Dominando el diseño de vias ciegas y enterradas para PCB digitales de alta velocidad

Con las crecientes aplicaciones de circuitos integrados a gran y super gran escala, las placas muestran tendencia hacia multicapa y complejidad debido a mayor integración, reducción de volumen, aumento de pines y velocidad. La mayoría de PCB multicapa de alta velocidad implementan conexiones entre capas mediante vias pasantes (thru-hole). Para conexiones que no atraviesan de arriba a abajo, sin embargo, pueden surgir stubs (vástagos) redundantes que afectan la calidad de transmisión. Por tanto, en sistemas digitales de alta velocidad con alto rendimiento, la influencia de stubs no puede ignorarse. Basado en equilibrio coste-rendimiento, surge el diseño de vias ciegas/enterradas para evitar efecto stub redundante y aumentar calidad de transmisión.

Tomando vias ciegas/enterradas como objeto y mediante modelado y simulación, este artículo analiza la influencia de parámetros (diámetros, pad, antipad) en características de señal como parámetro S y continuidad de impedancia, proporcionando instrucciones prácticas para diseño de vias ciegas/enterradas en PCB de alta velocidad.

Parámetros principales e índices de rendimiento de vias ciegas/enterradas

En PCB multicapa para circuitos digitales de alta velocidad, las vias son necesarias para conexión de alta velocidad entre líneas de interconexión en un plano y otro. Son conductores eléctricos que conectan enrutados entre planos. Según diferencias de diseño, vias pueden ser: via pasante (thru-hole), via ciega (blind), via enterrada (buried), Figura 1.

• Vias pasantes, atraviesan todo el PCB, para interconexiones entre capas o como vias de posicionamiento.
• Vias ciegas, sin atravesar todo el PCB, conectan capas internas con enrutado de superficie.
• Vias enterradas, conectan solo capas internas; no visibles externamente.

Las vias no son solo conexiones eléctricas; su influencia en integridad de señal debe considerarse. Entender la influencia de arquitectura de vias en rendimiento de circuitos digitales de alta velocidad beneficia solución de integridad de señal, optimizando diseño y mejorando calidad de transmisión.

En circuitos de alta velocidad, el modelo eléctrico equivalente de vias se indica en Figura 2: C₁, C₂ y L son capacitancia e inductancia parásitas.

Basado en este modelo, todas las vias generan capacitancia parásita a tierra. Fórmula: . Donde capacitancia = (diámetro antipad a tierra, diámetro pad, constante dieléctrica, espesor PCB). En circuitos digitales de alta velocidad, capacitancia parásita hace que tiempo de subida de señal sea lento o decaiga, reduciendo velocidad. Para línea de transmisión con impedancia Z₀, relación entre capacitancia parásita y tiempo de subida: .

Cuando señales de alta velocidad pasan por vias, también se genera inductancia parásita. Su influencia es mayor que capacitancia. Fórmula: . Inductancia = (longitud via, diámetro via). Impedancia equivalente por inductancia no puede ignorarse; relación con capacitancia parásita y tiempo de subida: .

Según fórmulas, rendimiento eléctrico cambia con parámetros de diseño. Cambios en diámetro, longitud, pad y antipad causan discontinuidad de impedancia, afectando integridad de señal. El análisis se basa en índices S₁₁ (pérdida de retorno) y S₂₁ (pérdida de inserción). Cuando atenuación de inserción < -3 dB, ancho de banda efectivo juzga rendimiento de transmisión. Además, simulación TDR analiza reflexión por discontinuidad.

Simulación de modelado y análisis de resultados de vias ciegas/enterradas

Para investigar influencia en características de señal, se diseña modelo PCB 8 capas con HFSS (Figura 3).

Capas 1-2, 4-5, 7-8: señal; capa 3: alimentación; capa 6: tierra; espesor cada capa 0,2 mm (8 mil); dieléctrico FR4; coeficiente 4. Ancho pista 0,1 mm (4 mil), grosor 0,13 mm (1,1 mil). Simulación: tiempo subida 20 ps, frecuencia barrido 100 GHz.

