ลองนึกภาพก PCB ความเร็วสูง ในฐานะเมืองข้อมูลอันยุ่งวุ่นวาย. จุดแวะที่ส่งสัญญาณระหว่างชั้นต่างๆ ก็เหมือนกับอุโมงค์ใต้ดิน.
ตามมาตรฐานอุตสาหกรรมโดยประมาณจาก IPC-2251, รูทะลุทั่วไปผ่านมีความจุของกาฝากอยู่ระหว่าง 0.3 พีเอฟ และ 0.8 พีเอฟ. เมื่อความถี่สัญญาณเกิน 10 Gbps, จำนวนที่น้อยนี้สามารถทำให้เกิดการสะท้อนและความล่าช้าได้. มันสามารถเปลี่ยนดาต้าลิงค์ที่ออกแบบมาอย่างสมบูรณ์แบบให้กลายเป็นพายุข้อผิดพลาดเล็กน้อย.
บทความนี้วิเคราะห์สาเหตุและเส้นทางการปรับให้เหมาะสมของความจุไวอากปรสิตจากมิติทางกายภาพสามมิติ: วงจร, สนาม, และวัสดุ.
1. ชั้นการลดทอนความจุ - การควบคุมขนาดทางเรขาคณิตเพื่อลดการรั่วไหลของสนามไฟฟ้า
ต้นกำเนิดทางกายภาพของความจุไวอากาฝากอยู่ที่การมีเพศสัมพันธ์ระหว่างไวอาดแพดและชั้นกราวด์อ้างอิง.
จากมุมมองของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, แผ่นอิเล็กโทรดและระนาบกราวด์ก่อตัวเป็นตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน. เพื่อลดความจุของปรสิต, เส้นทางที่ตรงที่สุดคือการลดขนาดพื้นที่แผ่นที่มีประสิทธิภาพ.
แนวปฏิบัติทางอุตสาหกรรมเป็นไปตามข้อกำหนดวงแหวนวงแหวนขั้นต่ำ. สำหรับคลาส IPC-6012 3 ความน่าเชื่อถือสูง, ขั้นต่ำของชั้นนอกคือ 2 MIL, ในขณะที่ชั้นในสามารถลดขนาดลงมาได้ 1 MIL. กลยุทธ์การลดขนาดให้เหลือน้อยที่สุดนี้จะช่วยลดเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นและบีบอัดพื้นที่คัปปลิ้งด้วยระนาบกราวด์อย่างมีประสิทธิภาพ.
การเพิ่มความแตกต่างของเส้นผ่านศูนย์กลางของรูถึงแพดเป็นอีกวิธีหนึ่งในการลดความจุ. คุณต้องทำตามสูตร:
เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่น = เส้นผ่านศูนย์กลางของสว่าน + 2 × แหวนวงแหวน
โดยทั่วไปแล้วการเจาะจะคิดเป็น 30%–40% ของ การผลิต PCB ค่าใช้จ่าย. ดังนั้น, ผ่านการปรับขนาดต้องอาศัยการประสานงานอย่างใกล้ชิดกับข้อจำกัดทางเศรษฐกิจ.
สำหรับการรักษาด้วยยาต้านแพด, การถอดทองแดงรอบแผ่นบนชั้นเฉพาะจะเพิ่มระยะห่างเชิงพื้นที่ระหว่างตัวนำ. อย่างไรก็ตาม, ระยะห่างที่มากเกินไปอาจทำให้เกิด crosstalk บนร่องรอยที่อยู่ติดกันและความไม่ต่อเนื่องในระนาบอ้างอิง.
2. ชั้นพารามิเตอร์อิเล็กทริก - The “โซนการชะลอตัวของสัญญาณ” ในการเลือกใช้วัสดุ
มาตรฐาน วัสดุ FR-4 มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสัมพัทธ์ Dk µ 4.2–4.8 ใน 1 กิกะเฮิรตซ์. ที่ 10 กิกะเฮิรตซ์, ค่า Dk อาจลดลง 5%–10%.
