Cara Mendesain Via Buta/Terkubur di Sirkuit Digital Berkecepatan Tinggi

Dengan meningkatnya aplikasi sirkuit terpadu skala besar dan skala super besar dalam sistem sirkuit, papan sirkuit menunjukkan tren perkembangan menuju beberapa lapisan dan kompleksitas karena skala integrasi pembesar chip, penyusutan volume, eskalasi pin dan peningkatan dari tingkat kecepatan. Sebagian besar PCB multi-lapisan berkecepatan tinggi menerapkan koneksi antar lapisan melalui via lubang. Namun, untuk sambungan listrik yang tidak bersirkulasi dari atas ke bawah, dapat terjadi redundant thru-hole via stub sehingga kualitas transmisi PCB akan sangat terpengaruh. Oleh karena itu, dalam hal beberapa sistem digital berkecepatan tinggi dengan kinerja tinggi dan persyaratan tinggi, pengaruh stub yang berlebihan tidak pernah dapat diabaikan. Berdasarkan upaya untuk menyeimbangkan biaya versus kinerja, desain vias buta/terkubur muncul untuk secara efektif menghindari efek rintisan yang berlebihan dan meningkatkan kualitas transmisi sistem.

Dengan buta dan terkubur melalui desain sebagai objek penelitian dan melalui simulasi pemodelan, artikel ini terutama menganalisis pengaruh parameter mengenai melalui diameter vias buta/terkubur, pad dan antipad pada fitur sinyal seperti parameter S dan kontinuitas impedansi dan memberikan instruksi praktis untuk tinggi -speed PCB blind/dikubur melalui desain.

Parameter Utama dan Indeks Kinerja Vias Buta/Terkubur

Untuk PCB multi-layer sirkuit digital berkecepatan tinggi, vias diperlukan untuk koneksi sinyal berkecepatan tinggi antara jalur interkoneksi di satu bidang dan jalur interkoneksi di bidang lain. Vias sebenarnya adalah konduktor listrik yang menghubungkan rute antara pesawat yang berbeda. Berdasarkan perbedaan desain PCB, vias dapat diklasifikasikan menjadi via lubang tembus, tembus buta dan via terkubur, yang ditunjukkan pada Gambar 1.

• Melalui lubang-lubang, yang bersirkulasi melalui seluruh PCB, diterapkan untuk perutean yang saling berhubungan antar lapisan atau sebagai saluran pemosisian untuk komponen.

• Blind vias, tanpa sirkulasi ke seluruh PCB, bertanggung jawab atas koneksi antara lapisan internal PCB dan perutean bidang permukaan.

• Vias terkubur bertanggung jawab untuk koneksi antara lapisan internal PCB saja. Mereka tidak dapat dilihat langsung dari tampilan PCB.

Vias tidak dapat dianggap sebagai sambungan listrik dan pengaruhnya terhadap integritas sinyal harus dipertimbangkan. Oleh karena itu, pemahaman yang lebih baik tentang pengaruh desain arsitektur vias pada kinerja sirkuit digital berkecepatan tinggi bermanfaat bagi solusi yang sangat baik untuk integritas sinyal sehingga desain sistem digital berkecepatan tinggi dapat dioptimalkan dan kualitas transmisi sinyal berkecepatan tinggi. dapat ditingkatkan.

Dalam sirkuit berkecepatan tinggi, model ekivalen listrik vias dapat ditunjukkan sebagai Gambar 2 di mana C₁ , C₂ dan L masing-masing mengacu pada kapasitas parasit dan induktansi vias.

Berdasarkan model ini, semua vias di sirkuit berkecepatan tinggi akan menghasilkan kapasitansi parasit ke ground. Kapasitansi parasit dapat dihitung melalui rumus di bawah ini:

Dalam rumus ini, kapasitansi parasit vias sama dengan diameter antipad ke tanah, diameter bantalan vias, konstanta dielektrik bahan substrat dan ketebalan PCB. Dalam sirkuit digital berkecepatan tinggi, kapasitansi parasit vias membuat waktu naik sinyal menjadi lambat atau menurun dan memperlambat kecepatan sirkuit. Untuk saluran transmisi yang impedansi karakteristiknya adalah Z₀ , hubungan antara kapasitansi parasit dan waktu naik sinyal dapat ditunjukkan sebagai rumus di bawah ini.

