Введение: Критическая роль переходных отверстий в высокочастотном проектировании

Переходные отверстия — это вертикальные межсоединения, которые позволяют сигналам переходить между слоями PCB, но на высоких частотах (выше 1 ГГц) эти кажущиеся простыми структуры становятся сложными разрывами линий передачи, которые могут значительно ухудшить целостность сигнала. По мере того как скорости передачи данных превышают 10 Гбит/с, а RF-приложения расширяются на миллиметровые частоты, проектирование переходных отверстий превратилось из простого механического соединения в критически важную электромагнитную задачу.

Почему проектирование переходных отверстий важно на высоких частотах

Разрыв импеданса: Структуры переходных отверстий создают емкостные и индуктивные реактивные сопротивления, которые вызывают отражения и искажения сигнала
Резонансные заглушки: Неиспользуемые части переходных отверстий действуют как резонансные заглушки, создающие провалы в частотной характеристике
Нарушение обратного пути: Переходные отверстия прерывают опорные плоскости, заставляя обратные токи идти более длинными путями
Связь через перекрестные помехи: Близко расположенные переходные отверстия создают пути связи между соседними сигналами

На частоте 10 ГГц длина волны сигнала в FR-4 составляет примерно 15 мм. Даже скромная длина переходного отверстия в 1,5 мм представляет собой λ/10, где эффекты линии передачи становятся значительными. Современные PCB-проекты обычно работают на частотах, где паразитные эффекты переходных отверстий доминируют в характеристиках пути сигнала, что делает правильное проектирование переходных отверстий необходимым, а не опциональным.

Типы и технологии переходных отверстий

Выбор технологии переходных отверстий имеет глубокие последствия для производительности, стоимости и сложности производства высокочастотных проектов. Каждый тип переходного отверстия предлагает различные компромиссы между частотным диапазоном, целостностью сигнала и производственными требованиями. Понимание этих технологий имеет решающее значение для оптимизации вашего проекта.

Сквозные переходные отверстия (Through-Hole)

Сквозные переходные отверстия — это самый простой и экономичный тип переходных отверстий, просверливающих сверху донизу PCB. Они легко изготавливаются, обеспечивают хорошую надежность и подходят для низкочастотных и среднечастотных приложений (обычно до 5 ГГц). Однако неиспользуемые длины переходных отверстий для слоев, где сигнал не нужен, создают паразитные заглушки, которые ухудшают производительность на более высоких частотах.

Применения

Подключения питания и заземления, низкоскоростные сигналы (<1 ГГц), простые переходы между слоями, чувствительные к стоимости проекты

Слепые и скрытые переходные отверстия

Слепые переходные отверстия соединяют внешний слой с внутренним слоем, но не просверливают всю PCB, в то время как скрытые переходные отверстия соединяют внутренние слои и не видны ни с одной стороны. Эти технологии позволяют более сложную трассировку и более короткие пути сигнала, но добавляют сложность и стоимость производства. Слепые и скрытые переходные отверстия особенно ценны для средне-высокочастотных проектов в диапазоне 5-15 ГГц, где критически важно уменьшение заглушек переходных отверстий.

Лучшие варианты использования

Высокоплотные межсоединения (HDI), многослойные PCB, контролируемые импедансные пути, среднечастотные сигналы (5-15 ГГц), BGA fanout

Микропереходные отверстия

Микропереходные отверстия — это небольшие переходные отверстия диаметром менее 150 микрон, обычно изготавливаемые методом лазерного сверления. Они обычно охватывают только один или два слоя PCB, минимизируя паразитные эффекты и обеспечивая превосходную целостность сигнала для высокочастотных приложений (>15 ГГц). Микропереходные отверстия являются краеугольным камнем технологии HDI, обеспечивая ультраплотную трассировку и оптимальную высокоскоростную производительность. Хотя они самые дорогие, они необходимы для миллиметровых и ультравысокоскоростных цифровых проектов.

Ключевые преимущества

Минимальные паразитные эффекты, превосходная высокочастотная производительность (>15 ГГц), ультраплотная трассировка, кратчайшие пути сигнала, передовые упаковочные приложения

Выбор правильной технологии переходных отверстий требует баланса между производительностью, стоимостью и производственными возможностями. Для большинства высокочастотных проектов начните со сквозных переходных отверстий для некритичных сигналов, используйте слепые или обратно просверленные переходные отверстия для путей умеренной скорости и зарезервируйте микропереходные отверстия для самых требовательных высокочастотных сигналов. Этот многоуровневый подход оптимизирует производительность и затраты при сохранении технологичности.

Импеданс и индуктивность переходных отверстий

Характеристики импеданса переходных отверстий критически важны для целостности высокочастотного сигнала. В отличие от линий передачи, которые имеют характеристический импеданс, переходные отверстия проявляют в основном индуктивное и емкостное поведение, создавая разрывы импеданса в пути сигнала. Понимание и контроль этих паразитных эффектов необходимы для поддержания целостности сигнала и минимизации отражений.

Расчет индуктивности переходных отверстий

Индуктивность переходного отверстия может быть оценена с помощью приближенной формулы: L = 5.08h[ln(4h/d) + 1], где L — индуктивность в nH, h — длина переходного отверстия в мм, d — диаметр переходного отверстия в мм. Для типичного сквозного переходного отверстия PCB размером 1,6 мм (диаметр 0,3 мм) индуктивность составляет примерно 1 nH. На частоте 10 ГГц это соответствует индуктивному реактивному сопротивлению 63Ω, что представляет собой значительное несоответствие импеданса в системе 50Ω.