วัสดุ Dk ต่ำ (ดเค ≤ 3.5) ลดความจุของปรสิตได้อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากความจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าคงที่ไดอิเล็กตริก. อย่างไรก็ตาม, วัสดุเหล่านี้มีราคาสูงกว่าและต้องมีการประมวลผลที่ยากขึ้น. สำหรับวงจรความเร็วต่ำธรรมดา, คุณไม่จำเป็นต้องนำโซลูชันนี้ไปใช้. IPC-4101 กำหนดขอบเขตทางเทคนิคสำหรับการเลือกใช้วัสดุ. การออกแบบความถี่สูงต้องอ้างอิงถึงข้อกำหนด Slash Sheet ที่เกี่ยวข้องในมาตรฐานนี้.
3. ชั้นขอบเขตแม่เหล็กไฟฟ้า – ปล่อยให้สัญญาณผ่านอย่างแม่นยำ
การควบคุมด้วยความยาวของต้นขั้วเป็นวิธีการที่สำคัญในการฝ่าฟันปัญหาคอขวดที่มีความเร็วสูง.
เกณฑ์ทางวิศวกรรมสำหรับการเจาะด้านหลัง
สำหรับ 10 Gbps หรือสูงกว่าช่อง SerDes, ความยาวต้นขั้วเกิน 10 MIL (เกี่ยวกับ 0.254 มม) อาจทำให้เกิดรอยบากการสูญเสียการแทรกที่สังเกตได้. กระบวนการขุดเจาะด้านหลังเชิงพาณิชย์สามารถควบคุมความยาวของต้นขั้วระหว่างกันได้อย่างน่าเชื่อถือ 4 ล้านและ 8 MIL (0.1 มม. ถึง 0.2 มม).
ผ่านทางต้นขั้วทำหน้าที่เป็นต้นขั้วสายส่งวงจรเปิด. เมื่อความยาวของต้นขั้วเท่ากับหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นนำทางด้วยอิเล็กทริก, มันกระตุ้นเสียงสะท้อนของซีรีย์ Q สูง. การสูญเสียกลับ S11 อาจลดลงเฉพาะที่เกินกว่า –8 dB.
การตัดสินเชิงปริมาณของค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน
สูตรสัมประสิทธิ์การสะท้อนคือ:
ค = (Z₂ - Z₁) / (Z₂ + Z₁)
ที่ไหน:
- Z₁ = อิมพีแดนซ์ของเส้นก่อนจุดสะท้อน
- Z₂ = อิมพีแดนซ์ของเส้นหลังจุดสะท้อน
ในกรณีที่เหมาะ, ซี → 0 หมายถึงการดูดซึมได้เต็มที่โดยไม่มีการสะท้อนกลับ. C → ±1 หมายถึง การสะท้อนทั้งหมด. เมื่อ a via แนะนำพารามิเตอร์ปรสิตเพิ่มเติม, Γ เบี่ยงเบนไปจากศูนย์. การออกแบบจะต้องรักษาความเบี่ยงเบนนี้ให้อยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ผ่านการควบคุมอิมพีแดนซ์.
ผ่านหลักการออกแบบกำแพงบาร์เรล
ในระดับจุลภาค, ผ่านเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน, อัตราส่วนภาพ (ความหนาของบอร์ด / เส้นผ่านศูนย์กลางรู), และความหนาของการชุบทองแดงจะกำหนดโดยตรงผ่านความน่าเชื่อถือทางกล. ความหนาของทองแดงผนังรูมาตรฐานมีตั้งแต่ 2.5 ล้านถึง 3.0 MIL. ขีดจำกัดการเจาะเชิงกลสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางรูคือ 6 MIL (0.15 มม). การเจาะด้วยเลเซอร์สามารถเข้าถึงได้ 4 MIL (0.1 มม). เมื่ออัตราส่วนภาพเกิน 8:1, น้ำยาชุบไม่สามารถทะลุตรงกลางรูได้หมด, และช่องว่างหรือรอยแตกก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว.
