Menguasai Desain Via Buta dan Tersembunyi untuk PCB Digital Kecepatan Tinggi

Dengan aplikasi yang meningkat dari sirkuit terpadu skala besar dan super besar dalam sistem sirkuit, papan sirkuit menunjukkan tren pengembangan menuju multi-lapisan dan kompleksitas karena skala integrasi chip yang membesar, penyingkatan volume, peningkatan pin dan peningkatan laju kecepatan. Sebagian besar PCB multi-lapisan kecepatan tinggi menerapkan koneksi antara lapisan melalui lubang through via. Namun, untuk koneksi listrik yang tidak mengalir dari atas ke bawah, lubang through via yang berlebihan mungkin akan terjadi sehingga kualitas transmisi PCB akan sangat terpengaruh. Oleh karena itu, dalam hal beberapa sistem digital kecepatan tinggi dengan performa tinggi dan persyaratan tinggi, pengaruh lubang berlebihan tidak dapat diabaikan. Berdasarkan upaya untuk menyeimbangkan biaya versus performa, desain via buta/tersembunyi muncul untuk secara efektif menghindari efek lubang berlebihan dan meningkatkan kualitas transmisi sistem.

Dengan desain via buta dan tersembunyi sebagai objek penelitian dan melalui simulasi modeling, artikel ini terutama menganalisis pengaruh parameter mengenai diameter via via buta/tersembunyi, pad dan antipad pada fitur sinyal seperti parameter S dan kontinuitas impedansi serta memberikan petunjuk praktis untuk desain via buta/tersembunyi PCB kecepatan tinggi.

Parameter Utama dan Indeks Performa Via Buta/Tersembunyi

Untuk PCB multi-lapisan sirkuit digital kecepatan tinggi, via diperlukan untuk koneksi sinyal kecepatan tinggi antara garis interkoneksi dalam satu bidang dan garis interkoneksi dalam bidang lain. Via sebenarnya adalah konduktor listrik yang menghubungkan routing di antara bidang yang berbeda. Berdasarkan perbedaan desain PCB, via dapat diklasifikasikan menjadi thru-hole via, blind via dan buried via, yang ditunjukkan dalam Gambar 1.

• Thru-hole vias, mengalir melalui seluruh PCB, diterapkan untuk routing yang saling terhubung antara lapisan atau sebagai lubang posisi untuk komponen.

• Blind vias, tanpa mengalir melalui seluruh PCB, bertanggung jawab untuk koneksi antara lapisan internal PCB dan bidang permukaan routing.

• Buried vias bertanggung jawab untuk koneksi antara lapisan internal PCB saja. Mereka tidak dapat dilihat secara langsung dari penampilan PCB.

Via tidak dapat dianggap sebagai koneksi listrik dan pengaruhnya pada integritas sinyal harus dipertimbangkan. Oleh karena itu, pemahaman yang lebih baik tentang pengaruh desain arsitektur via pada performa sirkuit digital kecepatan tinggi bermanfaat untuk solusi yang luar biasa terhadap integritas sinyal sehingga desain sistem digital kecepatan tinggi dapat dioptimalkan dan kualitas transmisi sinyal kecepatan tinggi dapat ditingkatkan.

Dalam sirkuit kecepatan tinggi, model listrik setara via dapat ditunjukkan sebagai Gambar 2 di mana C₁, C₂ dan L masing-masing merujuk pada kapasitansi parasit dan induktansi via.

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

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

Ketika sinyal kecepatan tinggi melewati via, induktansi parasit juga dihasilkan. Dalam sirkuit digital kecepatan tinggi, pengaruh yang ditimbulkan oleh induktansi parasit via lebih besar daripada kapasitansi parasit. Induktansi parasit dapat dihitung sesuai dengan rumus di bawah ini.

