Cómo diseñar vías ciegas/enterradas en circuitos digitales de alta velocidad

Con las crecientes aplicaciones de circuitos integrados a gran escala y súper gran escala en el sistema de circuitos, las placas de circuito muestran una tendencia de desarrollo hacia múltiples capas y complejidad debido a la ampliación de la escala de integración de los chips, la reducción del volumen, la escalada de pines y el aumento de tasa de velocidad. La mayoría de los PCB multicapa de alta velocidad implementan conexiones entre capas a través de vías de orificio pasante. Sin embargo, para las conexiones eléctricas que no circulan de arriba hacia abajo, es posible que se produzca un thru-hole vía stub redundante, por lo que la calidad de transmisión de la PCB se verá afectada negativamente. Por lo tanto, en términos de algunos sistemas digitales de alta velocidad con alto rendimiento y altos requisitos, la influencia de los stubs redundantes nunca puede despreciarse. Basado en los intentos de equilibrar el costo con el rendimiento, el diseño de vías ciegas/enterradas surge para evitar efectivamente el efecto de ramal redundante y aumentar la calidad de transmisión de los sistemas.

Con el diseño de vías ciegas y enterradas como objetos de investigación y a través de la simulación de modelos, este artículo analiza principalmente la influencia de los parámetros relacionados con los diámetros de las vías ciegas/enterradas, pad y antipad en las características de la señal como el parámetro S y la continuidad de la impedancia y proporciona instrucciones prácticas a alta -velocidad PCB ciego/enterrado a través del diseño.

Parámetros principales e índice de rendimiento de vías ciegas/enterradas

Para PCB multicapa de circuito digital de alta velocidad, las vías son necesarias para la conexión de señal de alta velocidad entre las líneas de interconexión en un plano y las líneas de interconexión en otro plano. Las vías son en realidad conductores eléctricos que conectan rutas entre diferentes planos. En función de las diferencias de diseño de PCB, las vías se pueden clasificar en vías de orificio pasante, vías ciegas y vías enterradas, como se muestra en la Figura 1.

• Las vías de orificio pasante, que circulan por toda la PCB, se aplican para enrutamientos interconectados entre capas o como vías de posicionamiento para componentes.

• Las vías ciegas, sin circular por todo el PCB, son las responsables de la conexión entre las capas internas del PCB y el enrutamiento del plano superficial.

• Las vías enterradas son responsables de la conexión entre capas internas de PCB únicamente. No se pueden ver directamente desde la apariencia de los PCB.

Las vías no se pueden considerar como conexiones eléctricas y se debe considerar su influencia en la integridad de la señal. Por lo tanto, una mejor comprensión de la influencia del diseño de la arquitectura de vías en el rendimiento del circuito digital de alta velocidad es beneficiosa para la excelente solución a la integridad de la señal, de modo que se pueda optimizar el diseño del sistema digital de alta velocidad y la calidad de transmisión de las señales de alta velocidad. se puede mejorar.

En circuitos de alta velocidad, el modelo eléctrico equivalente de vías se puede indicar en la Figura 2 en la que C₁ , C₂ y L respectivamente se refiere a la capacidad parásita y la inductancia de las vías.

Basado en este modelo, todas las vías en circuitos de alta velocidad generarán capacitancia parásita a tierra. La capacitancia parásita se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

En esta fórmula, la capacitancia parásita de las vías es igual al diámetro de la antialmohadilla a tierra, el diámetro de las almohadillas de las vías, la constante dieléctrica del material del sustrato y el espesor de la PCB. En los circuitos digitales de alta velocidad, la capacitancia parásita de las vías hace que el tiempo de subida de la señal se vuelva lento o disminuya y reduce la velocidad del circuito. Para una línea de transmisión cuya impedancia característica es Z₀ , la relación entre la capacitancia parásita y el tiempo de subida de las señales se puede indicar con la siguiente fórmula.