Ketika sinyal berkecepatan tinggi melewati vias, induktansi parasit juga dihasilkan. Dalam sirkuit digital berkecepatan tinggi, pengaruh yang dibawa oleh induktansi parasit vias lebih besar daripada kapasitansi parasit. Induktansi parasit dapat dihitung menurut rumus di bawah ini.

Dalam rumus ini, induktansi parasit vias sama dengan panjang vias dan diameter vias. Selain itu, impedansi ekivalen yang disebabkan oleh induktansi parasit tidak dapat diabaikan dan hubungan antara impedansi ekivalen dan kapasitansi parasit dan waktu naik sinyal dapat ditunjukkan dengan rumus di bawah ini.

Berdasarkan rumus yang disebutkan di atas, kinerja listrik vias berubah dengan parameter desain. Perubahan melalui diameter, panjang, pad dan antipad menyebabkan diskontinuitas impedansi di sirkuit kecepatan tinggi dengan integritas sinyal sangat dipengaruhi. Analisis fitur sinyal dalam artikel ini terletak pada indeks S₁₁ (rugi pengembalian) dan S₂₁ (kerugian penyisipan). Ketika tingkat atenuasi kerugian penyisipan kurang dari -3dB, bandwidth efektif diterapkan untuk menilai dan menganalisis kinerja transmisi sinyal dari vias buta/terkubur. Selanjutnya, simulasi TDR dapat diterapkan untuk menganalisis refleksi yang disebabkan oleh diskontinuitas impedansi.

Simulasi Pemodelan dan Analisis Hasil Vias Buta/Terkubur

Untuk meneliti pengaruh vias buta/terkubur pada fitur sinyal PCB berkecepatan tinggi, artikel ini mendesain model PCB 8 lapis dengan perangkat lunak HFSS, yang ditunjukkan pada Gambar 3 di bawah.

Dalam PCB ini, lapisan 1 hingga 2, 4 hingga 5 dan 7 hingga 8 semuanya adalah lapisan sinyal; lapisan ketiga adalah lapisan kekuatan; lapisan keenam adalah lapisan tanah; ketebalan setiap lapisan adalah 0.2mm (8mil); bahan dielektrik adalah FR4; koefisien dielektrik adalah 4. Lebar perutean garis sinyal adalah 0,1mm (4mil), ketebalan 0,13mm (1.1mil). Dalam simulasi, waktu naik sinyal diatur ke 20 ps dan frekuensi sapuan tertinggi diatur ke 100 GHz.

• Perbandingan pengaruh fitur sinyal yang berasal dari vias buta/terkubur dan vias melalui lubang

Ketika jalur sinyal diperlukan untuk bersirkulasi dari lapisan pertama ke lapisan kelima, blind via dapat diterapkan untuk koneksi. Jari-jari blind via diatur menjadi 0,1mm (4mil) dan panjang menjadi 0,81mm (32mil).

Sebagai perbandingan, lubang melalui koneksi dirancang juga dengan jari-jari lubang melalui 0,1mm. Dalam kondisi ini, panjang rintisan lubang tembus adalah 0,6 mm.

Berdasarkan hasil simulasi, pada saat frekuensi berada pada rentang 40GHz hingga 80GHz, parameter return loss blind melalui (S₁₁ ) hanya 4dB hingga 7dB. Namun, ketika frekuensi berada di kisaran 40GHz hingga 80GHz, parameter return loss dari thru-hole via (S₁₁ ) hanya 4dB hingga 10dB. Ketika frekuensi 76GHz, parameter kehilangan penyisipan blind melalui (S₂₁ ) adalah yang terbesar. Namun, ketika frekuensi 52GHz, parameter insertion loss melalui lubang melalui (S₂₁ ) adalah yang terbesar. Jika insertion loss dijamin kurang dari -3dB, bandwidth operasi blind via akan menjadi 22GHz sedangkan bandwidth operasi thru-hole via hanya 15GHz.

Dalam hal impedansi karakteristik, kategori perubahan impedansi karakteristik vias buta berada di kisaran 46 menjadi 52 sedangkan kategori perubahan impedansi karakteristik vias lubang adalah dari 42 menjadi 53, yang berarti vias buta memiliki saluran transmisi yang lebih baik. kontinuitas impedansi. Oleh karena itu, berdasarkan kestabilan parameter S dan perubahan karakteristik impedansi TDR, dapat digambarkan bahwa blind vias memiliki kualitas transmisi yang lebih baik daripada through-hole vias dalam hal koneksi jalur sinyal antara lapisan atas dan lapisan internal atau antara lapisan bawah dan internal. lapisan.

