Behouden vs. verwijderen van niet-functionele pads in via's voor high-speed PCB's: Impact op signaalintegriteit

Inleiding tot NFP

Niet-functionele pads (NFP) zijn pads op interne of externe lagen die niet verbonden zijn met actieve geleidende patronen op die laag. NFP heeft geen invloed op elektrische signaaltransmissie, maar kan de koperhechting op de gatwand versterken. NFP kan worden weergegeven in Figuur 1 hieronder.

Het toevoegen van NFP betekent het aanleveren van metalen hechtingspunten vóór PTH (Plated Through Hole) koper, zodat veel fabrikanten NFP toevoegen om een betere PTH-kopereffect in het proces van meerlaagse PCB-fabricage te garanderen.

Experimenteel ontwerp

In dit experiment wordt hetzelfde CCL (Koperbeklede Laminaat) materiaal geselecteerd. Alle PCB's bevatten 20 lagen, waarvan routing is geïmplementeerd op de derde en achttiende laag. Invoerdemping kan worden vergeleken tussen het toevoegen van NFP (Schema 1) en het verwijderen van NFP (Schema 2) om te bepalen of NFP invloed heeft op signaalkwaliteit. Omdat veel onzekere elementen bestaan in het PCB-fabricageproces, moeten de sleutelparameters worden geïnspecteerd naast invoerdemping om te garanderen dat geen andere invloedelementen in de fabricage worden gemengd.

Invloedelementen inspectie

• Impedantieconsistentie inspectie

In de signaalverliestest neigt signaalreflectie te worden gegenereerd door inconsistentie impedantie, wat uiteindelijk het testresultaat van invoerdemping beïnvloedt. Als gevolg hiervan hangt de correctheid van de invoerdempingstest direct af van de kwaliteit van impedantieconsistentie. Kenmerkende impedantietest wordt respectievolk uitgevoerd volgens Schema 1 en Schema 2 en de verkregen kenmerkende impedantiewaarde wordt samengevat in de onderstaande tabel.

Op basis van bovenstaande tabel kan worden gezien dat het impedantieverschil binnen 5% valt tussen de twee schema's, met de conclusie dat de invloed van kenmerkende impedantie op verliesproef verwaarloosbaar is.

• Elementen die invoerdemping beïnvloeden inspectie

Invoerdemping bestaat uit dielectrische verlies en geleiderverlies. Omdat hetzelfde materiaal en lichte schilderijgrafieken worden toegepast in de twee schema's die in dit experiment worden geïnspecteerd, resulteren dielectrische verlies en geleiderverlies alleen uit PCB-fabricage. Vervolgens zullen beide items respectievelijk worden geanalyseerd om geen invloed op PCB-fabricage te garanderen.

a. Dielectrisch verlies inspectie

Toepassing van lijmlaag in meervoudige stapeling zal enige harsinkrimp produceren en een ander bedrag aan harsinkrimp leidt tot verschillen in dielectrisch verlies. In termen van onzekerheid van harsinkrimp op lijmlaag, moet dwarsdoorsnedeanalyse worden geïmplementeerd na stapeling om de invloed van verschil in harsinkrimphoeveelheid volledig te elimineren.

Door de analyse kan worden samengevat dat de kerndikte van de bovenste laag en de onderste laag van de twee schema's respectievelijk 139,8µm en 135,2µm is. Na stapeling is de dikte van de lijmlaag respectievelijk 257,4µm en 251,9µm. Het maximum dikteverschil valt binnen 6µm, voldoeend aan fabricagetolerantievereiste en invoerdemping wordt niet beïnvloed door het dielectrische verlies.

b. Geleiderverlies inspectie

Geleiderverlies is gerelateerd aan lengte en breedte van lijnen, oppervlakteruwigheid en zijwaartse erosie tijdens het PCB-fabricageproces in testcircuit. In de twee schema's van dit experiment is het circuitontwerp hetzelfde met de invloed van lijnlengte geëlimineerd. Bruineffect, concentratie van etsmiddel en waterdruk hebben allemaal invloed op oppervlakteruwigheid. Om deze gecompliceerde elementen te vermijden, wordt circuitconsistentie direct beoordeeld vanuit het eindresultaat.

Door het experiment wordt de transmissielijnbreedte gemeten op respectievelijk 168µm en 166µm met de toepassing van Schema 1 en Schema 2 en de transmissielijnoogte 18,3µm en 18,9µm. Oppervlakteruwigheid blijft beiden op 2,5µm. Alle gegevens wijzen erop dat geleiderverlies in wezen vergelijkbaar is in termen van transmissielijnfabricage, zodat de invloed van geleiderverlies op invoerdemping kan worden geëlimineerd.

NFP Invloedanalyse

Vanaf de generatiebron van dielectrisch verlies en geleiderverlies, gekoppeld met het generatieprincipe van invoerdemping, worden een reeks inspecties geïmplementeerd in termen van PCB-fabricageconsistentie om te garanderen dat alleen één variabele optreedt in de twee schema's, namelijk NFP. Volgens de FD (Frequentiedomein) methode in IPC-TM650-2.5.5.12, worden Schema 1 en Schema 2 getest met het resultaat weergegeven in Figuur 2 hieronder.

Als resultaat van de enige variabele, NFP, kan de invloed van NFP op signaalinvoerdemping benaderend worden beoordeeld. Schema 1 verwijdert NFP terwijl Schema 2 NFP behoudt. Uit de bovenstaande figuur kan worden gezien dat ofwel laag 03 of laag 18, het invoerdempingstestresultaat in Schema 1 allemaal kleiner is dan dat van Schema 2, wat aangeeft dat het toevoegen van NFP de signaalinvoerdemping versterkt.

Op basis van dit experiment behoudt het invoerdempingverschil ongeveer 9% tussen de twee schema's. Figuur 3 is een primaire rangschikking op een bekende communicatieterminaalmateriaal.

Op basis van Figuur 3 kan worden gezien dat erg weinig invoerdempingverschil optreedt tussen alle rangen van materialen. Als de in dit experiment geïnspecteerde invoerdemping net binnen de drempelwaardecategorie valt, zal de materiaalkwaliteit worden verlaagd door NFP, wat de hele productielijn van materialenfabrikant tot eind zwaar beïnvloedt.

Conclusie

Als het aankomt op high-speed PCB's, zijn meervoudige PCB's onvermijdelijk de ontwikkelingstrend en via-fabricage is het eerste probleem. NFP biedt grote verbetering aan PTH-koper in het proces van PCB-via-fabricage en speelt een effectieve rol bij het voorkomen van via-koper lossen en het aanpakken van kwaliteitsproblemen zoals via-wand scheuren. Andere invloedelementen eliminerend, wordt de variabele NFP in dit artikel overwogen en de invloed van NFP op invoerdemping geanalyseerd, zodat het enige referentie kan bieden aan materialenfabrikant, PCB-fabrikant en eindfabrikant in termen van high-speed PCB-ontwerp.

Nuttige bronnen

• Via-in-pad (VIP) Technologie Inleiding
• High-Speed Layout Tips
• High-Speed PCB Routing Technieken om de Invloed van EMI te Reduceren
• Onderzoek naar High-Speed PCB-ontwerp in Embedded Applicatiesysteem
• Volledige PCB-fabricageservice van PCBCart - Meerdere waardevolgende opties
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Vanaf 1 stuk