Освоение проектирования слепых и зарытых виа для высокоскоростных цифровых печатных плат

С возрастающим применением больших и сверхбольших интегральных схем в системах схем печатные платы демонстрируют тенденцию развития к многослойности и сложности из-за увеличения степени интеграции чипов, уменьшения объема, роста числа выводов и повышения скорости. Большинство высокоскоростных многослойных печатных плат реализуют связи между слоями через сквозные виа (thru-hole vias). Однако для электрических связей, которые не проходят сверху вниз, могут возникнуть избыточные остатки (stub) сквозных виа, что плохо влияет на качество передачи печатной платы. Поэтому в некоторых высокоскоростных цифровых системах с высокой производительностью и высокими требованиями влияние избыточных остатков никогда не может быть пренебрежено. Основываясь на попытках балансировать стоимость и производительность, появляется проектирование слепых/зарытых виа (blind/buried vias) для эффективного избегания эффекта избыточных остатков и повышения качества передачи систем.

Имея в объектах исследования проектирование слепых и зарытых виа и через моделирование симуляции, статья в основном анализирует влияние параметров, касающихся диаметров виа слепых/зарытых виа, площадок (pad) и антиплощадок (antipad) на сигнальные характеристики, такие как S-параметры и непрерывность импеданса, и предоставляет практические инструкции для проектирования слепых/зарытых виа высокоскоростных печатных плат.

Основные параметры и показатели производительности слепых/зарытых виа

Для высокоскоростных цифровых схем многослойных печатных плат виа необходимы для высокоскоростного сигнального соединения между линиями межсоединений в одной плоскости и линиями межсоединений в другой плоскости. Виа являются электрическими проводниками, соединяющими трассировку между разными плоскостями. Исходя из различий проектирования печатных плат, виа можно классифицировать на сквозные виа, слепые виа и зарытые виа, как показано на рисунке 1.

• Сквозные виа, проходящие через всю печатную плату, применяются для межсоединенных трассировок между слоями или как позиционирующие виа для компонентов.
• Слепые виа, не проходящие через всю печатную плату, отвечают за соединение между внутренними слоями печатной платы и поверхностной трассировкой.
• Зарытые виа отвечают за соединение только между внутренними слоями печатной платы. Их нельзя увидеть непосредственно из внешнего вида печатных плат.

Виа нельзя рассматривать просто как электрическое соединение — их влияние на целостность сигнала должно учитываться. Поэтому лучшее понимание влияния архитектурного проектирования виа на производительность высокоскоростных цифровых схем полезно для отличного решения проблем целостности сигнала, чтобы оптимизировать проектирование высокоскоростных цифровых систем и улучшить качество передачи высокоскоростных сигналов.

В высокоскоростных схемах эквивалентная электрическая модель виа может быть показана на рисунке 2, где C₁, C₂ и L относятся к паразитной емкости и индуктивности виа.

На основе этой модели все виа в высокоскоростных схемах генерируют паразитную емкость к земле. Паразитная емкость может быть рассчитана по формуле:

В этой формуле паразитная емкость виа равна диаметру антиплощадки к земле, диаметру площадок виа, диэлектрической константе материала подложки и толщине печатной платы. В высокоскоростных цифровых схемах паразитная емкость виа делает время нарастания сигнала медленным или сниженным и замедляет скорость схемы. Для линии передачи, чей волновой импеданс равен Z₀, соотношение между паразитной емкостью и временем нарастания сигналов можно указать формулой:

Когда высокоскоростные сигналы проходят через виа, также генерируется паразитная индуктивность. В высокоскоростных цифровых схемах влияние паразитной индуктивности виа больше, чем паразитной емкости. Паразитная индуктивность может быть рассчитана по формуле:

В этой формуле паразитная индуктивность виа равна длине виа и диаметру виа. Кроме того, эквивалентный импеданс, вызванный паразитной индуктивностью, никогда не может быть пренебрежен, и соотношение между эквивалентным импедансом, паразитной емкостью и временем нарастания сигналов можно указать формулой:

Основываясь на формулах выше, электрическая производительность виа меняется с параметрами проектирования. Изменения диаметра виа, длины, площадки и антиплощадки приводят к разрыву импеданса в высокоскоростных схемах, сильно влияя на целостность сигнала. Анализ сигнальных характеристик в статье основан на индексах S₁₁ (возвращаемые потери) и S₂₁ (вставочные потери). Когда степень затухания вставочных потерь меньше -3 дБ, эффективная полоса пропускания применяется для оценки и анализа производительности передачи сигналов слепых/зарытых виа. Кроме того, TDR-симуляция может применяться для анализа отражения, вызванного разрывом импеданса.