Ketika garis sinyal diperlukan untuk bersirkulasi dari lapisan kedua ke lapisan kelima, melalui yang terkubur dapat diterapkan untuk koneksi. Jari-jari vias yang terkubur diatur menjadi 0,1 mm dan panjang jika 0,57 mm. Melalui lubang tembus juga digunakan untuk perbandingan dengan radius 0.1mil dan panjang redundant stub antara lapisan pertama dan lapisan kedua adalah 0.23mm sedangkan panjang redundant stub antara lapisan kelima dan lapisan kedelapan adalah 0.6mm.

Berdasarkan hasil simulasi, pada saat frekuensi berada pada rentang 40GHz hingga 80GHz, parameter return loss dikubur melalui (S₁₁ ) hanya 4dB hingga 8dB dengan perubahan yang relatif mulus. Namun, ketika frekuensi berada di kisaran 40GHz hingga 80GHz, parameter return loss dari thru-hole via (S₁₁ ) hanya 4dB hingga 10dB. Terutama ketika frekuensi 32GHz, redaman berubah menjadi 13dB secara instan, mempengaruhi stabilitas transmisi. Ketika frekuensi 77GHz, parameter kerugian penyisipan terkubur melalui (S₂₁ ) adalah yang terbesar. Namun, ketika frekuensi 54GHz, parameter kehilangan penyisipan melalui lubang melalui (S₂₁ ) adalah yang terbesar. Jika kerugian penyisipan dijamin kurang dari -3dB, bandwidth operasi yang dikubur via adalah 32GHz sedangkan bandwidth operasi melalui lubang-lubang hanya 20GHz.

Selain itu, perubahan karakteristik TDR dari saluran terkubur berada pada kisaran 41,8 menjadi 52 sedangkan perubahan karakteristik TDR melalui lubang melalui berkisar antara 37,5 hingga 52, yang berarti bahwa saluran terkubur melalui memiliki kontinuitas impedansi saluran transmisi yang lebih baik daripada melalui lubang melalui. Oleh karena itu, berdasarkan kestabilan parameter S dan perubahan karakteristik impedansi TDR, dapat diilustrasikan bahwa saluran terkubur memiliki kualitas transmisi yang lebih baik daripada melalui lubang dalam hal koneksi jalur sinyal antar lapisan internal.

• Pengaruh blind/terkubur melalui diameter, pad dan antipad pada fitur sinyal

Untuk mempelajari pengaruh buta/terkubur via diameter, pad dan antipad pada fitur sinyal, ukuran pad dan antipad vias buta/terkubur dapat diperbaiki. Nilai awal radius blind/burried vias diatur menjadi 0.1mm dan berubah dalam kategori dari 0.1mm menjadi 0.175mm.

Berdasarkan hasil simulasi dapat ditunjukkan bahwa pada saat radius blind melalui perubahan kategori dari 0.1mm menjadi 0.175mm, perubahan impedansi berada pada kategori dari 6 menjadi 13,5 dengan derajat diskontinuitas impedansi meningkat yang menyebabkan peningkatan dalam kisaran kerugian penyisipan S₂₁ . Saat frekuensi berada di kisaran 20GHz hingga 60GHz, redaman terbesar mencapai 1.7dB. Sedangkan bila radius terkubur melalui perubahan dalam kategori dari 4mil menjadi 7mil, perubahan impedansi terletak pada kategori dari 10 menjadi 17 dengan derajat diskontinuitas impedansi meningkat yang menyebabkan peningkatan dalam hal jangkauan insertion loss S₂₁ . Saat frekuensi berada di kisaran 20GHz hingga 60GHz, redaman terbesar mencapai 1,6dB.

Dengan diameter blind via dan antipad tidak berubah, nilai awal radius blind/burried via pad diatur menjadi 0.2mm dan berubah dalam kategori dari 0.2mm menjadi 0.28mm.

Berdasarkan hasil simulasi, dapat ditunjukkan bahwa ketika radius blind via pad berubah dalam kategori dari 0.2mm menjadi 0.28mm, perubahan impedansi terletak pada kategori dari 6.5 menjadi 10.5 yang menyebabkan peningkatan dalam hal jangkauan. kehilangan penyisipan S₂₁ . Selain itu, redaman terbesar meningkat sebesar 2dB. Sedangkan jika radius terkubur via pad berubah dalam kategori dari 0.2mm menjadi 0.28mm, maka perubahan impedansi berada pada kategori dari 10.5 menjadi 15.5 dengan derajat diskontinuitas impedansi meningkat yang menyebabkan peningkatan dari segi range insertion loss. S₂₁ . Selain itu, redaman terbesar meningkat sebesar 3,2dB.