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

Berdasarkan rumus di atas, kinerja listrik via berubah dengan parameter desain. Perubahan diameter via, panjang, pad dan antipad menyebabkan diskontinuitas impedansi dalam sirkuit kecepatan tinggi dengan integritas sinyal sangat dipengaruhi. Analisis fitur sinyal dalam artikel ini terletak pada indeks S₁₁ (return loss) dan S₂₁ (insertion loss). Ketika tingkat attenuasi insertion loss kurang dari -3dB, bandwidth efektif digunakan untuk menghitung dan menganalisis kinerja transmisi sinyal via buta/tersembunyi. Selain itu, simulasi TDR dapat diterapkan untuk menganalisis refleksi yang disebabkan oleh diskontinuitas impedansi.

Simulasi Modeling dan Analisis Hasil Via Buta/Tersembunyi

Untuk meneliti pengaruh via buta/tersembunyi pada fitur sinyal PCB kecepatan tinggi, artikel ini merancang model PCB 8-lapisan dengan perangkat lunak HFSS, yang ditunjukkan dalam Gambar 3 di bawah ini.

Dalam PCB ini, lapisan 1 hingga 2, 4 hingga 5 dan 7 hingga 8 semuanya adalah lapisan sinyal; lapisan ketiga adalah lapisan daya; lapisan keenam adalah lapisan ground; ketebalan setiap lapisan adalah 0.2mm (8mil); bahan dielektrik adalah FR4; koefisien dielektrik adalah 4. Lebar routing garis sinyal adalah 0.1mm (4mil), ketebalan 0.13mm (1.1mil). Dalam simulasi, waktu naik sinyal disetel menjadi 20ps dan frekuensi sweeping tertinggi disetel menjadi 100GHz.

• Perbandingan pengaruh fitur sinyal yang berasal dari via buta/tersembunyi dan via thru-hole

Ketika garis sinyal diperlukan untuk mengalir dari lapisan pertama ke lapisan kelima, via buta dapat diterapkan untuk koneksi. Radius via buta disetel menjadi 0.1mm (4mil) dan panjangnya menjadi 0.81mm (32mil).

Untuk perbandingan, koneksi via thru-hole juga dirancang dengan radius via thru-hole 0.1mm. Dalam kondisi ini, panjang stub via thru-hole adalah 0.6mm.

Berdasarkan hasil simulasi, ketika frekuensi berada dalam rentang dari 40GHz hingga 80GHz, parameter return loss via buta (S₁₁) hanya 4dB hingga 7dB. Namun, ketika frekuensi berada dalam rentang dari 40GHz hingga 80GHz, parameter return loss via thru-hole (S₁₁) hanya 4dB hingga 10dB. Ketika frekuensi adalah 76GHz, parameter insertion loss via buta (S₂₁) adalah yang terbesar. Namun, ketika frekuensi adalah 52GHz, parameter insertion loss via thru-hole (S₂₁) adalah yang terbesar. Jika insertion loss dijamin kurang dari -3dB, bandwidth operasi via buta akan 22GHz sementara bandwidth operasi via thru-hole hanya akan 15GHz.

Dalam hal impedansi karakteristik, kategori perubahan impedansi karakteristik via buta berada dalam rentang dari 46 hingga 52 sementara kategori perubahan impedansi karakteristik via thru-hole adalah dari 42 hingga 53, yang berarti via buta memiliki kontinuitas impedansi garis transmisi yang lebih baik. Oleh karena itu, berdasarkan stabilitas parameter S dan perubahan impedansi karakteristik TDR, dapat diilustrasikan bahwa via buta memiliki kualitas transmisi yang lebih baik daripada via thru-hole dalam hal koneksi garis sinyal antara lapisan atas dan lapisan internal atau antara lapisan bawah dan lapisan internal.

Ketika garis sinyal diperlukan untuk mengalir dari lapisan kedua ke lapisan kelima, via tersembunyi dapat diterapkan untuk koneksi. Radius via tersembunyi disetel menjadi 0.1mm dan panjangnya 0.57mm. Via thru-hole juga diterapkan untuk perbandingan dengan radiusnya 0.1mil dan panjang stub berlebih antara lapisan pertama dan lapisan kedua adalah 0.23mm sementara panjang stub berlebih antara lapisan kelima dan lapisan kedelapan adalah 0.6mm.

