Comment concevoir des vias aveugles/enterrés dans des circuits numériques à grande vitesse

Avec les applications croissantes des circuits intégrés à grande et très grande échelle dans le système de circuits, les cartes de circuits imprimés montrent une tendance de développement vers plusieurs couches et complexité en raison de l'échelle d'intégration grossissante des puces, de la réduction du volume, de l'escalade des broches et de l'augmentation du taux de vitesse. La plupart des PCB multicouches à grande vitesse implémentent des connexions entre les couches via des vias traversants. Pour les connexions électriques qui ne circulent pas du haut vers le bas, cependant, un trou traversant redondant via un stub aura éventuellement lieu, de sorte que la qualité de transmission du PCB sera mal influencée. Par conséquent, en termes de certains systèmes numériques à haut débit avec des performances élevées et des exigences élevées, l'influence des stubs redondants ne peut jamais être négligée. Sur la base des tentatives d'équilibrer les coûts par rapport aux performances, la conception de vias borgnes/enterrés est réalisée afin d'éviter efficacement l'effet de stub redondant et d'augmenter la qualité de transmission des systèmes.

Avec la conception de vias aveugles et enterrés comme objets de recherche et à travers la simulation de modélisation, cet article analyse principalement l'influence des paramètres concernant les diamètres de via des vias borgnes/enterrés, des plots et des anti-plots sur les caractéristiques du signal telles que le paramètre S et la continuité d'impédance et fournit des instructions pratiques à haute -speed PCB aveugle/enterré via la conception.

Principaux paramètres et indice de performance des vias aveugles/enterrés

Pour les PCB multicouches à circuit numérique à grande vitesse, des vias sont nécessaires pour la connexion de signal à grande vitesse entre les lignes d'interconnexion dans un plan et les lignes d'interconnexion dans un autre plan. Les vias sont en fait des conducteurs électriques reliant les routages entre différents plans. Sur la base des différences de conception de PCB, les vias peuvent être classés en via traversant, via aveugle et via enterré, comme illustré à la figure 1.

• Les vias traversants, circulant dans tout le circuit imprimé, sont appliqués pour les routages interconnectés entre les couches ou comme vias de positionnement pour les composants.

• Les vias borgnes, sans circuler à travers tout le PCB, sont responsables de la connexion entre les couches internes du PCB et le routage du plan de surface.

• Les vias enterrés sont responsables de la connexion entre les couches internes du PCB uniquement. Ils ne peuvent pas être vus directement à partir de l'apparence des PCB.

Les vias ne peuvent pas être considérés comme une connexion électrique et leur influence sur l'intégrité du signal doit être prise en compte. Par conséquent, une meilleure compréhension de l'influence de la conception de l'architecture des vias sur les performances des circuits numériques à haut débit est bénéfique pour l'excellente solution d'intégrité du signal afin que la conception du système numérique à haut débit puisse être optimisée et la qualité de transmission des signaux à haut débit. peut être amélioré.

Dans les circuits à grande vitesse, le modèle électrique équivalent des vias peut être indiqué par la figure 2 dans laquelle C₁ , C₂ et L désigne respectivement la capacité parasite et l'inductance des vias.

Sur la base de ce modèle, tous les vias des circuits à grande vitesse généreront une capacité parasite à la terre. La capacité parasite peut être calculée à l'aide de la formule ci-dessous :

Dans cette formule, la capacité parasite des vias est égale au diamètre de l'antipad au sol, au diamètre des plots des vias, à la constante diélectrique du matériau du substrat et à l'épaisseur du PCB. Dans les circuits numériques à grande vitesse, la capacité parasite des vias ralentit ou diminue le temps de montée du signal et ralentit la vitesse du circuit. Pour une ligne de transmission dont l'impédance caractéristique est Z₀ , la relation entre la capacité parasite et le temps de montée des signaux peut être indiquée par la formule ci-dessous.