Dengan diameter blind/burried via dan ukuran pad tidak berubah, nilai awal antipad diatur menjadi 0.3mm dan berubah dalam kategori dari 0.3mm menjadi 0.375mm.

Berdasarkan hasil simulasi, dapat ditunjukkan bahwa ketika ukuran blind melalui antipad berubah dalam kategori dari 0,3mm menjadi 0,375mm, perubahan impedansi terletak pada kategori dari 6,5 menjadi 5,5 yang menyebabkan penurunan derajat. diskontinuitas impedansi dan rentang rugi-rugi penyisipan S₂₁ . Selain itu, redaman terbesar meningkat sebesar 3.2dB. Sedangkan bila ukuran penimbunan melalui antipad berubah dalam kategori dari 0,3 mm menjadi 0,375 mm, maka perubahan impedansi berada pada kategori dari 10 menjadi 7,5 yang menyebabkan penurunan derajat diskontinuitas impedansi dan rentang rugi-rugi penyisipan S. ₂₁ . Selain itu, redaman terbesar meningkat sebesar 3dB.

Kesimpulan

Dengan PCB 8-lapisan dengan model vias buta dan terkubur yang dibuat melalui HFSS, artikel ini membandingkan parameter S dan TDR impedansi karakteristik vias buta/terkubur dan vias lubang-lubang. Dapat disimpulkan bahwa vias blind/burried memiliki insertion loss yang lebih kecil dan diskontinuitas impedansi yang lebih baik daripada vias thru-hole. Dalam kondisi insertion loss kurang dari -3dB, blind/burried vias memiliki bandwidth operasi yang lebih lebar daripada through-hole vias.

Artikel ini juga menganalisis pengaruh parameter termasuk melalui diameter, pad dan antipad pada fitur sinyal buta/terkubur. Dengan peningkatan diameter vias buta/terkubur dan ukuran pad, redaman kerugian penyisipan sinyal menyusut sesuai dan tingkat diskontinuitas impedansi meningkat. Namun, dengan peningkatan ukuran antipad dari blind/burried vias, redaman kerugian penyisipan sinyal menyusut dan begitu juga diskontinuitas impedansi.

Jika insertion loss kurang dari -3dB dan bandwidth operasi efektif mencapai 20GHz, radius blind vias tidak boleh lebih besar dari 0,175mm dan radius hidden vias tidak boleh lebih besar dari 0,23mm; bantalan vias buta tidak boleh lebih besar dari 0,25 mm dan bantalan vias terkubur tidak boleh lebih besar dari 0,275 mm; antipad vias buta tidak boleh lebih kecil dari 0,25mm dan antipad vias terkubur tidak boleh lebih kecil dari 0,23mm.

Jika rentang perubahan impedansi dikendalikan dalam ±10%, jari-jari vias buta dan terkubur tidak boleh lebih besar dari 0,125mm; bantalan vias buta tidak boleh lebih besar dari 0,25 mm dan bantalan vias terkubur tidak boleh lebih besar dari 0,175 mm; antipad vias buta tidak boleh lebih kecil dari 0,275 mm dan antipad vias terkubur tidak boleh lebih kecil dari 0,4 mm.

PCBCart Memiliki Kemampuan untuk Memproduksi PCB dengan Blind Vias, Burried Vias, dan Thru-hole Vias.

Butuh papan sirkuit cetak dengan Blind Vias, Burried Vias dan Thru-hole Vias? PCBCart telah membantu Anda! Yang kami minta hanyalah file desain PCB yang sudah jadi untuk menjadwalkan produksi. Setiap kali Anda memiliki file desain, mohon penawaran harga PCB Anda dengan mengklik tombol di bawah ini. Harga akan muncul dalam hitungan detik!

Sumber daya yang berguna:
• Perbandingan Antara Blind Via dan Buried Via
• PCBCart Menyediakan Layanan Fabrikasi PCB Fitur Lengkap
• Kecuali untuk Fabrikasi PCB, PCBCart Juga Menawarkan Layanan Perakitan PCB Turnkey Lanjutan
• Persyaratan File Desain PCB untuk Penawaran dan Produksi Perakitan PCB Cepat
• 3 Elemen Penting yang Tidak Anda Ketahui tentang Terkubur dan Blind Via di HDI Flex-rigid PCB