Как проектировать глухие/скрытые переходные отверстия в высокоскоростных цифровых схемах

С увеличением применения крупномасштабных и сверхкрупномасштабных интегральных схем в системе схем печатные платы демонстрируют тенденцию развития к многослойности и сложности из-за увеличения масштаба интеграции микросхем, уменьшения объема, увеличения количества контактов и увеличения. скорости. Большинство высокоскоростных многослойных печатных плат реализуют соединения между слоями через переходные отверстия. Однако для электрических соединений, которые не циркулируют сверху вниз, возможно, будет иметь место избыточное сквозное отверстие через шлейф, что сильно повлияет на качество передачи печатной платы. Следовательно, применительно к некоторым высокоскоростным цифровым системам с высокой производительностью и высокими требованиями никогда нельзя пренебрегать влиянием избыточных шлейфов. Основываясь на попытках сбалансировать стоимость и производительность, возникает конструкция глухих / скрытых переходных отверстий, чтобы эффективно избежать избыточного эффекта заглушки и повысить качество передачи систем.

В этой статье, при проектировании глухих и скрытых переходных отверстий в качестве объектов исследования и с помощью моделирования, в основном анализируется влияние параметров, касающихся диаметров сквозных отверстий, контактных площадок и антиплощадок, на характеристики сигнала, такие как параметр S и непрерывность импеданса, а также приводятся практические инструкции для высоких -скоростная печатная плата слепая/заглубленная в конструкцию.

Основные параметры и индекс производительности глухих/заглубленных переходных отверстий

Для многослойных печатных плат высокоскоростных цифровых схем переходные отверстия необходимы для высокоскоростной сигнальной связи между линиями межсоединений в одной плоскости и линиями межсоединений в другой плоскости. Переходные отверстия на самом деле представляют собой электрические проводники, соединяющие трассы между различными плоскостями. В зависимости от конструкции печатной платы переходные отверстия можно разделить на сквозные, глухие и скрытые переходные отверстия, как показано на рис. 1.

• Сквозные отверстия, проходящие через всю печатную плату, применяются для взаимосвязанных маршрутов между слоями или в качестве переходных отверстий для позиционирования компонентов.

• Глухие переходные отверстия, не проходя через всю печатную плату, отвечают за соединение между внутренними слоями печатной платы и трассировку плоскости поверхности.

• Скрытые переходные отверстия отвечают только за соединение между внутренними слоями печатной платы. Их нельзя увидеть непосредственно по внешнему виду печатных плат.

Переходные отверстия нельзя рассматривать как электрическое соединение, и необходимо учитывать их влияние на целостность сигнала. Таким образом, лучшее понимание влияния конструкции переходных отверстий на характеристики высокоскоростных цифровых схем полезно для отличного решения по обеспечению целостности сигнала, чтобы можно было оптимизировать конструкцию высокоскоростной цифровой системы и качество передачи высокоскоростных сигналов. можно улучшить.

В высокоскоростных цепях эквивалентная электрическая модель переходных отверстий может быть обозначена как рисунок 2, на котором C₁ , С₂ и L соответственно относятся к паразитной емкости и индуктивности переходных отверстий.

Согласно этой модели, все переходные отверстия в высокоскоростных цепях будут генерировать паразитную емкость относительно земли. Паразитную емкость можно рассчитать по формуле ниже:

В этой формуле паразитная емкость переходных отверстий равна диаметру антиплощадки к земле, диаметру контактных площадок переходных отверстий, диэлектрической проницаемости материала подложки и толщине печатной платы. В высокоскоростных цифровых схемах паразитная емкость переходных отверстий замедляет или снижает время нарастания сигнала и снижает скорость цепи. Для линии передачи с волновым сопротивлением Z₀ , соотношение между паразитной емкостью и временем нарастания сигналов может быть указано в виде формулы ниже.

Когда высокоскоростные сигналы проходят через переходные отверстия, также генерируется паразитная индуктивность. В высокоскоростных цифровых схемах влияние паразитной индуктивности переходных отверстий больше, чем паразитной емкости. Паразитную индуктивность можно рассчитать по приведенной ниже формуле.

