PCB-Neuigkeiten - Leiterplattenimpedanz gesteuert durch Lochdesign

Zur Aufrechterhaltung Leiterplatte Signalintegrität, a unique method of interconnecting layers (through-holes) to match printed line impedance should be used. Da die Geschwindigkeit der Datenkommunikation auf mehr als 3Gbps zunimmt, Signalintegrität ist entscheidend für die reibungslose Übertragung von Daten. Leiterplattendesigner versuchen, jede Impedanzanpassung entlang eines Hochgeschwindigkeitssignalpfades aufgrund dieser Impedanzanpassungen zu beseitigen

Um die Integrität des Leiterplattensignals aufrechtzuerhalten, sollte eine einzigartige Methode zur Verbindung von Schichten (Durchgangslöchern) verwendet werden, um die Impedanz der gedruckten Leitung anzupassen.

Da die Geschwindigkeit der Datenkommunikation auf mehr als 3Gbps zunimmt, ist die Signalintegrität entscheidend für die reibungslose Datenübertragung. Leiterplattendesigner versuchen, jede Impedanzanpassung auf dem Weg von Hochgeschwindigkeitssignalen zu beseitigen, da diese Impedanzanpassungen Jitter erzeugen und das Öffnen von Datenaugen reduzieren können, wodurch nicht nur der Abstand der Datenübertragung verkürzt wird, Es minimiert auch den Spielraum für allgemeine Jitter-Spezifikationen wie SONET (synchrones optisches Netzwerk) oder XAUI (10Gb subsidiary cell interface).

Da die Signaldichte auf einer Leiterplatte zunimmt, werden mehr Signaltransportschichten benötigt und die Übertragung über Zwischenschichtverbindungen (Durchgangslöcher) ist unvermeidlich. In der Vergangenheit stellten Durchgangslöcher eine bedeutende Quelle für Signalverzerrungen dar, da ihre Impedanz typischerweise etwa 25 bis 35 Ï beträgt. Eine solche große Impedanz-Diskontinuität würde das Öffnen der Daten-Eye-Map um 3dB reduzieren und in Abhängigkeit von der Datenrate viel Jitter erzeugen. Daher versuchen Leiterplattendesigner entweder, die Verwendung von Durchgangslöchern auf Hochgeschwindigkeitsleitungen zu vermeiden oder neue Techniken wie Bohren oder Sacklöcher auszuprobieren. Diese Methoden können zwar nützlich sein, aber Komplexität erhöhen und die Boardkosten erheblich erhöhen.

Beide Kanäle sind nur 2,8 Zoll lang, aber die Wirkung des Durchgangslochs ist deutlich sichtbar. Die herkömmliche Durchgangsbohrung (gelbe Kurve) dämpft mehrere Frequenzen, was zu einer kleineren und langsameren Anstiegszeit des Datengraphen führt als die durch Bohrung gesteuerte Impedanz (grüne Kurve).

Impedanzanpassung sollte so klein wie möglich sein. Selbst die Fehlanpassung tritt bei einer diskreten Frequenz der S21-Kurve auf und beeinträchtigt die Signalqualität. Sie können die Leistung impedanzgesteuerter Durchgangslöcher verbessern, solange Sie wichtige Designparameter wie Abstand, gedruckte Linienbreite und Schweißzonenbreite erfüllen. Beispielsweise ist die Größe der konkaven Kante (oder Spalt) des Signaldurchgangslochs entscheidend. Es muss mindestens der Unterschied zwischen dem Abstand A und dem Durchmesser D zwischen dem Signal durch Loch und dem Boden durch Loch sein, so dass die konkave Kante des Signal durch Loch den Boden durch Loch berühren kann. Andernfalls kommt das Metall in der Erdungsschicht, der Leistungsschicht oder beidem zu nahe an das Signal-Durchgangsloch, erzeugt unerwünschte zusätzliche Kapazität und senkt die Durchgangsimpedanz unter die berechnete 50­Ï.