Моделирование симуляции и анализ результатов слепых/зарытых виа

Для исследования влияния слепых/зарытых виа на сигнальные характеристики высокоскоростных печатных плат в статье проектируется 8-слойная модель печатной платы с программным обеспечением HFSS, показана на рисунке 3.

В этой печатной плате слои 1–2, 4–5 и 7–8 — все сигнальные слои; третий слой — питание; шестой слой — земля; толщина каждого слоя 0,2 мм (8 мил); диэлектрик — FR4; диэлектрический коэффициент 4. Ширина трассировки сигнальных линий 0,1 мм (4 мил), толщина 0,13 мм (1,1 мил). В симуляции время нарастания сигналов установлено 20 пс, максимальная частота сканирования 100 ГГц.

Сравнение влияния на сигнальные характеристики слепых/зарытых виа и сквозных виа

Когда сигнальная линия должна соединяться от первого слоя к пятому, можно применить слепую виа для соединения. Радиус слепой виа установлен 0,1 мм (4 мил), длина 0,81 мм (32 мил).

Для сравнения также спроектировано соединение сквозной виа с радиусом 0,1 мм. При этом длина остатка (stub) сквозной виа составляет 0,6 мм.

По результатам симуляции, когда частота в диапазоне 40–80 ГГц, параметр возвращаемых потерь слепой виа (S₁₁) составляет только 4–7 дБ. Однако для сквозной виа в том же диапазоне S₁₁ — 4–10 дБ. Когда частота 76 ГГц, параметр вставочных потерь слепой виа (S₂₁) максимален. Для сквозной виа максимум S₂₁ при 52 ГГц. Если вставочные потери гарантированно меньше -3 дБ, рабочая полоса пропускания слепой виа составит 22 ГГц, а сквозной виа — только 15 ГГц.

По волновому импедансу: диапазон изменения характеристического импеданса слепых виа — 46–52 Ом, сквозных виа — 42–53 Ом, что означает, что слепые виа имеют лучшую непрерывность импеданса линии передачи. Поэтому, основываясь на стабильности S-параметров и изменении характеристического импеданса TDR, можно проиллюстрировать, что слепые виа имеют лучшее качество передачи, чем сквозные виа, для соединения сигнальных линий между верхним слоем и внутренним или между нижним и внутренним.

Когда сигнальная линия должна соединяться со второго слоя к пятому, можно применить зарытую виа. Радиус зарытой виа 0,1 мм, длина 0,57 мм. Сквозная виа для сравнения с радиусом 0,1 мил (вероятно, 0,1 мм), длина избыточного остатка между 1 и 2 слоем 0,23 мм, между 5 и 8 слоем — 0,6 мм.

По результатам симуляции, при частоте 40–80 ГГц параметр возвращаемых потерь зарытой виа (S₁₁) — 4–8 дБ с относительно плавным изменением. Для сквозной виа в том же диапазоне S₁₁ — 4–10 дБ. Особенно при 32 ГГц затухание мгновенно меняется на 13 дБ, влияя на стабильность передачи. При 77 ГГц параметр вставочных потерь зарытой виа (S₂₁) максимален, для сквозной виа — при 54 ГГц. Если вставочные потери < -3 дБ, рабочая полоса пропускания зарытой виа — 32 ГГц, сквозной виа — только 20 ГГц.

Кроме того, изменение характеристического TDR зарытой виа в диапазоне 41,8–52 Ом, сквозной виа — 37,5–52 Ом, что означает, что зарытая виа обладает лучшей непрерывностью импеданса линии передачи. Поэтому, основываясь на стабильности S-параметров и изменении характеристического импеданса TDR, можно проиллюстрировать, что зарытые виа имеют лучшее качество передачи, чем сквозные виа, для соединения сигнальных линий между внутренними слоями.