В этой формуле паразитная индуктивность переходных отверстий равна длине переходных отверстий и диаметру переходных отверстий. Более того, эквивалентным импедансом, вызванным паразитной индуктивностью, никогда нельзя пренебрегать, а взаимосвязь между эквивалентным импедансом и паразитной емкостью и временем нарастания сигналов может быть указана в приведенной ниже формуле.

На основании формул, приведенных выше, электрические характеристики переходных отверстий меняются в зависимости от конструктивных параметров. Изменения диаметра переходного отверстия, длины, площадки и антипады приводят к неоднородности импеданса в высокоскоростных цепях, что сильно влияет на целостность сигнала. Анализ характеристик сигнала в этой статье заключается в индексах S₁₁ (возвратные потери) и S₂₁ (вносимые потери). Когда степень затухания вносимых потерь меньше -3 дБ, эффективная полоса пропускания применяется для оценки и анализа характеристик передачи сигнала глухих/скрытых переходных отверстий. Кроме того, моделирование TDR можно применять для анализа отражения, вызванного неоднородностью импеданса.

Моделирование и анализ результатов глухих/заглубленных переходных отверстий

Чтобы исследовать влияние глухих/скрытых переходных отверстий на характеристики сигнала высокоскоростной печатной платы, в этой статье разработана 8-слойная модель печатной платы с программным обеспечением HFSS, показанная на рис. 3 ниже.

На этой печатной плате слои с 1 по 2, с 4 по 5 и с 7 по 8 являются сигнальными слоями; третий слой — силовой; шестой слой грунтовый; толщина каждого слоя 0,2 мм (8 мил); диэлектрический материал FR4; Коэффициент диэлектрической проницаемости равен 4. Ширина разводки сигнальных линий составляет 0,1 мм (4 мила), толщина 0,13 мм (1,1 мила). При моделировании время нарастания сигналов установлено равным 20 пс, а максимальная частота развертки установлена ​​равной 100 ГГц.

• Сравнение влияния характеристик сигнала от глухих/скрытых переходных отверстий и сквозных переходных отверстий

Когда требуется, чтобы сигнальная линия циркулировала от первого слоя к пятому слою, для соединения можно использовать глухие переходные отверстия. Радиус глухого переходного отверстия установлен равным 0,1 мм (4 мила), а длина — 0,81 мм (32 мила).

Для сравнения, сквозное соединение выполнено также с радиусом сквозного отверстия 0,1 мм. В этом случае длина отрезка сквозного отверстия составляет 0,6 мм.

По результатам моделирования, когда частота находится в диапазоне от 40 ГГц до 80 ГГц, параметр обратных потерь слепого перехода (S₁₁ ) составляет всего от 4 дБ до 7 дБ. Однако, когда частота находится в диапазоне от 40ГГц до 80ГГц, параметр обратных потерь сквозного сквозного отверстия (S₁₁ ) составляет всего от 4 дБ до 10 дБ. При частоте 76 ГГц параметр вносимых потерь слепого перехода (S₂₁ ) самый большой. Однако при частоте 52 ГГц параметр вносимых потерь сквозного отверстия (S₂₁ ) самый большой. Если вносимые потери гарантированно будут меньше -3 дБ, рабочая полоса пропускания слепого переходного отверстия будет составлять 22 ГГц, а рабочая полоса пропускания сквозного сквозного отверстия – всего 15 ГГц.

С точки зрения характеристического сопротивления, категория изменения характеристического сопротивления глухих переходных отверстий находится в диапазоне от 46 до 52, в то время как категория изменения характеристического сопротивления сквозных переходных отверстий составляет от 42 до 53, что означает, что глухие переходные отверстия имеют лучшую линию передачи. непрерывность импеданса. Следовательно, на основе стабильности параметров S и изменения характеристического импеданса TDR можно проиллюстрировать, что глухие переходные отверстия имеют лучшее качество передачи, чем сквозные переходные отверстия, с точки зрения соединения сигнальных линий между верхним слоем и внутренним слоем или между нижним слоем и внутренним слоем. слой.