Стратегии снижения индуктивности переходных отверстий

Минимизировать длину переходных отверстий (использовать слепые, скрытые или микропереходные отверстия)
Увеличить диаметр переходных отверстий (в пределах производственных ограничений)
Использовать несколько параллельных переходных отверстий для снижения эффективной индуктивности
Размещать заземляющие переходные отверстия рядом с сигнальными переходными отверстиями для обеспечения обратного пути

Емкостный эффект переходных отверстий возникает в основном из-за связи между контактной площадкой переходного отверстия и окружающим ее антипадом. Хотя емкость обычно меньше индуктивности, она все же играет роль в общих характеристиках импеданса переходного отверстия. Емкость между сигнальным переходным отверстием и плоскостью заземления помогает контролировать импеданс переходного отверстия, а размеры антипада можно регулировать для оптимизации согласования импеданса.

Практические соображения проектирования

Для высокоскоростных проектов стремитесь поддерживать импеданс переходных отверстий как можно ближе к импедансу системы (обычно 50Ω). Этого можно достичь с помощью комбинации более коротких длин переходных отверстий, оптимизированных размеров антипадов и стратегически размещенных заземляющих переходных отверстий. На частотах выше 5 ГГц рассмотрите возможность использования слепых или микропереходных отверстий вместо сквозных переходных отверстий для минимизации паразитной индуктивности. Всегда моделируйте критические переходы переходных отверстий с помощью 3D-решателя полей для проверки производительности.

Эффекты заглушек и обратное сверление

Когда переходное отверстие проходит через многослойную печатную плату, но передает сигнал только между определенными слоями, образуется заглушка переходного отверстия — неиспользуемая часть переходного отверстия, выходящая за точку подключения сигнала. Эти заглушки действуют как отводы линии передачи, создавая резонансы на определенных частотах и вызывая серьезные проблемы целостности сигнала. Понимание и управление эффектами заглушек имеет решающее значение для высокочастотного проектирования печатных плат.

Частота резонанса заглушки

Первый резонанс заглушки происходит, когда длина заглушки равна четверти длины волны сигнала (λ/4). На этой частоте заглушка проявляет чрезвычайно высокий импеданс, вызывая серьезные отражения и потери сигнала. Резонансную частоту можно рассчитать по формуле: f = c/(4 × L × √εr), где f — частота в ГГц, c — скорость света (300 мм/нс), L — длина заглушки в мм, εr — эффективная диэлектрическая проницаемость материала PCB (~4,0 для FR4).

Пример резонанса заглушки

Для длины заглушки 1,0 мм на стандартной печатной плате FR4 (например, сигнал переходит между слоями 3 и 4, но переходное отверстие простирается до нижнего слоя):

Первый резонанс: f = 300/(4 × 1,0 × √4,0) = 37,5 ГГц
Для заглушки 2,0 мм: первый резонанс = 18,75 ГГц
Для заглушки 3,0 мм: первый резонанс = 12,5 ГГц

Это демонстрирует, что даже для относительно коротких заглушек резонанс возникает в пределах рабочих частот современных высокоскоростных интерфейсов.

Техника обратного сверления

Обратное сверление (также называемое сверлением с контролируемой глубиной) — это процесс производства печатных плат, который сверлит с противоположной стороны печатной платы для удаления неиспользуемых заглушек переходных отверстий. Процесс выполняется после гальванического покрытия переходного отверстия, сверля с задней стороны до глубины немного больше желаемого сигнального слоя. Это эффективно укорачивает переходное отверстие, устраняет заглушку и сдвигает первую резонансную частоту выше, за пределы рабочего диапазона частот конструкции.

Параметры обратного сверления

Диаметр сверления: Обычно на 0,1-0,2 мм больше исходного диаметра переходного отверстия для обеспечения полного удаления меди
Целевая глубина: Сверлить примерно на 0,1-0,15 мм ниже целевого сигнального слоя (1-1,5 толщины медной фольги)
Остаточная заглушка: После обратного сверления обычно остается заглушка 0,15-0,25 мм, допустимая до частот 25-30 ГГц
Влияние на стоимость: Добавляет 10-20% к стоимости производства печатной платы, но необходимо для конструкций >10 ГГц

Обратное сверление имеет решающее значение в высокоскоростных последовательных соединениях (PCIe Gen4/5, USB 3.2/4, 100G Ethernet), интерфейсах памяти DDR5 и любых конструкциях, работающих выше 10 ГГц. Это наиболее экономически эффективный метод устранения эффектов резонанса заглушек переходных отверстий.

Альтернативы со слепыми переходными отверстиями и HDI

Для приложений с чрезвычайно высокой частотой (>20 ГГц) слепые переходные отверстия и микропереходные отверстия обеспечивают лучшую производительность, чем обратное сверление, поскольку они устраняют заглушки по конструкции. Слепые переходные отверстия соединяют только внешние слои с внутренними слоями без проникновения через всю толщину печатной платы. Микропереходные отверстия (просверленные лазером, обычно диаметром 0,1-0,15 мм) соединяют только смежные слои, обеспечивая самую короткую длину переходного отверстия и минимальные паразитные эффекты.