Ebenso erzeugt jedes Durchgangsloch, das die obere oder untere Mikrostreifenlinie mit der inneren Mikrostreifenlinie verbindet, eine Stub-Querlinie. Wenn die kurze Transversallänge kleiner als die Signalanstiegszeit ist, ist die kurze Transversallänge fast nicht wahrnehmbar. Ist die kurze Querlänge lang, kann es zu erheblichen Signalverzerrungen kommen. Beispielsweise hat ein 40-Meilen-langer Stub eine Signallauflänge von etwa 14ps in einem System mit einer Signalanstiegszeit von etwa 50ps und einer Signalrate von 3.125Gbps. Im schlechten Fall ist der Stub ein Viertel der Wellenlänge einer wichtigen Frequenz, so dass der Stub auf diese Frequenz kurzgeschlossen wird, wodurch das ursprüngliche Signal verschwindet.

Die obigen Formeln gehen davon aus, dass der Durchmesser des Signaldurchgangs und des Erddurchgangs identisch sind. Um verschiedene Durchmesser zu verwenden, müssen Sie die Kapazitätsformel ändern. Der Designer sollte den Durchmesser des Durchgangslochs entsprechend der Breite der gedruckten Linie auswählen, die angeschlossen werden soll. Wenn die gedruckte Linie viel kleiner als das Durchgangsloch ist, verursacht der Übergang von der 50­gedruckten Linie zur Durchgangsschweißzone unerwünschte Impedanzkonstinuitäten. Der Designer sollte auch den Abstand zwischen dem Erdungsloch und der zu verbindenden gedruckten Linie berücksichtigen. Dies wird zum Problem, wenn der Abstand zwischen dem Erdloch und der gedruckten Linie kleiner ist als der Abstand zwischen der gedruckten Linie und der Referenzschicht, was zu einer zusätzlichen Kapazität der gedruckten Linie und somit zu einer Verringerung der Impedanz der gedruckten Linie auf weniger als 50 Ï führt. Zum Beispiel beträgt auf der Testplatine der Abstand zwischen der Signaldrucklinie und dem Erddurchgangsloch etwa 11 mils, und die Drucklinie ist etwa 10 mils über der Bodenbezugsschicht.

Eine weitere wichtige Bemerkung ist die Größe der Schweißzone, da jedes Durchgangsloch, das die gedruckte Linie verbindet, eine Schweißzone erfordert. Die Schweißzone sollte so klein wie möglich sein, da der Abstand von der Schweißzone zum Erddurchgangsloch kleiner ist als der Abstand vom Signal durch Loch zum Erddurchgangsloch. Aufgrund dieser Zonen wird der Abstand verkürzt, die Kapazität erhöht und die Gesamtimpedanz reduziert.

In einem typischen Design gibt es nicht immer vier Erdungsdurchbohrungen. Solange der Rückstrom einen Weg von VDD zur Masse durch einen nahe gelegenen Bypass-Kondensator hat, ist die Durchgangslochkonfiguration so gut wie das Durchgangsloch der Stromversorgung.

Betrachten Sie nun zum Beispiel eine Leiterplatte, die diese Durchgangslochkonfiguration in einem BGA-Ausgangspin mit einem 1-mm-Raster enthält. Da es sich um einen festen Ausgangsstift handelt, können Sie nur die beiden externen Durchgangslöcher erden; Die anderen beiden Durchgangslöcher sind mit dem VDD verbunden. Diese Durchgangslochstruktur funktioniert gut, da Sie den SMD-Bypass-Kondensator auch zwischen VDD und Masse in der BGA anschließen können.

Sie können diese Durchgangslochstruktur auch für Differentialsignale verwenden. Differentialsignale können zwei externe Durchgangslöcher teilen, was Platz auf der Platine spart. Texas Instruments hat diesen Ansatz auf der Evaluation Board für seine XAUI Transceiver wegen des begrenzten Platzes innerhalb der BGA übernommen. Bei impedanzgesteuerten Durchgangslöchern spielt die Größe des Zwischenlagenabstands keine Rolle, da es die geerdeten Durchgangslöcher sind, nicht die Metallschicht, die die Kapazität bilden. Herkömmliche Durchgangslöcher hängen jedoch von der Zwischenschichtkapazität ab. Selbst wenn sich die Dicke der Platte nicht ändert, müssen Sie spezielle Durchgangslöcher für verschiedene Stapelschichten entwerfen.