Когда требуется, чтобы сигнальная линия циркулировала от второго уровня к пятому слою, для соединения можно использовать скрытое переходное отверстие. Радиус скрытых переходных отверстий установлен равным 0,1 мм, а длина — 0,57 мм. Сквозное отверстие также применяется для сравнения с его радиусом 0,1 мил, а длина избыточного шлейфа между первым и вторым слоями составляет 0,23 мм, а длина избыточного шлейфа между пятым и восьмым слоями составляет 0,6 мм.

По результатам моделирования, когда частота находится в диапазоне от 40 ГГц до 80 ГГц, параметр обратных потерь скрытого переходного отверстия (S₁₁ ) составляет всего от 4 дБ до 8 дБ с относительно плавным изменением. Однако, когда частота находится в диапазоне от 40ГГц до 80ГГц, параметр обратных потерь сквозного сквозного отверстия (S₁₁ ) составляет всего от 4 дБ до 10 дБ. Особенно при частоте 32 ГГц затухание мгновенно изменяется до 13 дБ, что влияет на стабильность передачи. При частоте 77 ГГц параметр вносимых потерь скрытого переходного отверстия (S₂₁ ) самый большой. Однако при частоте 54 ГГц параметр вносимых потерь сквозного отверстия (S₂₁ ) самый большой. Если вносимые потери гарантированно меньше -3 дБ, рабочая полоса пропускания скрытых переходных отверстий составляет 32 ГГц, а рабочая пропускная способность сквозных переходных отверстий – всего 20 ГГц.

Кроме того, изменение характеристического TDR скрытых переходных отверстий находится в диапазоне от 41,8 до 52, а изменение характеристического TDR сквозных переходных отверстий находится в диапазоне от 37,5 до 52, что означает, что заглубленные переходные отверстия имеют лучшую непрерывность импеданса линии передачи, чем сквозное отверстие через. Следовательно, на основе стабильности параметров S и изменения характеристического импеданса TDR можно проиллюстрировать, что скрытые переходные отверстия имеют лучшее качество передачи, чем сквозные переходные отверстия, с точки зрения соединения сигнальных линий между внутренними слоями.

• Влияние диаметра глухого/заглубленного переходного отверстия, площадки и антиплощадки на характеристики сигнала

Чтобы изучить влияние диаметра глухих/скрытых переходных отверстий, контактной площадки и антиплощадки на характеристики сигнала, можно зафиксировать размер контактной площадки и антипадной зоны глухих/скрытых переходных отверстий. Начальное значение радиуса глухих/скрытых переходных отверстий установлено равным 0,1 мм и изменяется в пределах категории от 0,1 мм до 0,175 мм.

По результатам моделирования можно указать, что при изменении радиуса глухого отверстия в пределах категории от 0,1 мм до 0,175 мм изменение импеданса лежит в категории от 6 до 13,5 с увеличением степени разрывности импеданса, что приводит к увеличение диапазона вносимых потерь S₂₁ . Когда частота находится в диапазоне от 20 ГГц до 60 ГГц, наибольшее затухание достигает 1,7 дБ. При этом при изменении радиуса заглубленного переходного отверстия в пределах категории от 4 мил до 7 мил изменение импеданса лежит в категории от 10 до 17 с увеличением степени неоднородности импеданса, что приводит к увеличению диапазона вносимых потерь S₂₁ . Когда частота находится в диапазоне от 20 ГГц до 60 ГГц, максимальное затухание достигает 1,6 дБ.

При неизменном диаметре глухого переходного отверстия и антиплощадки начальное значение радиуса глухого/скрытого переходного отверстия устанавливается равным 0,2 мм и изменяется в пределах категории от 0,2 мм до 0,28 мм.

По результатам моделирования можно указать, что при изменении радиуса слепого переходного отверстия в пределах категории от 0,2 мм до 0,28 мм изменение импеданса лежит в категории от 6,5 до 10,5, что приводит к увеличению дальности действия. вносимых потерь S₂₁ . Кроме того, наибольшее затухание увеличивается на 2 дБ. При этом при изменении радиуса заглубленного переходного отверстия в пределах категории от 0,2 мм до 0,28 мм изменение импеданса лежит в категории от 10,5 до 15,5 с увеличением степени неоднородности импеданса, что приводит к увеличению диапазона вносимых потерь. С₂₁ . Кроме того, максимальное затухание увеличивается на 3,2 дБ.

