Blinde en begraven via-ontwerp onder de knie voor hoogspannings digitale PCB's

Met de toenemende toepassingen van grootschalige en super-grootschalige geïntegreerde schakelingen in het systeem van schakelingen, tonen printplaten een ontwikkelings trend naar meerdere lagen en complexiteit als gevolg van de vergroting van integratieschaal van chips, krimp van volume, escalatie van pennen en toename van snelheid. De meeste hoogspannige meerlagige PCB's implementeren verbindingen tussen lagen door doorplaten. Voor de elektrische verbindingen die niet van boven naar beneden circuleren, kunnen echter redundante doorplaat-stubbs ontstaan, waardoor de PCB-transmissiekwaliteit slecht wordt beïnvloed. Daarom, met betrekking tot sommige hoogspannige digitale systemen met hoge prestaties en hoge eisen, kan de invloed van redundante stubbs nooit worden genegeerd. Gebaseerd op de pogingen om kosten versus prestaties te balanceren, komt ontwerp van blinde/begraven via's tot stand om effectief redundant stub-effect te vermijden en de transmissiekwaliteit van systemen te verhogen.

Met blinde en begraven via-ontwerp als onderzoeksobjecten en door middel van modelleringssimulatie, analyseert dit artikel voornamelijk de invloed van parameters betreffende via-diameters van blinde/begraven via's, pad en antipad op signaalkenmerken zoals S-parameter en impedantie-continuititeit en biedt praktische instructies voor hoogspannings-PCB blinde/begraven via-ontwerp.

Hoofdparameters en prestatie-index van blinde/begraven via's

Voor hoogspannige digitale schakeling meerlagige PCB's, zijn via's noodzakelijk voor hoogspannige signaalverbinding tussen interconnectielijnen in één vlak en interconnectielijnen in een ander vlak. Via's zijn eigenlijk elektrische geleiders die routings tussen verschillende vlakken verbinden. Gebaseerd op verschillen van PCB-ontwerp, kunnen via's worden geclassificeerd in doorplaat-via, blinde via en begraven via, wat in Figuur 1 wordt getoond.

• Doorplaat-via's, die door de hele PCB circuleren, worden toegepast voor geïnterconnecteerde routings tussen lagen of als positioneringsvia's voor componenten.
• Blinde via's, zonder door de hele PCB te circuleren, zijn verantwoordelijk voor de verbinding tussen interne lagen van PCB en oppervlaktevlak-routing.
• Begraven via's zijn verantwoordelijk voor de verbinding tussen interne lagen van PCB alleen. Ze kunnen niet direct vanuit de uiterlijk van PCB's worden gezien.

Via's kunnen niet worden beschouwd als elektrische verbinding en hun invloed op signaalintegriteit moet worden overwogen. Daarom is een beter begrip van de invloed van via's architectuur-ontwerp op hoogspannige digitale schakelingprestaties gunstig voor de uitstekende oplossing van signaalintegriteit, zodat ontwerp van hoogspannig digitaal systeem kan worden geoptimaliseerd en de transmissiekwaliteit van hoogspannige signalen kan worden verbeterd.

In hoogspannige schakelingen, kan het equivalente elektrische model van via's worden aangegeven als Figuur 2, waarin C₁, C₂ en L respectievelijk verwijzen naar parasitaire capaciteit en inductie van via's.

Op basis van dit model, zullen alle via's in hoogspannige schakelingen parasitaire capaciteit tot ground genereren. Parasitaire capaciteit kan worden berekend via de onderstaande formule:

In deze formule is parasitaire capaciteit van via's gelijk aan de diameter van antipad tot de ground, diameter van pads van via's, diëlektrische constante van substraatmateriaal en de dikte van PCB. In hoogspannige digitale schakelingen, maakt parasitaire capaciteit van via's de signaalstijgtijd traag of gedaald en vertraagt schakelsnelheid. Voor een transmissielijn wiens karakteristieke impedantie Z₀ is, kan de relatie tussen parasitaire capaciteit en de stijgtijd van signalen worden aangegeven als de onderstaande formule.

Wanneer hoogspannige signalen door via's gaan, wordt parasitaire inductie ook gegenereerd. In hoogspannige digitale schakelingen, is de invloed gebracht door parasitaire inductie van via's groter dan parasitaire capaciteit. Parasitaire inductie kan worden berekend volgens de onderstaande formule.