Cuando las señales de alta velocidad pasan por las vías, también se genera una inductancia parásita. En los circuitos digitales de alta velocidad, la influencia de la inductancia parásita de las vías es mayor que la capacitancia parásita. La inductancia parásita se puede calcular de acuerdo con la fórmula a continuación.

En esta fórmula, la inductancia parásita de las vías es igual a la longitud de las vías y al diámetro de las vías. Además, la impedancia equivalente causada por la inductancia parásita nunca se puede despreciar y la relación entre la impedancia equivalente y la capacitancia parásita y el tiempo de subida de las señales se puede indicar mediante la siguiente fórmula.

Según las fórmulas mencionadas anteriormente, el rendimiento eléctrico de las vías cambia con los parámetros de diseño. Los cambios de diámetro de vía, longitud, pad y antipad conducen a la discontinuidad de la impedancia en circuitos de alta velocidad con la integridad de la señal muy influenciada. El análisis de las características de la señal en este artículo se encuentra en los índices de S₁₁ (pérdida de retorno) y S₂₁ (pérdida de inserción). Cuando el grado de atenuación de la pérdida de inserción es inferior a -3dB, se aplica el ancho de banda efectivo para evaluar y analizar el rendimiento de transmisión de la señal de las vías ciegas/enterradas. Además, la simulación TDR se puede aplicar para analizar la reflexión causada por la discontinuidad de la impedancia.

Modelado de simulación y análisis de resultados de vías ciegas/enterradas

Para investigar la influencia de las vías ciegas/enterradas en las características de la señal de PCB de alta velocidad, este artículo diseña un modelo de PCB de 8 capas con 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 poder; 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 de 0,13 mm (1,1 mil). En la simulación, el tiempo de subida de las señales se establece en 20ps y la frecuencia de barrido más alta se establece en 100GHz.

• 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 una vía ciega para la conexión. El radio de la vía ciega se establece en 0,1 mm (4 mil) y la longitud en 0,81 mm (32 mil).

En aras de la comparación, la conexión a través del orificio pasante también está diseñada con el radio del orificio pasante a través de 0,1 mm. En esta condición, la longitud del trozo del orificio pasante es de 0,6 mm.

Según el resultado de la simulación, cuando la frecuencia está en el rango de 40 GHz a 80 GHz, el parámetro de pérdida de retorno de la vía ciega (S₁₁ ) es solo de 4dB a 7dB. Sin embargo, cuando la frecuencia está en el rango de 40 GHz a 80 GHz, el parámetro de pérdida de retorno del orificio pasante vía (S₁₁ ) es solo de 4dB a 10dB. Cuando la frecuencia es de 76 GHz, el parámetro de pérdida de inserción de vía ciega (S₂₁ ) es el más grande. Sin embargo, cuando la frecuencia es de 52 GHz, el parámetro de pérdida de inserción del orificio pasante vía (S₂₁ ) es el más grande. Si se garantiza que la pérdida de inserción sea inferior a -3dB, el ancho de banda de operación de la vía ciega será de 22 GHz, mientras que el ancho de banda de operación de la vía de orificio pasante será de solo 15 GHz.

En términos de impedancia característica, la categoría de cambio de la impedancia característica de las vías ciegas está en el rango de 46 a 52, mientras que la categoría de cambio de la impedancia característica de las vías pasantes es de 42 a 53, lo que significa que las vías ciegas tienen una mejor línea de transmisión. continuidad de la impedancia. Por lo tanto, con base en la estabilidad de los parámetros S y el cambio de la impedancia característica TDR, se puede ilustrar que las vías ciegas tienen una mejor calidad de transmisión que las vías de orificio pasante en términos de conexión de la línea de señal entre la capa superior y la capa interna o entre la capa inferior y la interna. capa.

Cuando se requiere que una línea de señal circule desde la segunda capa hasta la quinta capa, se puede aplicar una vía enterrada para la conexión. El radio de las vías enterradas se establece en 0,1 mm y la longitud en 0,57 mm. La vía de orificio pasante también se aplica para comparar con su radio de 0,1 mil y la longitud del trozo redundante entre la primera y la segunda capa es de 0,23 mm, mientras que la longitud del trozo redundante entre la quinta y la octava capa es de 0,6 mm.