Berdasarkan hasil simulasi, ketika frekuensi berada dalam rentang dari 40GHz hingga 80GHz, parameter return loss via tersembunyi (S₁₁) hanya 4dB hingga 8dB dengan perubahan yang relatif halus. Namun, ketika frekuensi berada dalam rentang dari 40GHz hingga 80GHz, parameter return loss via thru-hole (S₁₁) hanya 4dB hingga 10db. Khususnya ketika frekuensi adalah 32GHz, attenuasi berubah menjadi 13dB secara instan, mempengaruhi stabilitas transmisi. Ketika frekuensi adalah 77GHz, parameter insertion loss via tersembunyi (S₂₁) adalah yang terbesar. Namun, ketika frekuensi adalah 54GHz, parameter insertion loss via thru-hole (S₂₁) adalah yang terbesar. Jika insertion loss dijamin kurang dari -3dB, bandwidth operasi via tersembunyi adalah 32GHz sementara bandwidth operasi via thru-hole hanya 20GHz.

Selain itu, perubahan karakteristik TDR via tersembunyi berada dalam rentang dari 41.8 hingga 52 sementara perubahan karakteristik TDR via thru-hole berada dalam rentang dari 37.5 hingga 52, yang berarti via tersembunyi memiliki kontinuitas impedansi garis transmisi yang lebih baik daripada via thru-hole. Oleh karena itu, berdasarkan stabilitas parameter S dan perubahan impedansi karakteristik TDR, dapat diilustrasikan bahwa via tersembunyi memiliki kualitas transmisi yang lebih baik daripada via thru-hole dalam hal koneksi garis sinyal antara lapisan internal.

• Pengaruh diameter via buta/tersembunyi, pad dan antipad pada fitur sinyal

Untuk meneliti pengaruh diameter via buta/tersembunyi, pad dan antipad pada fitur sinyal, ukuran pad dan antipad via buta/tersembunyi dapat dikonstan. Nilai awal radius via buta/tersembunyi disetel menjadi 0.1mm dan berubah dalam kategori dari 0.1mm hingga 0.175mm.

Berdasarkan hasil simulasi, dapat diilustrasikan bahwa ketika radius via buta berubah dalam kategori dari 0.1mm hingga 0.175mm, perubahan impedansi berada dalam kategori dari 6 hingga 13.5 dengan tingkat diskontinuitas impedansi meningkat yang menyebabkan peningkatan dalam rentang insertion loss S₂₁. Ketika frekuensi berada dalam rentang dari 20GHz hingga 60GHz, attenuasi terbesar mencapai 1.7dB. Sementara itu, ketika radius via tersembunyi berubah dalam kategori dari 4mil hingga 7mil, perubahan impedansi berada dalam kategori dari 10 hingga 17 dengan tingkat diskontinuitas impedansi meningkat yang menyebabkan peningkatan dalam rentang insertion loss S₂₁. Ketika frekuensi berada dalam rentang dari 20GHz hingga 60GHz, attenuasi terbesar mencapai 1.6dB.

Dengan diameter via buta dan antipad tetap tidak berubah, nilai awal radius pad via buta/tersembunyi disetel menjadi 0.2mm dan berubah dalam kategori dari 0.2mm hingga 0.28mm.

Berdasarkan hasil simulasi, dapat diilustrasikan bahwa ketika radius pad via buta berubah dalam kategori dari 0.2mm hingga 0.28mm, perubahan impedansi berada dalam kategori dari 6.5 hingga 10.5 yang menyebabkan peningkatan dalam rentang insertion loss S₂₁. Selain itu, attenuasi terbesar meningkat sebesar 2dB. Sementara itu, ketika radius pad via tersembunyi berubah dalam kategori dari 0.2mm hingga 0.28mm, perubahan impedansi berada dalam kategori dari 10.5 hingga 15.5 dengan tingkat diskontinuitas impedansi meningkat yang menyebabkan peningkatan dalam rentang insertion loss S₂₁. Selain itu, attenuasi terbesar meningkat sebesar 3.2dB.