Когда использовать слепые переходные отверстия/микропереходные отверстия

Частота >20 ГГц: Микропереходные отверстия необходимы, поскольку даже заглушки с обратным сверлением вызывают проблемы
Высокоплотные конструкции: Когда пространство ограничено, требуя разводки BGA или плотной трассировки
Уменьшение количества слоев: HDI позволяет большую плотность трассировки в меньшем количестве слоев
Приложения RF/mmWave: Миллиметровые конструкции требуют минимизации всех паразитных эффектов

Соображения по стоимости и производству

Производство HDI печатных плат стоит на 30-50% дороже, чем стандартных печатных плат, слепые переходные отверстия добавляют 20-30%, а микропереходные отверстия — 40-60%. Однако для приложений >15 ГГц преимущества в производительности обычно оправдывают дополнительные затраты. Обратное сверление остается наиболее экономически эффективным решением в диапазоне 5-15 ГГц, в то время как HDI/микропереходные отверстия становятся необходимыми для конструкций >20 ГГц.

Дерево решений для управления заглушками

<5 GHz: Достаточно стандартных сквозных переходных отверстий, специальная обработка заглушек не требуется
5-15 GHz: Обратное сверление рекомендуется для критических сигналов; слепые переходные отверстия для высокоплотных областей
15-25 GHz: Обратное сверление необходимо для всех сигнальных переходных отверстий; рассмотреть слепые переходные отверстия для лучшей производительности
>25 GHz: Микропереходные отверстия или слепые переходные отверстия становятся обязательными; требуется производство HDI

Размеры антипадов и зазоры

Антипад (также называемый зазором или изоляционным кольцом) — это область зазора во внутренних медных плоскостях многослойной печатной платы вокруг переходного отверстия. Этот зазор предотвращает короткое замыкание покрытия переходного отверстия с медными плоскостями на несоединенных слоях. Размер антипада оказывает значительное влияние на электрические характеристики переходного отверстия, особенно на высоких частотах, влияя на емкость переходного отверстия, характеристический импеданс и целостность сигнала. Правильный выбор размера антипада имеет решающее значение для баланса между контролируемым импедансом и минимизацией прерываний обратного пути.

Функция и влияние антипада

Антипад играет роль в нескольких ключевых аспектах производительности печатной платы. Во-первых, он создает локальную неоднородность в плоскостях питания/земли, влияя на характеристический импеданс переходного отверстия. Большие антипады уменьшают емкость переходного отверстия и увеличивают локальный импеданс, в то время как меньшие антипады увеличивают емкость и уменьшают импеданс. Во-вторых, антипад создает пробел в опорной плоскости, заставляя обратный ток обходить эту область, потенциально увеличивая площадь петли и излучения. В-третьих, антипад влияет на распределение электрического поля вокруг переходного отверстия, влияя на целостность сигнала и перекрестные помехи.

Ключевые компромиссы

Меньшие антипады: Лучшая непрерывность обратного пути, но может вызвать несоответствие импеданса и производственные риски
Большие антипады: Лучший контроль импеданса, но увеличивает прерывания обратного пути и потенциальные проблемы EMI

Взаимосвязь антипада и импеданса переходных отверстий

Характеристический импеданс переходного отверстия в основном определяется его емкостью, на которую напрямую влияет размер антипада. Большие антипады уменьшают емкостную связь между переходным отверстием и опорными плоскостями, увеличивая импеданс переходного отверстия. Эта взаимосвязь имеет решающее значение для достижения согласования импеданса на переходах переходных отверстий, особенно в высокоскоростных дифференциальных парах и несимметричных линиях передачи.

Стратегии оптимизации импеданса

50Ω несимметричная: Настройте размер антипада для достижения импеданса переходного отверстия 50Ω, минимизируя разрыв с дорожками
100Ω дифференциальная: Согласуйте размеры антипадов обоих переходных отверстий для поддержания дифференциального импеданса, учитывая эффекты расстояния между переходными отверстиями
Сглаживание импеданса: В критических приложениях используйте градуированные антипады (разные размеры между слоями) для плавного перехода импеданса

Лучшие практики проектирования антипадов

Согласованность: Используйте одинаковые размеры антипадов для одного и того же типа сигнала во всех идентичных сетях для поддержания предсказуемой производительности
Проверка моделированием: Для конструкций >5 ГГц используйте 2D-решатель поля или 3D EM моделирование для проверки влияния антипада на импеданс
Координация с производством: Проконсультируйтесь с минимальными возможностями зазора и сверления переходных отверстий производителя печатных плат на ранних этапах проектирования
Послойный подход: Рассмотрите использование разных размеров антипадов для разных слоев (например, меньше около сигнальных слоев, больше в удаленных слоях)
Заземляющая прошивка: Размещайте заземляющие переходные отверстия (без антипадов) рядом с сигнальными переходными отверстиями для обеспечения непрерывных обратных путей и уменьшения эффектов зазора антипада

Рассмотрение переходных отверстий в контактных площадках

Переходное отверстие в контактной площадке (VIPPO - Via-in-Pad Plated Over) — это передовая технология производства печатных плат, при которой переходные отверстия размещаются непосредственно под контактными площадками SMD-компонентов. Эта технология набирает популярность в высокочастотных и высокоплотных конструкциях, поскольку сокращает длину соединений, минимизирует паразитные эффекты и экономит место на плате. Однако переходное отверстие в контактной площадке требует специальных производственных процессов, включая заполнение переходных отверстий и выравнивание поверхности, для обеспечения надежной пайки и монтажа компонентов. Понимание того, когда и как использовать переходные отверстия в контактных площадках, имеет решающее значение для оптимизации высокоскоростных конструкций.

