina via terhadap prestasi litar digital berkelajuan tinggi adalah bermanfaat untuk penyelesaian yang unggul bagi keutuhan isyarat supaya reka bentuk sistem digital berkelajuan tinggi dapat dioptimumkan dan kualiti penghantaran isyarat berkelajuan tinggi dapat dipertingkatkan.
Dalam litar berkelajuan tinggi, model elektrik setara bagi via boleh ditunjukkan seperti Rajah 2 di manaC1,C2danLmasing-masing merujuk kepada kapasitan dan induktans parasit bagi via.
Berdasarkan model ini, semua via dalam litar berkelajuan tinggi akan menghasilkan kapasitans parasit ke bumi. Kapasitans parasit boleh dikira melalui formula di bawah:
Dalam formula ini, kapasitans parasit via adalah sama dengan diameter antipad ke tanah, diameter pad via, pemalar dielektrik bahan substrat dan ketebalan PCB. Dalam litar digital berkelajuan tinggi, kapasitans parasit via menyebabkan masa naik isyarat menjadi perlahan atau menurun dan memperlahankan kelajuan litar. Bagi satu talian penghantaran yang mempunyai impedans ciri Z0, hubungan antara kapasitans parasit dan masa naik isyarat boleh dinyatakan seperti formula di bawah.
Apabila isyarat berkelajuan tinggi melalui via, induktans parasit turut dijana. Dalam litar digital berkelajuan tinggi, pengaruh yang dibawa oleh induktans parasit pada via adalah lebih besar daripada kapasitans parasit. Induktans parasit boleh dikira mengikut formula di bawah.
Dalam formula ini, induktans parasit bagi via adalah sama dengan panjang via dan diameter via. Selain itu, impedans setara yang disebabkan oleh induktans parasit tidak boleh diabaikan dan hubungan antara impedans setara dengan kapasitans parasit serta masa naik isyarat boleh ditunjukkan oleh formula di bawah.
Berdasarkan formula yang disebutkan di atas, prestasi elektrik via berubah mengikut parameter reka bentuk. Perubahan pada diameter via, panjang, pad dan antipad menyebabkan ketakselanjaran impedans dalam litar berkelajuan tinggi dengan integriti isyarat sangat terjejas. Analisis ciri isyarat dalam artikel ini terletak pada indeks S11(kerugian pulangan) dan S21(kehilangan sisipan). Apabila darjah pelemahan kehilangan sisipan adalah kurang daripada -3dB, lebar jalur berkesan digunakan untuk menilai dan menganalisis prestasi penghantaran isyarat bagi via buta/tertanam. Selain itu, simulasi TDR boleh digunakan untuk menganalisis pantulan yang disebabkan oleh ketakselanjaran impedans.
Pemodelan Simulasi dan Analisis Keputusan Vias Buta/Tertanam
Untuk mengkaji pengaruh via buta/tertanam terhadapPCB berkelajuan tinggiciri isyarat, artikel ini mereka bentuk model PCB 8 lapisan dengan perisian HFSS, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3 di bawah.
Dalam PCB ini, lapisan 1 hingga 2, 4 hingga 5 dan 7 hingga 8 semuanya ialah lapisan isyarat; lapisan ketiga ialah lapisan kuasa; lapisan keenam ialah lapisan bumi; ketebalan setiap lapisan ialah 0.2mm (8mil); bahan dielektrik ialah FR4; pemalar dielektrik ialah 4. Lebar penghalaan talian isyarat ialah 0.1mm (4mil), ketebalannya 0.13mm (1.1mil). Dalam simulasi, masa naik isyarat ditetapkan kepada 20ps dan frekuensi sapuan tertinggi ditetapkan kepada 100GHz.
• Perbandingan terhadap pengaruh ciri isyarat yang terhasil daripada via buta/tertimbus dan via lubang tembus
Apabila talian isyarat diperlukan untuk beredar dari lapisan pertama ke lapisan kelima, via buta boleh digunakan untuk sambungan. Jejari via buta ditetapkan kepada 0.1mm (4mil) dan panjangnya kepada 0.81mm (32mil).
Untuk tujuan perbandingan, sambungan via lubang tembus juga direka dengan jejari via lubang tembus 0.1mm. Di bawah keadaan ini, panjang stub via lubang tembus ialah 0.6mm.