Lorsque des signaux à grande vitesse traversent des vias, une inductance parasite est également générée. Dans les circuits numériques à grande vitesse, l'influence apportée par l'inductance parasite des vias est plus importante que la capacité parasite. L'inductance parasite peut être calculée selon la formule ci-dessous.

Dans cette formule, l'inductance parasite des vias est égale à la longueur des vias et au diamètre des vias. De plus, l'impédance équivalente causée par l'inductance parasite ne peut jamais être négligée et la relation entre l'impédance équivalente et la capacité parasite et le temps de montée des signaux peut être indiquée par la formule ci-dessous.

Sur la base des formules mentionnées ci-dessus, les performances électriques des vias changent avec les paramètres de conception. Les changements de diamètre, de longueur, de pastille et d'anti-pastille de via conduisent à une discontinuité d'impédance dans les circuits à grande vitesse avec une grande influence sur l'intégrité du signal. L'analyse des caractéristiques du signal dans cet article repose sur les indices de S₁₁ (perte de retour) et S₂₁ (perte d'insertion). Lorsque le degré d'atténuation de la perte d'insertion est inférieur à -3 dB, la bande passante effective est appliquée pour juger et analyser les performances de transmission du signal des vias aveugles/enterrés. De plus, la simulation TDR peut être appliquée pour analyser la réflexion causée par la discontinuité d'impédance.

Simulation de modélisation et analyse des résultats de vias borgnes/enterrés

Pour étudier l'influence des vias borgnes/enterrés sur les caractéristiques des signaux de PCB à grande vitesse, cet article conçoit un modèle de PCB à 8 couches avec le logiciel HFSS, illustré à la figure 3 ci-dessous.

Dans ce PCB, les couches 1 à 2, 4 à 5 et 7 à 8 sont toutes des couches de signal ; la troisième couche est la couche de puissance ; la sixième couche est la couche de base ; l'épaisseur de chaque couche est de 0,2 mm (8 mil); le matériau diélectrique est le FR4 ; le coefficient diélectrique est de 4. La largeur de routage des lignes de signal est de 0,1 mm (4 mil), l'épaisseur de 0,13 mm (1,1 mil). Dans la simulation, le temps de montée des signaux est défini sur 20 ps et la fréquence de balayage la plus élevée est définie sur 100 GHz.

• Comparaison de l'influence des caractéristiques des signaux provenant des vias borgnes/enterrés et des vias traversants

Lorsqu'une ligne de signal doit circuler de la première couche à la cinquième couche, un via aveugle peut être appliqué pour la connexion. Le rayon du via aveugle est défini sur 0,1 mm (4 mil) et sa longueur sur 0,81 mm (32 mil).

À des fins de comparaison, le trou traversant via une connexion est également conçu avec le rayon du trou traversant via 0,1 mm. Dans ces conditions, la longueur du bout du via traversant est de 0,6 mm.

Sur la base du résultat de la simulation, lorsque la fréquence est comprise entre 40 GHz et 80 GHz, le paramètre de perte de retour du via aveugle (S₁₁ ) n'est que de 4dB à 7dB. Cependant, lorsque la fréquence est comprise entre 40 GHz et 80 GHz, le paramètre de perte de retour du trou traversant via (S₁₁ ) n'est que de 4dB à 10dB. Lorsque la fréquence est de 76 GHz, le paramètre de perte d'insertion du via aveugle (S₂₁ ) est le plus grand. Cependant, lorsque la fréquence est de 52 GHz, le paramètre de perte d'insertion du via trou traversant (S₂₁ ) est le plus grand. Si la perte d'insertion est garantie inférieure à -3 dB, la bande passante de fonctionnement du via aveugle sera de 22 GHz, tandis que la bande passante de fonctionnement du via traversant ne sera que de 15 GHz.