Что такое технология переходных отверстий в контактных площадках (VIPPO)

Процесс VIPPO включает несколько ключевых этапов. Сначала переходные отверстия сверлятся и металлизируются, как обычные переходные отверстия. Затем переходные отверстия заполняются проводящей или непроводящей эпоксидной смолой, медной пастой или другими заполняющими материалами. После заполнения поверхность выравнивается механической планаризацией или химико-механической полировкой (CMP). Наконец, металл контактной площадки наносится поверх переходного отверстия, создавая плоскую поверхность без отверстий, которую можно паять непосредственно с компонентами. Этот процесс гарантирует, что припой не будет втягиваться через переходное отверстие — распространенная проблема с незаполненными переходными отверстиями в контактных площадках, которая может привести к слабым паяным соединениям.

Этапы процесса VIPPO

Сверление и металлизация: Создание металлизированных сквозных отверстий с использованием стандартных процессов печатных плат
Заполнение переходного отверстия: Заполнение переходного отверстия проводящим или непроводящим материалом
Планаризация поверхности: Создание плоской поверхности путем шлифования или CMP
Металлизация контактной площадки: Нанесение финишного металла контактной площадки поверх переходного отверстия (обычно ENIG или HASL)

Преимущества переходных отверстий в контактных площадках для высокочастотных конструкций

Технология переходных отверстий в контактных площадках предлагает несколько ключевых преимуществ для высокочастотных приложений. Устраняя длину дорожки от контактной площадки до переходного отверстия, VIPPO значительно снижает паразитную индуктивность и емкость, улучшая целостность сигнала и согласование импеданса. Более короткий сигнальный путь также уменьшает излучение и перекрестные помехи. Кроме того, переходное отверстие в контактной площадке экономит ценное пространство на плате, позволяя размещать компоненты непосредственно над переходными отверстиями без необходимости дополнительной разводки дорожек. Это особенно ценно в корпусах BGA, платах с высокой плотностью соединений (HDI) и RF/микроволновых приложениях.

Основные преимущества

Уменьшение паразитов: Отсутствие разводки дорожек означает меньшую индуктивность и емкость
Улучшенная целостность сигнала: Минимизация длины перехода уменьшает разрывы импеданса
Экономия места: Позволяет более компактную компоновку и более высокую плотность трассировки
Лучшие тепловые характеристики: Заполненные переходные отверстия обеспечивают улучшенные пути теплопроводности

Требования к заполнению и закрытию переходных отверстий

Успешная реализация переходных отверстий в контактных площадках требует тщательного внимания к заполняющим материалам и процессам. Проводящее заполнение (обычно эпоксидная смола, наполненная медью или серебром) обеспечивает наилучшие электрические характеристики для высокочастотных сигналов и пути с низким сопротивлением для силовых и заземляющих соединений. Непроводящее заполнение (эпоксидная смола) дешевле и подходит, когда электрическая проводимость через переходное отверстие не требуется. Независимо от выбранного типа, заполняющий материал должен полностью заполнить переходное отверстие без пустот для обеспечения надежной планаризации и металлизации контактной площадки.

Типы заполняющих материалов

Проводящее заполнение: Эпоксидная смола, наполненная медью или серебром, для RF-сигналов и силовых соединений
Непроводящее заполнение: Стандартная эпоксидная смола, экономичное решение для чисто механических применений
Заполнение медным покрытием: Электролитическое медное заполнение, обеспечивающее наименьшее сопротивление для критических высокочастотных путей

Когда использовать переходные отверстия в контактных площадках

Хотя переходные отверстия в контактных площадках предлагают значительные преимущества, они не всегда необходимы или экономичны из-за дополнительных производственных затрат и сложности. VIPPO следует рассматривать в нескольких конкретных сценариях: высокочастотные конструкции (>1 ГГц), где целостность сигнала критична; корпуса BGA, особенно устройства с мелким шагом, где пространство между контактными площадками ограничено; платы HDI, требующие максимальной плотности трассировки; силовые устройства, требующие улучшенного теплового управления; и RF/микроволновые схемы, где минимизация паразитных эффектов имеет решающее значение для производительности. Для низкочастотных приложений или там, где есть достаточно места между контактными площадками для обычной разводки, стандартные переходные отверстия обычно более экономичны.

Размещение заземляющих переходных отверстий

Заземляющие переходные отверстия играют решающую роль в высокочастотных конструкциях, обеспечивая низкоимпедансные обратные пути для сигналов, соединяя опорные плоскости и уменьшая EMI. Правильное размещение заземляющих переходных отверстий имеет важное значение для поддержания целостности сигнала, контроля импеданса и обеспечения надежной работы высокоскоростных схем. Стратегии заземляющих переходных отверстий включают заземляющую прошивку, ограждение переходными отверстиями и стратегическое размещение для поддержки сигнальных переходных отверстий, все это способствует созданию надежной системы заземления, которая минимизирует перекрестные помехи, излучения и разрывы импеданса.

Назначение заземляющей прошивки

Заземляющая прошивка - это практика размещения переходных отверстий через регулярные интервалы между заземляющими и питающими плоскостями печатной платы. Эта техника имеет несколько ключевых целей: она обеспечивает низкоимпедансные соединения между несколькими слоями, уменьшает разность напряжений между заземляющими плоскостями и создает непрерывные обратные пути. Заземляющая прошивка особенно важна для предотвращения работы печатной платы как антенны и излучения EMI, поскольку она гарантирует, что опорные плоскости остаются электрически на одном потенциале даже на высоких частотах.