In deze formule is parasitaire inductie van via's gelijk aan de lengte van via's en de diameter van via's. Bovendien kan de equivalente impedantie veroorzaakt door parasitaire inductie nooit worden genegeerd en de relatie tussen equivalente impedantie en parasitaire capaciteit en stijgtijd van signalen kan worden aangegeven door de onderstaande formule.

Gebaseerd op de bovengenoemde formules, verandert de elektrische prestatie van via's met ontwerpparameters. De veranderingen van via-diameter, lengte, pad en antipad leiden tot impedantie-discontinuïteit in hoogspannige schakelingen met signaalintegriteit sterk beïnvloed. De analyse op signaalkenmerken in dit artikel ligt in de indices van S₁₁ (retourverlies) en S₂₁ (invoegverlies). Wanneer de dempingsgraad van invoegverlies minder is dan -3 dB, wordt de effectieve bandbreedte toegepast om de signaaltransmissieprestaties van blinde/begraven via's te beoordelen en te analyseren. Verder kan TDR-simulatie worden toegepast om de reflectie te analyseren veroorzaakt door impedantie-discontinuïteit.

Modelleringsimulatie en resultaatanalyse van blinde/begraven via's

Om de invloed van blinde/begraven via's op hoogspannings-PCB-signaalkenmerken te onderzoeken, ontwerpt dit artikel een 8-laags PCB-model met HFSS-software, wat in Figuur 3 hieronder wordt getoond.

In deze PCB zijn lagen 1 tot 2, 4 tot 5 en 7 tot 8 allemaal signaallagen; de derde laag is voedingslaag; de zesde laag is groundlaag; de dikte van elke laag is 0,2 mm (8 mil); diëlektrisch materiaal is FR4; diëlektrische coëfficiënt is 4. De routingbreedte van signaallijnen is 0,1 mm (4 mil), de dikte 0,13 mm (1,1 mil). In de simulatie is de stijgtijd van signalen ingesteld op 20 ps en de hoogste sweep-frequentie is ingesteld op 100 GHz.

Vergelijking van de invloed op signaalkenmerken afkomstig van blinde/begraven via's en doorplaat-via's

Wanneer een signaallijn vereist is om van de eerste laag naar de vijfde laag te circuleren, kan blinde via worden toegepast voor verbinding. De straal van blinde via is ingesteld op 0,1 mm (4 mil) en lengte op 0,81 mm (32 mil).

Ter vergelijking, wordt doorplaat-via-verbinding ook ontworpen met de straal van doorplaat-via 0,1 mm. Onder deze voorwaarde is de lengte van stub van doorplaat-via 0,6 mm.

Op basis van het simulatie-resultaat, wanneer de frequentie in het bereik ligt van 40 GHz tot 80 GHz, is de parameter van retourverlies van blinde via (S₁₁) slechts 4 dB tot 7 dB. Echter, wanneer de frequentie in het bereik ligt van 40 GHz tot 80 GHz, is de parameter van retourverlies van doorplaat-via (S₁₁) slechts 4 dB tot 10 dB. Wanneer de frequentie 76 GHz is, is de parameter van invoegverlies van blinde via (S₂₁) de grootste. Echter, wanneer de frequentie 52 GHz is, is de parameter van invoegverlies van doorplaat-via (S₂₁) de grootste. Als invoegverlies gewaarborgd is om minder dan -3 dB te zijn, zal de werkbandbreedte van blinde via 22 GHz zijn, terwijl de werkbandbreedte van doorplaat-via slechts 15 GHz zal zijn.

Wat betreft karakteristieke impedantie, ligt de verandercategorie van karakteristieke impedantie van blinde via's in het bereik van 46 tot 52, terwijl de verandercategorie van karakteristieke impedantie van doorplaat-via's is van 42 tot 53, wat betekent dat blinde via's betere transmissielijn-impedantie-continuititeit hebben. Daarom, gebaseerd op de stabiliteit van S-parameters en verandering van karakteristieke impedantie TDR, kan worden geïllustreerd dat blinde via's betere transmissiekwaliteit hebben dan doorplaat-via's in termen van signaallijnverbinding tussen bovenste laag en interne laag of tussen onderste laag en interne laag.