Con base en el resultado de la simulación, cuando la frecuencia está en el rango de 40 GHz a 80 GHz, el parámetro de pérdida de retorno de vía enterrada (S₁₁ ) es solo de 4dB a 8dB 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 orificio pasante vía (S₁₁ ) es solo de 4dB a 10dB. 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 de vía enterrada (S₂₁ ) es el más grande. Sin embargo, cuando la frecuencia es de 54 GHz, el parámetro de pérdida de inserción del orificio pasante vía (S₂₁ ) es el más grande. Si se garantiza que la pérdida de inserción es inferior a -3dB, el ancho de banda de operación de la vía enterrada es de 32 GHz, mientras que el ancho de banda de operación de la vía de orificio pasante es de solo 20 GHz.

Además, el cambio de la característica TDR de la vía enterrada está en el rango de 41,8 a 52, mientras que el cambio de la característica TDR de la vía de orificio pasante está en el rango de 37,5 a 52, lo que significa que la vía enterrada presenta una mejor continuidad de impedancia de línea de transmisión que vía de orificio pasante. Por lo tanto, en función de la estabilidad de los parámetros S y el cambio de la impedancia característica TDR, se puede ilustrar que las vías enterradas tienen una mejor calidad de transmisión que las vías de orificio pasante en términos de conexión de línea de señal entre capas internas.

• Influencia del diámetro de la vía ciega/enterrada, pad y antipad en las características de la señal

Para estudiar la influencia del diámetro de la vía ciega/enterrada, el pad y el antipad en las características de la señal, se puede fijar el tamaño del pad y el antipad de las vías ciegas/enterradas. El valor inicial del radio de las vías ciegas/enterradas se establece en 0,1 mm y cambia dentro de la categoría de 0,1 mm a 0,175 mm.

Con base en el resultado de la simulación, se puede indicar que cuando el radio de la vía ciega cambia dentro de la categoría de 0,1 mm a 0,175 mm, el cambio de impedancia se encuentra en la categoría de 6 a 13,5 con el grado de discontinuidad de impedancia aumentado que causa el aumento en términos de rango de pérdida de inserción S₂₁ . Cuando la frecuencia está en el rango de 20 GHz a 60 GHz, la mayor atenuación alcanza los 1,7 dB. Mientras tanto, cuando el radio de la vía enterrada cambia dentro de la categoría de 4mil a 7mil, el cambio de impedancia se encuentra en la categoría de 10 a 17 con el grado de discontinuidad de impedancia aumentado que provoca el aumento en términos de rango de pérdida de inserción S₂₁ . Cuando la frecuencia está en el rango de 20 GHz a 60 GHz, la mayor atenuación alcanza los 1,6 dB.

Con el diámetro de la vía ciega y el antipad sin cambios, el valor inicial del radio de la vía ciega/enterrada se establece en 0,2 mm y cambia dentro de la categoría de 0,2 mm a 0,28 mm.

Con base en el resultado de la simulación, se puede indicar que cuando el radio de la persiana a través de la almohadilla cambia dentro de la categoría de 0,2 mm a 0,28 mm, el cambio de impedancia se encuentra en la categoría de 6,5 a 10,5 que provoca el aumento en términos de rango. de pérdida de inserción S₂₁ . Además, la mayor atenuación aumenta en 2dB. Mientras tanto, cuando el radio de la almohadilla de vía enterrada cambia dentro de la categoría de 0,2 mm a 0,28 mm, el cambio de impedancia se encuentra en la categoría de 10,5 a 15,5 con el grado de discontinuidad de impedancia aumentado que provoca el aumento en términos de rango de pérdida de inserción. S₂₁ . Además, la mayor atenuación aumenta en 3,2 dB.

Con el diámetro de la vía ciega/enterrada y el tamaño de la almohadilla sin cambios, el valor inicial de la anti-almohadilla se establece en 0,3 mm y cambia dentro de la categoría de 0,3 mm a 0,375 mm.