Основные преимущества заземляющей прошивки

Уменьшенные излучения EMI: Предотвращает резонанс опорных плоскостей и антенные эффекты
Улучшенная целостность сигнала: Обеспечивает последовательные обратные пути по всей плате
Лучшее управление температурой: Распределяет тепло по всей плате
Уменьшенный отскок заземления: Минимизирует скачки напряжения в быстро переключающихся цифровых схемах

Руководство по расстоянию: правило λ/20

Максимальное расстояние между заземляющими переходными отверстиями определяется правилом λ/20, где λ (лямбда) - это длина волны сигнала на рабочей частоте. Это правило гарантирует, что опорные плоскости адекватно соединены на высоких частотах, предотвращая резонанс и проблемы EMI. Для материалов печатных плат с относительной диэлектрической проницаемостью (εr) эффективная длина волны рассчитывается как: λeff = c/(f × √εr), где c - скорость света (300 мм/нс), а f - частота. Например, для сигнала 10 ГГц на FR4 (εr≈4,3) λ/20 составляет приблизительно 7,2 мм.

Расстояние между заземляющими переходными отверстиями на разных частотах

Частота	λ (FR4)	Макс. расстояние (λ/20)	Рекомендуемое расстояние
1 GHz	144.7 mm	7.2 mm	5-6 mm
5 GHz	28.9 mm	1.45 mm	1.0-1.2 mm
10 GHz	14.5 mm	0.72 mm	0.5-0.6 mm
28 GHz	5.2 mm	0.26 mm	0.2-0.25 mm

Размещение вокруг сигнальных переходных отверстий

Когда сигнальное переходное отверстие переходит между слоями, обратный ток должен изменить слой между опорными плоскостями. Стратегическое размещение заземляющих переходных отверстий рядом с сигнальными переходными отверстиями обеспечивает низкоимпедансный путь для обратного тока, минимизируя площадь петли и уменьшая излучения. Общая рекомендация - размещать заземляющие переходные отверстия в пределах 3-5 раз ширины дорожки или расстояния от сигнального переходного отверстия. Для высокоскоростных дифференциальных пар заземляющие переходные отверстия должны быть размещены симметрично для поддержания баланса и уменьшения помех в общем режиме.

Лучшие практики размещения заземляющих переходных отверстий с сигнальными переходными отверстиями

Несимметричные сигналы: Разместите хотя бы одно заземляющее переходное отверстие в пределах 20 mil (0,5 мм) от сигнального переходного отверстия
Дифференциальные пары: Разместите заземляющие переходные отверстия симметрично с каждой стороны пары переходных отверстий (всего 2-4)
Переходы слоев: Заземляющие переходные отверстия более критичны при изменении опорных плоскостей; используйте несколько заземляющих переходных отверстий на переходах переходных отверстий
Высокочастотные сигналы (>10 ГГц): Уменьшите расстояние между заземляющими переходными отверстиями до 10-15 mil и рассмотрите коаксиальные структуры переходных отверстий

Техники ограждения переходными отверстиями

Ограждение переходными отверстиями - это техника, которая использует ряды заземляющих переходных отверстий для создания экранирования вокруг критических сигналов или чувствительных схем. Этот подход особенно эффективен для изоляции источников шума, предотвращения перекрестных помех между различными секциями схемы и сдерживания высокочастотной энергии. Создавая ограждение из переходных отверстий вокруг дорожек или областей схемы, вы эффективно создаете клетку Фарадея, уменьшая излучаемые выбросы и улучшая целостность сигнала. Ограждение переходными отверстиями особенно ценно в смешанных сигнальных конструкциях, где аналоговые и цифровые схемы должны сосуществовать без помех.

Применения ограждения переходными отверстиями

Изоляция смешанных сигналов: Создайте ограждения из переходных отверстий между аналоговыми и цифровыми доменами для предотвращения связывания шума
Защита высокоскоростных каналов: Экранируйте каналы SerDes, трассы PCIe и другие высокоскоростные дифференциальные пары
Ограждение RF-схем: Окружите антенные фидеры, генераторы и усилители для минимизации излучений
Экранирование тактовых сигналов: Изолируйте сети распределения тактовых сигналов для предотвращения EMI по всей системе
Типичное расстояние ограждения: Расстояние между переходными отверстиями λ/20 или 100-200 mil (2,54-5,08 мм), в зависимости от того, что меньше

Резюме рекомендаций по проектированию заземляющих переходных отверстий

Общие правила

• Используйте правило λ/20 для максимального расстояния
• Размещайте заземляющие переходные отверстия рядом с сигнальными переходными отверстиями
• Избегайте антипадов для заземляющих переходных отверстий

Оптимизация для высоких частот

• Используйте ограждение переходными отверстиями в критических областях
• Увеличьте плотность заземляющих переходных отверстий на переходах слоев
• Поддерживайте симметрию для дифференциальных пар

Проектирование переходных отверстий для дифференциальных пар

Дифференциальные пары сигналов требуют особого внимания при проектировании переходных отверстий для поддержания дифференциального импеданса, баланса и подавления синфазного сигнала. При использовании переходных отверстий в дифференциальных парах симметрия имеет решающее значение - оба сигнала должны испытывать одинаковую электрическую длину, импеданс и эффекты связи. Любая асимметрия приводит к перекосу сигнала, синфазному шуму и проблемам EMI. Правильное проектирование переходных отверстий для дифференциальных пар имеет решающее значение для высокоскоростных интерфейсов, таких как USB, HDMI, PCIe и высокоскоростной Ethernet.