Влияние диаметра слепых/зарытых виа, площадки и антиплощадки на сигнальные характеристики

Для изучения влияния диаметра слепых/зарытых виа, площадки и антиплощадки на сигнальные характеристики размеры площадки и антиплощадки фиксируются. Начальное значение радиуса слепых/зарытых виа установлено 0,1 мм и меняется в диапазоне 0,1–0,175 мм.

По результатам симуляции: когда радиус слепой виа меняется в диапазоне 0,1–0,175 мм, изменение импеданса лежит в категории 6–13,5 Ом, степень разрыва импеданса увеличивается, вызывая увеличение диапазона вставочных потерь S₂₁. При частоте 20–60 ГГц максимальное затухание достигает 1,7 дБ. Для зарытой виа при изменении радиуса 4–7 мил изменение импеданса 10–17 Ом, максимальное затухание 1,6 дБ в диапазоне 20–60 ГГц.

С неизменным диаметром виа и антиплощадкой, начальное значение радиуса площадки слепых/зарытых виа 0,2 мм, меняется в диапазоне 0,2–0,28 мм.

Результаты: для слепой виа изменение импеданса 6,5–10,5 Ом, максимальное затухание увеличивается на 2 дБ. Для зарытой виа изменение импеданса 10,5–15,5 Ом, максимальное затухание увеличивается на 3,2 дБ.

С неизменным диаметром виа и размером площадки, начальное значение антиплощадки 0,3 мм, меняется в диапазоне 0,3–0,375 мм.

Результаты: для слепой виа изменение импеданса 6,5–5,5 Ом (уменьшается), степень разрыва импеданса и диапазон S₂₁ уменьшаются, максимальное затухание увеличивается на 3,2 дБ. Для зарытой виа изменение импеданса 10–7,5 Ом (уменьшается), степень разрыва и диапазон S₂₁ уменьшаются, максимальное затухание увеличивается на 3 дБ.

Заключение

С 8-слойной моделью печатной платы со слепыми и зарытыми виа, установленной через HFSS, статья сравнивает S-параметры и характеристический импеданс TDR слепых/зарытых виа и сквозных виа. Можно заключить, что слепые/зарытые виа имеют меньшие вставочные потери и лучшую непрерывность импеданса, чем сквозные виа. При условии вставочных потерь < -3 дБ слепые/зарытые виа имеют более широкую рабочую полосу пропускания, чем сквозные виа.

Статья также анализирует влияние параметров: диаметра виа, площадки и антиплощадки на сигнальные характеристики слепых/зарытых виа. С увеличением диаметра виа и размера площадки затухание вставочных потерь сигнала уменьшается, а степень разрыва импеданса увеличивается. Однако с увеличением размера антиплощадки слепых/зарытых виа затухание вставочных потерь уменьшается, и разрыв импеданса также уменьшается соответственно.

Если вставочные потери < -3 дБ и эффективная рабочая полоса пропускания достигает 20 ГГц, радиус слепых виа не должен превышать 0,175 мм, радиус зарытых виа — 0,23 мм; площадка слепых виа не более 0,25 мм, зарытых — 0,275 мм; антиплощадка слепых виа не менее 0,25 мм, зарытых — не менее 0,23 мм.

Если диапазон изменения импеданса контролируется в пределах ±10%, радиус слепых и зарытых виа не более 0,125 мм; площадка слепых виа не более 0,25 мм, зарытых — не более 0,175 мм; антиплощадка слепых виа не менее 0,275 мм, зарытых — не менее 0,4 мм.

PCBCart обладает возможностями для производства печатных плат со слепыми виа, зарытыми виа и сквозными виа.

Нужны печатные платы со слепыми виа, зарытыми виа и сквозными виа? PCBCart покроет ваши потребности! Все, что нам нужно — готовый файл проектирования печатной платы для планирования производства. Когда у вас есть файл проектирования, пожалуйста, запросите цену вашей печатной платы, нажав кнопку ниже. Цена появится за секунды!

Полезные ресурсы:
• Сравнение между слепыми и зарытыми виа
• PCBCart предоставляет полнофункциональный сервис производства печатных плат
• Кроме производства печатных плат, PCBCart также предлагает продвинутый под ключ сервис сборки печатных плат
• Требования к файлам проектирования печатных плат для быстрого расчета цены сборки и производства
• 3 важных элемента, которые вы не знаете о зарытых и слепых виа в HDI гибко-жестких печатных платах