Wanneer een signaallijn vereist is om van de tweede laag naar de vijfde laag te circuleren, kan begraven via worden toegepast voor verbinding. De straal van begraven via's is ingesteld op 0,1 mm en lengte op 0,57 mm. Doorplaat-via wordt ook toegepast voor vergelijking met zijn straal 0,1 mil en de lengte van redundante stub tussen de eerste laag en de tweede laag is 0,23 mm, terwijl de lengte van redundante stub tussen de vijfde laag en de achtste laag 0,6 mm is.

Op basis van het simulatie-resultaat, wanneer de frequentie in het bereik ligt van 40 GHz tot 80 GHz, is de parameter van retourverlies van begraven via (S₁₁) slechts 4 dB tot 8 dB met relatief soepel verander. Echter, wanneer de frequentie in het bereik ligt van 40 GHz tot 80 GHz, is de parameter van retourverlies van doorplaat-via (S₁₁) slechts 4 dB tot 10 dB. Vooral wanneer de frequentie 32 GHz is, verandert de demping direct in 13 dB, wat de stabiliteit van transmissie beïnvloedt. Wanneer de frequentie 77 GHz is, is de parameter van invoegverlies van begraven via (S₂₁) de grootste. Echter, wanneer de frequentie 54 GHz is, is de parameter van invoegverlies van doorplaat-via (S₂₁) de grootste. Als invoegverlies gewaarborgd is om minder dan -3 dB te zijn, is de werkbandbreedte van begraven via 32 GHz, terwijl de werkbandbreedte van doorplaat-via slechts 20 GHz is.

Bovendien ligt de verandering van karakteristieke TDR van begraven via in het bereik van 41,8 tot 52, terwijl de verandering van karakteristieke TDR van doorplaat-via in het bereik ligt van 37,5 tot 52, wat betekent dat begraven via betere transmissielijn-impedantie-continuititeit heeft dan doorplaat-via. Daarom, gebaseerd op de stabiliteit van S-parameters en verandering van karakteristieke impedantie TDR, kan worden geïllustreerd dat begraven via's betere transmissiekwaliteit hebben dan doorplaat-via's in termen van signaallijnverbinding tussen interne lagen.

Invloed van blinde/begraven via-diameter, pad en antipad op signaalkenmerken

Om de invloed van blinde/begraven via-diameter, pad en antipad op signaalkenmerken te bestuderen, kan de grootte van pad en antipad van blinde/begraven via's worden vastgezet. De initiële waarde van straal van blinde/begraven via's is ingesteld op 0,1 mm en het verandert binnen de categorie van 0,1 mm tot 0,175 mm.

Op basis van het simulatie-resultaat, kan worden aangegeven dat wanneer de straal van blinde via verandert binnen de categorie van 0,1 mm tot 0,175 mm, de verandering van impedantie ligt in de categorie van 6 tot 13,5 met de graad van impedantie-discontinuïteit toegenomen die de toename in termen van bereik van invoegverlies S₂₁ veroorzaakt. Wanneer de frequentie in het bereik ligt van 20 GHz tot 60 GHz, bereikt de grootste demping 1,7 dB. Tegelijkertijd, wanneer de straal van begraven via verandert binnen de categorie van 4 mil tot 7 mil, ligt de verandering van impedantie in de categorie van 10 tot 17 met de graad van impedantie-discontinuïteit toegenomen die de toename in termen van bereik van invoegverlies S₂₁ veroorzaakt. Wanneer de frequentie in het bereik ligt van 20 GHz tot 60 GHz, bereikt de grootste demping 1,6 dB.

Met de diameter van blinde via en antipad ongewijzigd, is de initiële waarde van straal van blinde/begraven via-pad ingesteld op 0,2 mm en het verandert binnen de categorie van 0,2 mm tot 0,28 mm.

Op basis van het simulatie-resultaat, kan worden aangegeven dat wanneer de straal van blinde via-pad verandert binnen de categorie van 0,2 mm tot 0,28 mm, de verandering van impedantie ligt in de categorie van 6,5 tot 10,5 die de toename in termen van bereik van invoegverlies S₂₁ veroorzaakt. Daarnaast neemt de grootste demping met 2 dB toe. Tegelijkertijd, wanneer de straal van begraven via-pad verandert binnen de categorie van 0,2 mm tot 0,28 mm, ligt de verandering van impedantie in de categorie van 10,5 tot 15,5 met de graad van impedantie-discontinuïteit toegenomen die de toename in termen van bereik van invoegverlies S₂₁ veroorzaakt. Daarnaast neemt de grootste demping met 3,2 dB toe.