Требования к симметрии

Симметрия переходных отверстий дифференциальных пар имеет решающее значение для поддержания качества сигнала. Переходные отверстия обоих сигналов должны быть размещены идентично, иметь одинаковый размер и располагаться с интервалом, соответствующим интервалу поверхностных дорожек. Это гарантирует, что оба сигнала испытывают одинаковые изменения импеданса и задержки распространения, сохраняя сбалансированные характеристики дифференциальной пары.

Лучшие практики симметрии

Одинаковые размеры переходных отверстий: Используйте одинаковый диаметр контактной площадки, диаметр сверления переходного отверстия и отверстие антипада
Зеркальное размещение: Позиции переходных отверстий должны быть симметричны относительно центральной линии дифференциальной пары
Согласование длины: Включайте переходы через переходные отверстия в общий бюджет согласования длины
Одновременные переходы: Оба сигнала должны одновременно менять слой, избегайте смещенных переходных отверстий

Расстояние между переходными отверстиями для дифференциальных сигналов

Расстояние между переходными отверстиями в дифференциальной паре должно тщательно контролироваться для поддержания правильного дифференциального импеданса и обеспечения связи между двумя сигналами. Расстояние между переходными отверстиями должно соответствовать расстоянию между поверхностными дорожками, чтобы избежать разрывов импеданса в области переходных отверстий. Расстояние между переходными отверстиями влияет на дифференциальный импеданс и связь, слишком большое расстояние может привести к уменьшению связи и увеличению преобразования мод.

Подавление синфазного сигнала

Одним из основных преимуществ дифференциальных сигналов является их врожденная устойчивость к шуму, которая проистекает из подавления синфазного сигнала. Когда переходные отверстия спроектированы симметрично, любой синфазный шум (шум, влияющий на оба сигнала) отклоняется приемником. Однако асимметрии в проектировании переходных отверстий могут преобразовать синфазный шум в дифференциальный сигнал, снижая способность системы отклонять шум и потенциально приводя к проблемам EMI.

Оптимизация подавления синфазного сигнала

Идеальная симметрия: Убедитесь, что оба переходных отверстия идентичны по размеру, форме и положению
Баланс опорного заземления: Оба сигнала должны иметь одинаковую близость и связь с заземляющей плоскостью
Симметричные заземляющие переходные отверстия: Размещайте заземляющие переходные отверстия симметрично с обеих сторон дифференциальной пары для сбалансированного экранирования
Минимизация преобразования мод: Любая асимметрия преобразует синфазную энергию в дифференциальную, следует избегать

Пример проектирования переходных отверстий для дифференциальных пар

Рассмотрим конструкцию USB 3.0 с дифференциальным импедансом 90Ом. Поверхностные дорожки используют ширину 5 мил и расстояние 10 мил (от центра до центра) на внутренних слоях. При переходе на внутренний слой переходные отверстия должны:

Размер переходного отверстия: Оба переходных отверстия используют диаметр сверления 8 мил, диаметр контактной площадки 16 мил
Расстояние между переходными отверстиями: Сохраняйте расстояние 10 мил от центра до центра для соответствия расстоянию между дорожками
Заземляющие переходные отверстия: Разместите два заземляющих переходных отверстия с каждой стороны дифференциальной пары на расстоянии 15 мил от сигнальных переходных отверстий
Антипад: Оба переходных отверстия используют одинаковый диаметр антипада 28 мил

Ключевые выводы

Выбор переходных отверстий должен основываться на рабочей частоте: сквозные (<5 ГГц), глухие/с обратным сверлением (5-15 ГГц), микропереходы (>15 ГГц)
Заглушки переходных отверстий создают резонансы на λ/4; обратное сверление или глухие переходные отверстия необходимы для высокоскоростных проектов
Размеры антипадов контролируют импеданс переходных отверстий и пути обратного тока; большие антипады уменьшают емкость, но увеличивают индуктивность петли
Заземляющие переходные отверстия должны располагаться в пределах 15 милов от сигнальных переходных отверстий для обеспечения путей возврата с низким импедансом
Переходные отверстия дифференциальных пар требуют идеальной симметрии и шаблонов заземляющих переходных отверстий G-S-S-G для оптимальной производительности
3D электромагнитное моделирование необходимо для характеристики переходных отверстий выше 10 ГГц; аналитические формулы дают только приблизительные оценки

Моделирование и симуляция

Для высокочастотных приложений электромагнитное моделирование и симуляция переходных отверстий имеют решающее значение для точного прогнозирования производительности. Хотя упрощенные формулы могут дать быстрые оценки, 3D электромагнитное (EM) моделирование учитывает сложные взаимодействия полей, резонансные эффекты и поведение связи, которые становятся значительными на высоких частотах. Правильное моделирование может выявить потенциальные проблемы до производства, оптимизировать проектирование переходных отверстий и проверить производительность целостности сигнала.

Методы моделирования

3D решатели электромагнитных полей используют численные методы для решения уравнений Максвелла, захватывая полное распределение электромагнитного поля внутри и вокруг структуры переходного отверстия. Наиболее распространенными методами являются метод конечных разностей во временной области (FDTD) и метод конечных элементов в частотной области (FEM), каждый из которых имеет свои преимущества. FDTD превосходен в широкополосном анализе, а FEM - в резонансных структурах и сложных геометриях.