En termes d'impédance caractéristique, la catégorie de changement d'impédance caractéristique des vias borgnes est comprise entre 46 et 52, tandis que la catégorie de changement d'impédance caractéristique des vias traversants est de 42 à 53, ce qui signifie que les vias aveugles ont une meilleure ligne de transmission. continuité d'impédance. Par conséquent, sur la base de la stabilité des paramètres S et du changement d'impédance caractéristique TDR, on peut illustrer que les vias borgnes ont une meilleure qualité de transmission que les vias traversants en termes de connexion de ligne de signal entre la couche supérieure et la couche interne ou entre la couche inférieure et la couche interne. calque.

Lorsqu'une ligne de signal doit circuler de la deuxième couche à la cinquième couche, un via enterré peut être appliqué pour la connexion. Le rayon des vias enterrés est fixé à 0,1 mm et la longueur à 0,57 mm. Le via traversant est également appliqué à titre de comparaison avec son rayon de 0,1 mil et la longueur du tronçon redondant entre la première couche et la deuxième couche est de 0,23 mm, tandis que la longueur du tronçon redondant entre la cinquième couche et la huitième couche est de 0,6 mm.

Sur la base du résultat de la simulation, lorsque la fréquence est comprise entre 40 GHz et 80 GHz, le paramètre de perte de retour du via enterré (S₁₁ ) n'est que de 4 dB à 8 dB avec un changement relativement fluide. Cependant, lorsque la fréquence est comprise entre 40 GHz et 80 GHz, le paramètre de perte de retour du trou traversant via (S₁₁ ) n'est que de 4dB à 10dB. Surtout lorsque la fréquence est de 32 GHz, l'atténuation passe instantanément à 13 dB, influençant la stabilité de la transmission. Lorsque la fréquence est de 77 GHz, le paramètre de perte d'insertion du via enterré (S₂₁ ) est le plus grand. Cependant, lorsque la fréquence est de 54 GHz, le paramètre de perte d'insertion du via trou traversant (S₂₁ ) est le plus grand. Si la perte d'insertion est garantie inférieure à -3 dB, la bande passante de fonctionnement du via enterré est de 32 GHz, tandis que la bande passante de fonctionnement du via traversant n'est que de 20 GHz.

De plus, le changement de TDR caractéristique du via enterré est compris entre 41,8 et 52 tandis que le changement de TDR caractéristique du via traversant est compris entre 37,5 et 52, ce qui signifie que le via enterré présente une meilleure continuité d'impédance de ligne de transmission que trou traversant via. Par conséquent, sur la base de la stabilité des paramètres S et du changement d'impédance caractéristique TDR, on peut illustrer que les vias enterrés ont une meilleure qualité de transmission que les vias traversants en termes de connexion de ligne de signal entre les couches internes.

• Influence de l'aveugle/enterré via le diamètre, le pad et l'antipad sur les caractéristiques du signal

Afin d'étudier l'influence du diamètre des vias borgnes/enterrés, du pad et de l'antipad sur les caractéristiques du signal, la taille du pad et de l'antipad des vias borgnes/enterrés peut être fixée. La valeur initiale du rayon des vias borgnes/enterrés est fixée à 0,1 mm et change dans la catégorie de 0,1 mm à 0,175 mm.

Sur la base du résultat de la simulation, on peut indiquer que lorsque le rayon du via aveugle change dans la catégorie de 0,1 mm à 0,175 mm, le changement d'impédance se situe dans la catégorie de 6 à 13,5 avec le degré de discontinuité d'impédance augmenté qui provoque l'augmentation en termes de portée de perte d'insertion S₂₁ . Lorsque la fréquence est comprise entre 20 GHz et 60 GHz, la plus grande atténuation atteint 1,7 dB. Pendant ce temps, lorsque le rayon de via enterré change dans la catégorie de 4mil à 7mil, le changement d'impédance se situe dans la catégorie de 10 à 17 avec le degré de discontinuité d'impédance augmenté qui provoque l'augmentation en termes de plage de perte d'insertion S₂₁ . Lorsque la fréquence est comprise entre 20 GHz et 60 GHz, la plus grande atténuation atteint 1,6 dB.

Avec le diamètre du via borgne et de l'antipad inchangé, la valeur initiale du rayon du via pad aveugle/enterré est fixée à 0,2 mm et il change dans la catégorie de 0,2 mm à 0,28 mm.