Berdasarkan keputusan simulasi, apabila frekuensi berada dalam julat dari 40GHz hingga 80GHz, parameter rugi pantulan bagi blind via (S11) hanya 4dB hingga 7dB. Walau bagaimanapun, apabila frekuensi berada dalam julat dari 40GHz hingga 80GHz, parameter kehilangan pantulan bagi via lubang tembus (S11) hanya 4dB hingga 10dB. Apabila frekuensi ialah 76GHz, parameter kehilangan sisipan bagi via buta (S21) adalah yang terbesar. Walau bagaimanapun, apabila frekuensi ialah 52GHz, parameter kehilangan sisipan bagi via lubang tembus (S21) adalah yang terbesar. Jika kehilangan sisipan dijamin kurang daripada -3dB, lebar jalur operasi via buta akan menjadi 22GHz manakala lebar jalur operasi via lubang tembus hanya akan menjadi 15GHz.
Dari segi impedans ciri, julat perubahan impedans ciri via buta adalah antara 46 hingga 52 manakala julat perubahan impedans ciri via tembus adalah antara 42 hingga 53, yang bermaksud via buta mempunyai kesinambungan impedans talian penghantaran yang lebih baik. Oleh itu, berdasarkan kestabilan parameter S dan perubahan impedans ciri TDR, dapat ditunjukkan bahawa via buta mempunyai kualiti penghantaran yang lebih baik berbanding via tembus dari segi sambungan talian isyarat antara lapisan atas dan lapisan dalaman atau antara lapisan bawah dan lapisan dalaman.
Apabila talian isyarat perlu beredar dari lapisan kedua ke lapisan kelima, via tertanam boleh digunakan untuk sambungan. Jejari via tertanam ditetapkan kepada 0.1mm dan panjangnya 0.57mm. Via lubang tembus juga digunakan untuk perbandingan dengan jejari 0.1mil dan panjang stub berlebihan antara lapisan pertama dan lapisan kedua ialah 0.23mm manakala panjang stub berlebihan antara lapisan kelima dan lapisan kelapan ialah 0.6mm.
Berdasarkan keputusan simulasi, apabila frekuensi berada dalam julat dari 40GHz hingga 80GHz, parameter rugi pantulan bagi via tertanam (S11) hanya 4dB hingga 8dB dengan perubahan yang agak lancar. Walau bagaimanapun, apabila frekuensi berada dalam julat dari 40GHz hingga 80GHz, parameter rugi pantulan bagi thru-hole via (S11) hanya 4dB hingga 10dB. Terutamanya apabila frekuensi ialah 32GHz, pelemahan berubah menjadi 13dB serta-merta, menjejaskan kestabilan penghantaran. Apabila frekuensi ialah 77GHz, parameter kehilangan sisipan bagi via tertanam (S21) adalah yang terbesar. Walau bagaimanapun, apabila frekuensi ialah 54GHz, parameter kehilangan sisipan bagi via lubang tembus (S21) adalah yang terbesar. Jika kehilangan sisipan dijamin kurang daripada -3dB, lebar jalur operasi via tertanam ialah 32GHz manakala lebar jalur operasi via lubang tembus hanya 20GHz.
Selain itu, perubahan TDR ciri bagi via tertanam adalah dalam julat dari 41.8 hingga 52 manakala perubahan TDR ciri bagi via lubang tembus adalah dalam julat dari 37.5 hingga 52, yang bermaksud bahawa via tertanam mempunyai kesinambungan impedans talian penghantaran yang lebih baik berbanding via lubang tembus. Oleh itu, berdasarkan kestabilan parameter S dan perubahan TDR impedans ciri, dapat ditunjukkan bahawa via tertanam mempunyai kualiti penghantaran yang lebih baik daripada via lubang tembus dari segi sambungan talian isyarat antara lapisan dalaman.
• Pengaruh diameter via buta/tertimbus, pad dan antipad terhadap ciri-ciri isyarat
Untuk mengkaji pengaruh diameter via buta/tertimbus, pad dan antipad terhadap ciri isyarat, saiz pad dan antipad bagi via buta/tertimbus boleh ditetapkan. Nilai awal jejari via buta/tertimbus ditetapkan pada 0.1mm dan ia berubah dalam julat daripada 0.1mm hingga 0.175mm.
Berdasarkan hasil simulasi, dapat dinyatakan bahawa apabila jejari via buta berubah dalam julat daripada 0.1mm hingga 0.175mm, perubahan impedans berada dalam julat daripada 6 hingga 13.5 dengan darjah ketakselanjaran impedans meningkat yang menyebabkan peningkatan dari segi julat kehilangan sisipan S21. Apabila frekuensi berada dalam julat dari 20GHz hingga 60GHz, pelemahan maksimum mencapai 1.7dB. Sementara itu, apabila jejari via tertanam berubah dalam julat dari 4mil hingga 7mil, perubahan impedans berada dalam julat dari 10 hingga 17 dengan tahap ketakselanjaran impedans meningkat yang menyebabkan peningkatan dari segi julat kehilangan sisipan S21. Apabila frekuensi berada dalam julat dari 20GHz hingga 60GHz, pelemahan maksimum mencapai 1.6dB.