Основные методы моделирования

FDTD (Конечные разности во временной области): Идеален для широкополосного переходного анализа, захватывает несколько частот за один запуск
FEM (Метод конечных элементов): Обеспечивает высокую точность на определенных частотах, подходит для анализа резонанса
MoM (Метод моментов): Эффективен для планарных структур, обычно используется для моделирования компоновки PCB
PEEC (Частичная эквивалентная схема): Генерирует модели сосредоточенных компонентов, легко интегрируется с симуляторами схем

Распространенные инструменты моделирования

Стандартные отраслевые инструменты электромагнитного моделирования предлагают специализированные возможности для анализа структур переходных отверстий. Эти инструменты позволяют инженерам создавать точные 3D-модели, определять свойства материалов, настраивать граничные условия и извлекать ключевые параметры, такие как S-параметры, импеданс и распределение электрического поля. Выбор подходящего инструмента зависит от сложности проекта, диапазона частот и требуемого уровня точности.

Что проверять при моделировании

Проверка моделирования должна быть сосредоточена на критических параметрах, которые могут повлиять на целостность сигнала и общую производительность системы. Понимание того, что искать и как интерпретировать результаты, имеет решающее значение для эффективной оптимизации проектирования переходных отверстий. Вот ключевые параметры, которые следует проверить во время моделирования переходных отверстий.

S-параметры (S11, S21)

S11(回波损耗): Должен быть ниже -15dB, в идеале ниже -20dB на рабочих частотах
S21(插入损耗): Должен быть близок к 0dB, что указывает на минимальные потери энергии

Характеристики импеданса

Импеданс должен оставаться контролируемым в пределах ±10% от целевого значения
Проверить разрывы импеданса на переходах переходных отверстий

Резонансы и гармоники

Определить резонансы заглушек переходных отверстий, которые могут повлиять на качество сигнала
Проверить, что резонансные частоты находятся далеко от рабочих частот и их гармоник

Распределение электрического поля и тока

Визуализировать шаблоны электрического поля для выявления потенциальных проблем EMI
Проверить пути обратного тока для обеспечения низкоимпедансных соединений заземления

Лучшие практики моделирования

Успешное моделирование требует тщательной настройки и понимания параметров проектирования. Соблюдение этих лучших практик гарантирует, что результаты моделирования будут точными, значимыми и предоставят практические идеи для улучшения проектирования.

1

Точные параметры материалов

Используйте спецификации производителя для зависящих от частоты диэлектрической проницаемости (Dk) и тангенса угла потерь (Df). Избегайте использования одного значения Dk для высокочастотного моделирования.

2

Подходящая плотность сетки

Используйте не менее 20 ячеек/длину волны для FDTD-моделирования. Уточните сетку вокруг переходных отверстий, особенно в областях антипада и на краях меди.

3

Включить локальную среду

Включите соседние переходные отверстия, дорожки и плоскости в моделирование. Изолированные модели переходных отверстий не учитывают реальные эффекты связи.

4

Правильные граничные условия

Используйте поглощающие граничные условия (ABC или PML) для задач излучения. Убедитесь, что границы находятся достаточно далеко от структуры, чтобы избежать нефизических отражений.

5

Выбор диапазона частот

Моделируйте как минимум до 5-й гармоники в спектре сигнала. Для сигналов 10 Гбит/с это означает моделирование до 25 ГГц.

6

Проверка измерениями

Когда это возможно, сравните результаты моделирования с измерениями TDR или VNA. Это повышает уверенность в точности моделирования.

7

Параметрические исследования

Проводите параметрические развертки, чтобы понять, как диаметр сверления переходного отверстия, размер антипада и длина заглушки влияют на производительность. Это позволяет определить оптимальные точки проектирования.

8

Проверка сходимости

Проверьте, что S-параметры сходятся при разных плотностях сетки. Результаты должны стабилизироваться с более мелкими сетками, изменяясь менее чем на 1%.

Производственные соображения

Успешное проектирование переходных отверстий должно учитывать не только электрические характеристики, но и возможность производства и надежность. Понимание возможностей производства PCB, ограничений процесса и руководств по проектированию для производства (DFM) имеет решающее значение для обеспечения надежного и экономически эффективного производства вашего проекта. Следование лучшим практикам производства позволяет избежать дорогостоящих доработок, снизить проблемы с выходом годных и улучшить общее качество продукта.

Размер сверления и соотношение сторон

Производители PCB имеют ограничения на диаметры отверстий переходных отверстий и толщину платы, которые могут быть надежно просверлены и покрыты. Соотношение сторон (толщина платы, деленная на диаметр готового отверстия) является критическим параметром производства, влияющим на точность сверления и качество покрытия.

Типичные ограничения соотношения сторон

Стандартное производство: Соотношение сторон ≤ 8:1 (напр. отверстие 0,2 мм в плате 1,6 мм)
Расширенное производство: Соотношение сторон до 12:1 или выше со специализированным оборудованием и контролем процесса
Микропереходные отверстия: Лазерное сверление позволяет соотношение сторон 1:1, диаметры до 75 мкм

Требования к покрытию

Сквозное медное покрытие необходимо для обеспечения электрической непрерывности и надежности переходных отверстий. Качество покрытия напрямую влияет на сопротивление переходного отверстия, токонесущую способность и долгосрочную надежность. Правильная толщина и однородность покрытия особенно важны для высокочастотных характеристик.