Met de diameter van blinde/begraven via en pad-grootte ongewijzigd, is de initiële waarde van antipad ingesteld op 0,3 mm en het verandert binnen de categorie van 0,3 mm tot 0,375 mm.

Op basis van het simulatie-resultaat, kan worden aangegeven dat wanneer de grootte van blinde via-antipad verandert binnen de categorie van 0,3 mm tot 0,375 mm, de verandering van impedantie ligt in de categorie van 6,5 tot 5,5 die de afname in termen van graad van impedantie-discontinuïteit en bereik van invoegverlies S₂₁ veroorzaakt. Daarnaast neemt de grootste demping met 3,2 dB toe. Tegelijkertijd, wanneer de grootte van begraven via-antipad verandert binnen de categorie van 0,3 mm tot 0,375 mm, ligt de verandering van impedantie in de categorie van 10 tot 7,5 die de afname in termen van graad van impedantie-discontinuïteit en bereik van invoegverlies S₂₁ veroorzaakt. Daarnaast neemt de grootste demping met 3 dB toe.

Conclusie

Met een 8-laags PCB met blinde en begraven via's model gevestigd door HFSS, vergelijkt dit artikel S-parameters en karakteristieke impedantie TDR van blinde/begraven via's en doorplaat-via's. Het kan worden geconcludeerd dat blinde/begraven via's kleiner invoegverlies en betere impedantie-discontinuïteit hebben dan doorplaat-via's. Onder de voorwaarde dat het invoegverlies minder is dan -3 dB, hebben blinde/begraven via's bredere werkbandbreedte dan doorplaat-via's.

Dit artikel analyseert ook de invloed van parameters inclusief via-diameter, pad en antipad op blinde/begraven signaalkenmerken. Met de toename van diameter van blinde/begraven via's en pad-grootte, krimpt de demping van signaal-invoegverlies dienovereenkomstig en neemt de graad van impedantie-discontinuïteit toe. Echter, met de toename van antipad-grootte van blinde/begraven via's, krimpt de demping van signaal-invoegverlies en daalt de impedantie-discontinuïteit dienovereenkomstig.

Als het invoegverlies minder is dan -3 dB en de effectieve werkbandbreedte 20 GHz bereikt, moet de straal van blinde via's niet groter zijn dan 0,175 mm en de straal van begraven via's niet groter dan 0,23 mm; de pad van blinde via's moet niet groter zijn dan 0,25 mm en de pad van begraven via's niet groter dan 0,275 mm; de antipad van blinde via's moet niet kleiner zijn dan 0,25 mm en de antipad van begraven via's niet kleiner dan 0,23 mm.

Als het veranderingbereik van impedantie gecontroleerd wordt binnen ±10%, moet de straal van zowel blinde als begraven via's niet groter zijn dan 0,125 mm; de pad van blinde via's moet niet groter zijn dan 0,25 mm en de pad van begraven via's niet groter dan 0,175 mm; de antipad van blinde via's moet niet kleiner zijn dan 0,275 mm en de antipad van begraven via's niet kleiner dan 0,4 mm.

PCBCart Heeft De Mogelijkheden Om PCB's Te Fabriceren Met Blinde Via's, Begraven Via's En Doorplaat-via's.

Heeft u printplaten nodig met Blinde Via's, Begraven Via's en Doorplaat-via's? PCBCart heeft u gedekt! Alles wat we vragen is het voltooide PCB-ontwerpbestand om de productie in te plannen. Wanneer u het ontwerpbestand in handen heeft, vraag dan een offerte aan voor uw PCB-prijzen door op de onderstaande knop te klikken. De prijs verschijnt binnen seconden!

Nuttige bronnen:
• Vergelijking tussen blinde via en begraven via
• PCBCart biedt volledige PCB-fabricagedienst
• Behalve PCB-fabricage, biedt PCBCart ook geavanceerde turnkey PCB-assemblagedienst
• PCB-ontwerpbestandvereisten voor snelle PCB-assemblage-offerte en productie
• 3 Belangrijke elementen die je niet kent over begraven en blinde via in HDI flex-rijge PCB's