Dengan diameter via buta/tersembunyi dan ukuran pad tetap tidak berubah, nilai awal antipad disetel menjadi 0.3mm dan berubah dalam kategori dari 0.3mm hingga 0.375mm.

Berdasarkan hasil simulasi, dapat diilustrasikan bahwa ketika ukuran antipad via buta berubah dalam kategori dari 0.3mm hingga 0.375mm, perubahan impedansi berada dalam kategori dari 6.5 hingga 5.5 yang menyebabkan penurunan dalam tingkat diskontinuitas impedansi dan rentang insertion loss S₂₁. Selain itu, attenuasi terbesar meningkat sebesar 3.2dB. Sementara itu, ketika ukuran antipad via tersembunyi berubah dalam kategori dari 0.3mm hingga 0.375mm, perubahan impedansi berada dalam kategori dari 10 hingga 7.5 yang menyebabkan penurunan dalam tingkat diskontinuitas impedansi dan rentang insertion loss S₂₁. Selain itu, attenuasi terbesar meningkat sebesar 3dB.

Kesimpulan

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

Artikel ini juga menganalisis pengaruh parameter termasuk diameter via, pad dan antipad pada fitur sinyal via buta/tersembunyi. Dengan peningkatan diameter via buta/tersembunyi dan ukuran pad, attenuasi insertion loss sinyal menyusut sesuai dan tingkat diskontinuitas impedansi meningkat. Namun, dengan peningkatan ukuran antipad via buta/tersembunyi, attenuasi insertion loss sinyal menyusut dan begitu juga diskontinuitas impedansi sesuai.

Jika insertion loss kurang dari -3dB dan bandwidth operasi efektif mencapai 20GHz, radius via buta harus tidak lebih besar dari 0.175mm dan radius via tersembunyi harus tidak lebih besar dari 0.23mm; pad via buta harus tidak lebih besar dari 0.25mm dan pad via tersembunyi harus tidak lebih besar dari 0.275mm; antipad via buta harus tidak lebih kecil dari 0.25mm dan antipad via tersembunyi harus tidak lebih kecil dari 0.23mm.

Jika rentang perubahan impedansi dikontrol dalam ±10%, radius via buta dan tersembunyi harus tidak lebih besar dari 0.125mm; pad via buta harus tidak lebih besar dari 0.25mm dan pad via tersembunyi harus tidak lebih besar dari 0.175mm; antipad via buta harus tidak lebih kecil dari 0.275mm dan antipad via tersembunyi harus tidak lebih kecil dari 0.4mm.

PCBCart Memiliki Kemampuan untuk Memproduksi PCB dengan Via Buta, Via Tersembunyi dan Via Thru-hole.

Butuh papan sirkuit cetak dengan Via Buta, Via Tersembunyi dan Via Thru-hole? PCBCart telah menjawabnya! Kami hanya meminta file desain PCB yang selesai untuk menjadwalkan produksi. Kapan saja Anda memiliki file desain di tangan, silakan minta penawaran harga PCB dengan menekan tombol di bawah. Harga akan muncul dalam hitungan detik!

Sumber bermanfaat:
• Perbandingan Antara Via Buta dan Via Tersembunyi
• PCBCart Menyediakan Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap
• Kecuali Pembuatan PCB, PCBCart Juga Menyediakan Layanan Assemblé PCB Turnkey Lanjutan
• Persyaratan File Desain PCB untuk Penawaran dan Produksi PCB Cepat
• 3 Elemen Penting yang Anda Tidak Ketahui tentang Via Tersembunyi dan Buta dalam PCB HDI Flex-rigid