Sur la base du résultat de la simulation, on peut indiquer que lorsque le rayon du blind via pad change dans la catégorie de 0,2 mm à 0,28 mm, le changement d'impédance se situe dans la catégorie de 6,5 à 10,5 qui provoque l'augmentation en termes de portée de perte d'insertion S₂₁ . De plus, la plus grande atténuation augmente de 2dB. Pendant ce temps, lorsque le rayon de la pastille via enterrée change dans la catégorie de 0,2 mm à 0,28 mm, le changement d'impédance se situe dans la catégorie de 10,5 à 15,5 avec le degré de discontinuité d'impédance augmenté qui provoque l'augmentation en termes de plage de perte d'insertion S₂₁ . De plus, la plus grande atténuation augmente de 3,2 dB.

Le diamètre du via aveugle/enterré et la taille du plot étant inchangés, la valeur initiale de l'antipad est fixée à 0,3 mm et elle change dans la catégorie de 0,3 mm à 0,375 mm.

Sur la base du résultat de la simulation, on peut indiquer que lorsque la taille du store via antipad change dans la catégorie de 0,3 mm à 0,375 mm, le changement d'impédance se situe dans la catégorie de 6,5 à 5,5 qui provoque la diminution en termes de degré de discontinuité d'impédance et plage de perte d'insertion S₂₁ . De plus, la plus grande atténuation augmente de 3,2 dB. Pendant ce temps, lorsque la taille de enterré via antipad change dans la catégorie de 0,3 mm à 0,375 mm, le changement d'impédance se situe dans la catégorie de 10 à 7,5 qui provoque la diminution en termes de degré de discontinuité d'impédance et de plage de perte d'insertion S ₂₁ . De plus, la plus grande atténuation augmente de 3dB.

Conclusion

Avec un PCB à 8 couches avec un modèle de vias borgnes et enterrés établi via HFSS, cet article compare les paramètres S et l'impédance caractéristique TDR des vias borgnes/enterrés et des vias traversants. On peut en conclure que les vias borgnes/enterrés ont une perte d'insertion plus faible et une meilleure discontinuité d'impédance que les vias traversants. À condition que la perte d'insertion soit inférieure à -3 dB, les vias borgnes/enterrés ont une bande passante de fonctionnement plus large que les vias traversants.

Cet article analyse également l'influence de paramètres tels que le diamètre, le pad et l'antipad sur les caractéristiques du signal aveugle/enterré. Avec l'augmentation du diamètre des vias borgnes/enterrés et de la taille du plot, l'atténuation de la perte d'insertion du signal diminue en conséquence et le degré de discontinuité d'impédance augmente. Cependant, avec l'augmentation de la taille de l'antipad des vias borgnes/enterrés, l'atténuation de la perte d'insertion du signal diminue, de même que la discontinuité de l'impédance en conséquence.

Si la perte d'insertion est inférieure à -3 dB et que la bande passante de fonctionnement effective atteint 20 GHz, le rayon des vias borgnes ne doit pas dépasser 0,175 mm et le rayon des vias enterrés ne doit pas dépasser 0,23 mm ; le coussin de vias borgnes ne doit pas dépasser 0,25 mm et le coussin de vias enterrés ne doit pas dépasser 0,275 mm ; l'antipad des vias borgnes ne doit pas être inférieur à 0,25 mm et l'antipad des vias enterrés ne doit pas être inférieur à 0,23 mm.

Si la plage de changement d'impédance est contrôlée à ± 10 %, le rayon des vias borgnes et enterrés ne doit pas dépasser 0,125 mm ; le coussin de vias borgnes ne doit pas dépasser 0,25 mm et le coussin de vias enterrés ne doit pas dépasser 0,175 mm ; l'antipad des vias borgnes ne doit pas être inférieur à 0,275 mm et l'antipad des vias enterrés ne doit pas être inférieur à 0,4 mm.

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