Comparación influencia de vias ciegas/enterradas vs pasantes

Para conexión capa 1 a 5: via ciega radio 0,1 mm (4 mil), longitud 0,81 mm (32 mil). Para comparación, via pasante radio 0,1 mm, stub 0,6 mm.

Resultados: 40-80 GHz, S₁₁ via ciega 4-7 dB; via pasante 4-10 dB. A 76 GHz, S₂₁ máximo via ciega; a 52 GHz, máximo via pasante. Si S₂₁ < -3 dB, ancho de banda via ciega 22 GHz, via pasante 15 GHz. Impedancia característica: via ciega 46-52 Ω; via pasante 42-53 Ω. Via ciega tiene mejor continuidad. Conclusión: vias ciegas tienen mejor calidad de transmisión para conexión capa superior-interna o inferior-interna.

Para conexión capa 2 a 5: via enterrada radio 0,1 mm, longitud 0,57 mm. Via pasante radio 0,1 mm, stub capa 1-2: 0,23 mm, stub capa 5-8: 0,6 mm.

Resultados: 40-80 GHz, S₁₁ via enterrada 4-8 dB (cambio suave); via pasante 4-10 dB, a 32 GHz atenuación 13 dB instantánea, afectando estabilidad. A 77 GHz, S₂₁ máximo via enterrada; a 54 GHz, máximo via pasante. Si S₂₁ < -3 dB, ancho de banda via enterrada 32 GHz, via pasante 20 GHz. TDR: via enterrada 41,8-52 Ω; via pasante 37,5-52 Ω. Via enterrada mejor continuidad. Conclusión: vias enterradas mejor calidad para conexión entre capas internas.

Influencia de diámetro, pad y antipad en características de señal

Fijando pad y antipad, radio inicial via ciega/enterrada 0,1 mm, varía 0,1-0,175 mm.

• Radio via ciega 0,1-0,175 mm: cambio impedancia 6-13,5, discontinuidad aumenta, rango S₂₁ aumenta. 20-60 GHz, atenuación máxima 1,7 dB.
• Radio via enterrada 4-7 mil: cambio impedancia 10-17, discontinuidad aumenta, rango S₂₁ aumenta. 20-60 GHz, atenuación máxima 1,6 dB.

Diámetro y antipad fijos, radio pad inicial 0,2 mm, varía 0,2-0,28 mm.

• Pad via ciega 0,2-0,28 mm: cambio impedancia 6,5-10,5, aumenta rango S₂₁, atenuación máxima +2 dB.
• Pad via enterrada 0,2-0,28 mm: cambio impedancia 10,5-15,5, discontinuidad aumenta, rango S₂₁ aumenta, atenuación +3,2 dB.

Diámetro y pad fijos, antipad inicial 0,3 mm, varía 0,3-0,375 mm.

• Antipad via ciega 0,3-0,375 mm: cambio impedancia 6,5-5,5, discontinuidad y rango S₂₁ disminuyen, atenuación +3,2 dB.
• Antipad via enterrada 0,3-0,375 mm: cambio impedancia 10-7,5, discontinuidad y rango S₂₁ disminuyen, atenuación +3 dB.

Conclusiones

Con modelo PCB 8 capas con vias ciegas/enterradas en HFSS, se comparan parámetros S y TDR. Conclusión: vias ciegas/enterradas tienen menor pérdida de inserción y mejor discontinuidad que pasantes. Con S₂₁ < -3 dB, vias ciegas/enterradas tienen mayor ancho de banda operativo.

También se analiza influencia de diámetro, pad, antipad. Al aumentar diámetro y pad, atenuación S₂₁ disminuye y discontinuidad aumenta. Al aumentar antipad, atenuación y discontinuidad disminuyen.

Si S₂₁ < -3 dB y ancho de banda 20 GHz: radio via ciega ≤ 0,175 mm; via enterrada ≤ 0,23 mm; pad via ciega ≤ 0,25 mm; via enterrada ≤ 0,275 mm; antipad via ciega ≥ 0,25 mm; via enterrada ≥ 0,23 mm.

Si rango impedancia ±10%: radio ambas ≤ 0,125 mm; pad via ciega ≤ 0,25 mm; via enterrada ≤ 0,175 mm; antipad via ciega ≥ 0,275 mm; via enterrada ≥ 0,4 mm.

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