Dengan diameter via buta dan antipad tidak berubah, nilai awal jejari pad via buta/tertimbus ditetapkan pada 0.2mm dan ia berubah dalam julat daripada 0.2mm hingga 0.28mm.
Berdasarkan keputusan simulasi, dapat dinyatakan bahawa apabila jejari pad via buta berubah dalam julat daripada 0.2mm hingga 0.28mm, perubahan impedans berada dalam julat daripada 6.5 hingga 10.5 yang menyebabkan peningkatan dari segi julat kehilangan sisipan S21. Selain itu, pelemahan terbesar meningkat sebanyak 2dB. Sementara itu, apabila jejari pad via tertanam berubah dalam julat daripada 0.2mm kepada 0.28mm, perubahan impedans berada dalam julat daripada 10.5 hingga 15.5 dengan tahap ketakselanjaran impedans meningkat yang menyebabkan peningkatan dari segi julat kehilangan sisipan S21. Selain itu, pelemahan terbesar meningkat sebanyak 3.2dB.
Dengan diameter via buta/tertimbus dan saiz pad tidak berubah, nilai awal antipad ditetapkan pada 0.3mm dan ia berubah dalam julat daripada 0.3mm hingga 0.375mm.
Berdasarkan hasil simulasi, dapat dinyatakan bahawa apabila saiz antipad via buta berubah dalam julat daripada 0.3mm hingga 0.375mm, perubahan impedans berada dalam julat daripada 6.5 hingga 5.5 yang menyebabkan pengurangan dari segi darjah ketakselanjaran impedans dan julat kehilangan sisipan S21. Selain itu, pelemahan terbesar meningkat sebanyak 3.2dB. Sementara itu, apabila saiz antipad via tertanam berubah dalam julat daripada 0.3mm kepada 0.375mm, perubahan impedans berada dalam julat daripada 10 kepada 7.5 yang menyebabkan pengurangan dari segi darjah ketakselanjaran impedans dan julat kehilangan sisipan S21. Selain itu, pelemahan terbesar meningkat sebanyak 3dB.
Kesimpulan
Dengan model PCB 8 lapis dengan via buta dan tertanam yang dibangunkan melalui HFSS, artikel ini membandingkan parameter S dan TDR impedans ciri bagi via buta/tertanam dan via lubang tembus. Dapat disimpulkan bahawa via buta/tertanam mempunyai kehilangan sisipan yang lebih kecil dan ketakselanjaran impedans yang lebih baik berbanding via lubang tembus. Di bawah syarat bahawa kehilangan sisipan adalah kurang daripada -3 dB, via buta/tertanam mempunyai jalur lebar operasi yang lebih luas berbanding via lubang tembus.
Artikel ini juga menganalisis pengaruh parameter termasuk diameter via, pad dan antipad terhadap ciri isyarat buta/tertimbus. Dengan peningkatan diameter via buta/tertimbus dan saiz pad, pelemahan kehilangan sisipan isyarat berkurang sewajarnya dan tahap ketakselanjaran impedans meningkat. Namun, dengan peningkatan saiz antipad bagi via buta/tertimbus, pelemahan kehilangan sisipan isyarat berkurang dan begitu juga ketakselanjaran impedans.
Jika kehilangan sisipan adalah kurang daripada -3dB dan jalur lebar operasi berkesan mencapai 20GHz, jejari via buta hendaklah tidak lebih besar daripada 0.175mm dan jejari via tertanam hendaklah tidak lebih besar daripada 0.23mm; pad via buta hendaklah tidak lebih besar daripada 0.25mm dan pad via tertanam hendaklah tidak lebih besar daripada 0.275mm; antipad via buta hendaklah tidak lebih kecil daripada 0.25mm dan antipad via tertanam hendaklah tidak lebih kecil daripada 0.23mm.
Jika julat perubahan impedans dikawal dalam ±10%, jejari bagi kedua-dua via buta dan via tertanam hendaklah tidak lebih besar daripada 0.125mm; pad bagi via buta hendaklah tidak lebih besar daripada 0.25mm dan pad bagi via tertanam hendaklah tidak lebih besar daripada 0.175mm; antipad bagi via buta hendaklah tidak lebih kecil daripada 0.275mm dan antipad bagi via tertanam hendaklah tidak lebih kecil daripada 0.4mm.
PCBCart Mempunyai Keupayaan untuk Menghasilkan PCB dengan Via Buta, Via Tertanam dan Via Lubang Tembus.