การแลกเปลี่ยนต้นทุนสำหรับจุดแวะคนตาบอดและจุดฝัง
จุดแวะที่ตาบอดและถูกฝังสามารถลดความจุของปรสิตได้ 1/3 หรือ 1/5 ของรูทะลุผ่าน. อย่างไรก็ตาม, ต้นทุนการผลิตต่อตารางนิ้วอยู่ที่ประมาณ 1.3 ถึง 2.0 สูงกว่าแผงรูทะลุหลายเท่า. ข้อมูลอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่าการขุดเจาะคิดเป็น 30%–40% ของต้นทุนการผลิต PCB ทั้งหมด. Blind Vias เพิ่มเปอร์เซ็นต์นี้อย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากความซับซ้อนของกระบวนการ. แนะนำให้ใช้จุดอ่อนแบบซ่อน/ฝังเฉพาะในสถานการณ์เหล่านี้เท่านั้น: อัตราข้อมูลระบบ ≥56 Gbps PAM4, HDI การเชื่อมต่อระหว่างกันทุกชั้นเพื่อความหนาแน่นของเส้นทางสูง, หรือพื้นที่บรรจุภัณฑ์ขนาดเล็กที่ไม่สามารถรองรับรูทะลุได้.
สรุปมาตรการเพิ่มประสิทธิภาพ
ตารางด้านล่างสรุปโซลูชันทั้งหมดและผลกระทบต่อต้นทุนตามแหล่งข้อมูล.
| หมวดหมู่การเพิ่มประสิทธิภาพ | มาตรการเฉพาะ | ผลกระทบด้านต้นทุน |
|---|---|---|
| ผ่านการออกแบบมิติ | ลดเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่น; เพิ่มความแตกต่างของเส้นผ่านศูนย์กลางของรูต่อแผ่น | เล็กน้อย – แต่ต้องดูความแข็งแกร่งทางกลและความน่าเชื่อถือ |
| การออกแบบอิเล็กทริกและการแยก | เพิ่มระยะห่างอิเล็กทริก; ถอดแอนติแพดออก; ใช้วัสดุ Dk ต่ำ | วัสดุ Dk ปานกลางถึงสูง – ต่ำมีราคาสูงกว่า |
| ผ่านการออกแบบตำแหน่ง | เก็บให้ห่างจากขอบระนาบกราวด์; ควบคุมระยะห่างของตัวนำที่อยู่ติดกัน | เล็กน้อย - แต่ต้องมีการกวาดล้างอย่างปลอดภัย |
| โดยการเลือกโครงสร้าง | เจาะกลับเพื่อเอาต้นขั้วออก; ใช้จุดแวะตาบอด/ฝัง; ลดจำนวนการเปลี่ยนเลเยอร์ | ปานกลางถึงสูง – จุดผ่านแบบตาบอด/ฝังมีราคา 1.3–2.0 เท่าของรูทะลุ |
รับการสนับสนุนระดับมืออาชีพสำหรับความถี่สูงของคุณผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพ
เมื่อทีมออกแบบของคุณเผชิญกับความท้าทายในการปรับแต่งสัญญาณความถี่สูง, คุณต้องมีประสบการณ์ ซัพพลายเออร์ PCBA. เราเสนอราคาจำลองอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำและตัวอย่างการเจาะด้านหลังที่ให้ผลตอบแทนสูง. ความสามารถในการประดิษฐ์ของเราเป็นไปตามคลาส IPC-6012 3 มาตรฐานความน่าเชื่อถือสูงและรวมถึง HDI ที่ครบกำหนดผ่านโครงสร้าง. คลิกปุ่มเพื่อขอการสนับสนุนการออกแบบและการผลิตที่คุณกำหนดเอง.
อ้างอิง
[1] ไอพีซี-2251, คู่มือการออกแบบบรรจุภัณฑ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง, IPC, 2003.
[2] ไอพีซี-4101E/21, ข้อกำหนดสำหรับวัสดุฐานสำหรับบอร์ดพิมพ์แข็งและหลายชั้น, IPC.
[3] ไอพีซี-6012D, ข้อกำหนดคุณสมบัติและประสิทธิภาพสำหรับบอร์ดพิมพ์แข็ง, IPC.
[4] ไอพีซี-D-317A4, มาตรฐานการออกแบบสำหรับการประกอบบอร์ดพิมพ์, IPC.
[5] IPC-TM-650, คู่มือวิธีทดสอบ, IPC.