Стандарты толщины покрытия

IPC Class 2: Минимальная толщина покрытия 20 мкм (0,8 мил), подходит для общей бытовой электроники
IPC Class 3: Минимальная толщина покрытия 25 мкм (1,0 мил), для высоконадежных применений (медицина, аэрокосмическая отрасль)
Приложения с высоким током: Рекомендуемая толщина покрытия 35-50 мкм или более для снижения сопротивления и улучшения теплоотдачи

Распространенные производственные проблемы

Понимание распространенных проблем производства переходных отверстий помогает избежать проектных ловушек и устранять проблемы при их возникновении. Вот наиболее распространенные производственные проблемы и способы их предотвращения.

1

Пустоты в покрытии

Неравномерная толщина покрытия в переходных отверстиях с высоким соотношением сторон. Предотвратите, используя более низкие соотношения сторон (≤8:1) или указав улучшенные процессы покрытия.

2

Смещение сверления

Сверление может отклоняться в толстых платах. Поддерживайте достаточный размер кольца (4-5 мил) и избегайте чрезмерных соотношений сторон.

3

Проблемы выравнивания слоев

Несовмещение слоев в многослойных платах. Используйте большие кольца (5 мил+) и указывайте более строгие допуски на выравнивание для критических переходных отверстий.

4

Отсос припоя

Припой всасывается в переходные отверстия, вызывая плохие соединения. Используйте заполнение/заглушку переходных отверстий для SMT-площадок или размещайте переходные отверстия за пределами площадок.

Контрольный список проектирования переходных отверстий

Используйте этот комплексный контрольный список, чтобы убедиться, что ваша высокочастотная конструкция переходных отверстий соответствует всем критическим требованиям. Этот список охватывает выбор типа переходного отверстия, соображения импеданса, рекомендации по компоновке и проверку производства, помогая избежать распространенных ошибок и оптимизировать производительность на каждом этапе процесса проектирования.

Выбор типа переходного отверстия

Анализ частотного диапазона: Определите самую высокую рабочую частоту и полосу пропускания сигнала. Для <5 ГГц стандартные сквозные переходные отверстия обычно достаточны; 5-15 ГГц требуют слепых или обратного сверления переходных отверстий; >15 ГГц требуют микропереходных отверстий или лазерного сверления.

Оценка длины заглушки: Рассчитайте потенциальную длину заглушки (неиспользуемая длина переходного отверстия). Если длина заглушки >λ/20 (на самой высокой частоте), рассмотрите обратное сверление, слепые или скрытые переходные отверстия для устранения или минимизации эффектов заглушки.

Баланс стоимости и производительности: Оцените свой производственный бюджет и требования к производительности. Сквозные переходные отверстия самые дешевые, микропереходные отверстия и обратное сверление увеличивают стоимость. Используйте передовые технологии переходных отверстий только на критических сигнальных путях.

Проверка возможностей производителя: Перед завершением проектирования подтвердите у вашего производителя печатных плат, что он поддерживает необходимые технологии переходных отверстий. Проверьте минимальный диаметр сверления, ограничения соотношения сторон и возможности обратного сверления.

Соображения импеданса

Расчет импеданса переходного отверстия: Рассчитайте характеристическое сопротивление переходного отверстия, используя формулы или EM-симуляторы. Убедитесь, что импеданс переходного отверстия соответствует системному импедансу (обычно 50Ω или 100Ω дифференциальный) в пределах ±10%.

Оптимизация размера антипада: Размер зазоров антипада на основе частоты и структуры печатной платы. Используйте рекомендации: 1-5 ГГц: зазор 0,3-0,5 мм, 5-10 ГГц: 0,5-0,7 мм, >10 ГГц: 0,7-1,0 мм (радиальный зазор от контактной площадки переходного отверстия).

Размер контактной площадки переходного отверстия: Выберите подходящее соотношение контактной площадки к сверлению. Стандарт: диаметр сверления +0,15-0,2 мм для некритических переходных отверстий; используйте минимальные контактные площадки (диаметр сверления +0,1 мм) для высокочастотных применений для уменьшения паразитной емкости.

Симметрия переходных отверстий дифференциальной пары: Для дифференциальных сигналов убедитесь, что оба переходных отверстия идентичны: одинаковый размер сверления, размер контактной площадки, зазор антипада и переходы слоев. Поддерживайте расстояние между переходными отверстиями в 2-3× диаметра переходного отверстия для поддержания связи.

Проверка производства

Проверка правил DRC: Выполните проверку правил проектирования (DRC), чтобы убедиться, что все переходные отверстия соответствуют возможностям производителя: минимальный размер сверления, соотношение сторон, кольцевое кольцо и зазоры.

Производственная документация: Четко укажите особые требования к переходным отверстиям в производственных чертежах: глубина обратного сверления, определения слепых/скрытых переходных отверстий, требования к заполнению переходных отверстий и спецификации контролируемого импеданса.

Образцы для тестирования импеданса: Включите тестовые образцы на панель печатной платы с репрезентативными конфигурациями переходных отверстий. Это позволяет проверить импеданс переходных отверстий и целостность сигнала перед производством.

Проверка после производства: Проверьте, что изготовленные печатные платы соответствуют спецификациям проектирования, используя измерения TDR (рефлектометр во временной области) или VNA (векторный анализатор цепей). Проверьте разрывы импеданса переходных отверстий и вносимые потери.

Проектирование переходных отверстий для высокочастотных схем PCB: Полное инженерное руководство

Содержание