При неизменном диаметре глухого/скрытого переходного отверстия и размера площадки начальное значение антиплощадки устанавливается равным 0,3 мм и изменяется в пределах категории от 0,3 мм до 0,375 мм.

По результатам моделирования можно указать, что при изменении размера слепого через антипрокладку в пределах категории от 0,3 мм до 0,375 мм изменение импеданса лежит в категории от 6,5 до 5,5, что вызывает уменьшение степени разрыва импеданса и диапазона вносимых потерь S₂₁ . Кроме того, наибольшее затухание увеличивается на 3,2 дБ. При этом при изменении размера заглубленного переходного отверстия в пределах категории от 0,3 мм до 0,375 мм изменение импеданса лежит в категории от 10 до 7,5, что вызывает уменьшение степени скачкообразности импеданса и диапазона вносимых потерь S ₂₁ . Кроме того, максимальное затухание увеличивается на 3 дБ.

Заключение

С 8-слойной печатной платой с моделью глухих и скрытых переходных отверстий, созданной с помощью HFSS, в этой статье сравниваются S-параметры и характеристический импеданс TDR глухих/скрытых переходных отверстий и сквозных переходных отверстий. Можно сделать вывод, что глухие/скрытые переходные отверстия имеют меньшие вносимые потери и лучшую неоднородность импеданса, чем сквозные переходные отверстия. При условии, что вносимые потери меньше -3 дБ, глухие/скрытые переходные отверстия имеют более широкую рабочую полосу пропускания, чем сквозные переходные отверстия.

В этой статье также анализируется влияние параметров, в том числе диаметра переходного отверстия, контактной площадки и антипадной зоны, на характеристики слепого/скрытого сигнала. С увеличением диаметра глухих/скрытых переходных отверстий и размера контактной площадки затухание вносимых потерь сигнала соответственно уменьшается, а степень неоднородности импеданса увеличивается. Тем не менее, с увеличением размера антиплощадки глухих/скрытых переходных отверстий затухание вносимых потерь сигнала уменьшается, а следовательно, и скачки импеданса соответственно.

Если вносимые потери меньше -3 дБ, а эффективная рабочая полоса пропускания достигает 20 ГГц, радиус глухих переходных отверстий не должен превышать 0,175 мм, а радиус скрытых переходных отверстий не должен превышать 0,23 мм; контактная площадка глухих переходных отверстий должна быть не более 0,25 мм, а контактная площадка скрытых переходных отверстий должна быть не более 0,275 мм; антипад глухих переходных отверстий должен быть не менее 0,25 мм, а антипад скрытых переходных отверстий должен быть не менее 0,23 мм.

Если диапазон изменения импеданса регулируется в пределах ±10%, радиус как глухих, так и скрытых переходных отверстий не должен превышать 0,125 мм; контактная площадка глухих переходных отверстий должна быть не более 0,25 мм, а контактная площадка скрытых переходных отверстий должна быть не более 0,175 мм; антипад глухих переходных отверстий должен быть не менее 0,275 мм, а антипад скрытых переходных отверстий должен быть не менее 0,4 мм.

PCBCart имеет возможности для производства печатных плат со глухими переходными отверстиями, скрытыми переходными отверстиями и сквозными переходными отверстиями.

Нужны печатные платы с глухими переходными отверстиями, скрытыми переходными отверстиями и сквозными переходными отверстиями? PCBCart поможет вам! Все, что мы просим, ​​это готовый файл дизайна печатной платы для планирования производства. Всякий раз, когда у вас есть проектный файл, укажите цены на вашу печатную плату, нажав кнопку ниже. Цена появится через несколько секунд!

Полезные ресурсы:
• Сравнение глухих и скрытых переходных отверстий
• PCBCart предоставляет полнофункциональные услуги по изготовлению печатных плат
• Помимо изготовления печатных плат, PCBCart также предлагает расширенные услуги по сборке печатных плат под ключ
• Требования к файлу проекта печатной платы для расчета стоимости и производства быстрой сборки печатной платы
• 3 важных элемента, о которых вы не знали, о скрытых и слепых переходных отверстиях в HDI Flex-жестких печатных платах