Con base en el resultado de la simulación, se puede indicar que cuando el tamaño de la persiana a través del antipad cambia dentro de la categoría de 0,3 mm a 0,375 mm, el cambio de impedancia se encuentra en la categoría de 6,5 a 5,5 que provoca la disminución en términos de grado. de discontinuidad de impedancia y rango de pérdida de inserción S₂₁ . Además, la mayor atenuación aumenta en 3,2 dB. Mientras tanto, cuando el tamaño de enterrado vía antipad cambia dentro de la categoría de 0,3 mm a 0,375 mm, el cambio de impedancia se encuentra en la categoría de 10 a 7,5 que provoca la disminución en términos de grado de discontinuidad de impedancia y rango de pérdida de inserción S ₂₁ . Además, la mayor atenuación aumenta en 3dB.

Conclusión

Con un modelo de PCB de 8 capas con vías ciegas y enterradas establecido a través de HFSS, este artículo compara los parámetros S y la impedancia característica TDR de vías ciegas/enterradas y vías de orificio pasante. Se puede concluir que las vías ciegas/enterradas tienen una menor pérdida de inserción y una mejor discontinuidad de impedancia que las vías de orificio pasante. Bajo la condición de que la pérdida de inserción sea inferior a -3dB, las vías ciegas/enterradas tienen un ancho de banda de operación más amplio que las vías de orificio pasante.

Este artículo también analiza la influencia de los parámetros, incluidos el diámetro de la vía, el pad y el antipad, en las características de la señal ciega/enterrada. Con el aumento del diámetro de las vías ciegas/enterradas y el tamaño del pad, la atenuación de la pérdida de inserción de la señal se reduce en consecuencia y aumenta el grado de discontinuidad de la impedancia. Sin embargo, con el aumento del tamaño del antipad de las vías ciegas/enterradas, la atenuación de la pérdida de inserción de la señal se reduce y, en consecuencia, también lo hace la discontinuidad de la impedancia.

Si la pérdida de inserción es inferior a -3dB y el ancho de banda operativo efectivo alcanza los 20 GHz, el radio de las vías ciegas no debe ser superior a 0,175 mm y el radio de las vías enterradas no debe ser superior a 0,23 mm; la almohadilla de vías ciegas no debe tener más de 0,25 mm y la almohadilla de vías enterradas no debe tener más de 0,275 mm; el antipad de vías ciegas no debe ser inferior a 0,25 mm y el antipad de vías enterradas no debe ser inferior a 0,23 mm.

Si el rango de cambio de la impedancia se controla dentro de ±10 %, el radio de las vías ciegas y enterradas no debe ser superior a 0,125 mm; la almohadilla de vías ciegas no debe tener más de 0,25 mm y la almohadilla de vías enterradas no debe tener más de 0,175 mm; el antipad de vías ciegas no debe ser inferior a 0,275 mm y el antipad de vías enterradas no debe ser inferior a 0,4 mm.

PCBCart tiene la capacidad de fabricar PCB con vías ciegas, vías enterradas y vías de orificio pasante.

¿Necesita placas de circuito impreso con vías ciegas, vías enterradas y vías de orificio pasante? ¡PCBCart lo tiene cubierto! Todo lo que pedimos es el archivo de diseño de PCB terminado para programar la producción. Siempre que tenga el archivo de diseño en sus manos, cotice los precios de su PCB haciendo clic en el botón a continuación. ¡El precio aparecerá en segundos!

Recursos útiles:
• Comparación entre la vía ciega y la vía enterrada
• PCBCart proporciona un servicio completo de fabricación de PCB
• A excepción de la fabricación de PCB, PCBCart también ofrece un servicio avanzado de ensamblaje de PCB llave en mano
• Requisitos del archivo de diseño de PCB para una cotización y producción rápidas de montaje de PCB
• 3 elementos importantes que no conoce sobre las vías ocultas y ocultas en PCB HDI flexibles y rígidos