高速デジタル回路でブラインド/埋め込みビアを設計する方法

システム オブ サーキットにおける大規模および超大規模集積回路のアプリケーションの増加に伴い、回路基板は、チップの集積規模の拡大、体積の縮小、ピンのエスカレーション、および増加により、多層化および複雑化への発展傾向を示しています。速度率の。高速多層 PCB のほとんどは、スルーホール ビアを介して層間接続を実装します。ただし、上から下に循環しない電気接続では、冗長なスルーホール ビア スタブが発生し、PCB の伝送品質に悪影響を与える可能性があります。したがって、高性能で要件の高い一部の高速デジタル システムに関しては、冗長スタブの影響を無視することはできません。コストとパフォーマンスのバランスをとる試みに基づいて、冗長スタブ効果を効果的に回避し、システムの伝送品質を向上させるために、ブラインド/埋め込みビアの設計が行われます。

この記事では、ブラインド ビアと埋め込みビアの設計を研究対象とし、モデリング シミュレーションを通じて、主にブラインド/埋め込みビアのビア径、パッド、アンチパッドに関するパラメータが S パラメータやインピーダンスの連続性などの信号特性に与える影響を分析し、高い-PCB ブラインド/埋め込みビア設計の高速化。

ブラインド/埋め込みビアの主なパラメータと性能指数

高速デジタル回路用多層PCBでは、あるプレーンの配線と別のプレーンの配線とを高速信号で接続するためにビアが必要です。ビアは、実際には、異なるプレーン間のルーティングを接続する導電体です。 PCB 設計の違いに基づいて、図 1 に示すように、ビアはスルーホール ビア、ブラインド ビア、埋め込みビアに分類できます。

• PCB 全体を循環するスルーホール ビアは、層間の相互接続配線やコンポーネントの位置決めビアとして適用されます。

• ブラインド ビアは、PCB 全体を循環することなく、PCB の内部層とサーフェス プレーン ルーティングの間の接続を担当します。

• 埋め込みビアは、PCB の内部層間の接続のみを担当します。それらは、PCB の外観から直接見ることはできません。

ビアは電気接続と見なすことができず、シグナル インテグリティへの影響を考慮する必要があります。したがって、高速デジタル回路の性能に対するビアのアーキテクチャ設計の影響をよりよく理解することは、信号の完全性に対する優れたソリューションに有益であり、高速デジタル システムの設計を最適化し、高速信号の伝送品質を向上させることができます。改善できます。

高速回路では、ビアの等価電気モデルは図 2 のように表すことができます。ここで、C₁ 、C₂ と L はそれぞれ、ビアの寄生容量とインダクタンスを表します。

このモデルに基づくと、高速回路のすべてのビアはグランドへの寄生容量を生成します。寄生容量は、以下の式で計算できます:

この式では、ビアの寄生容量は、グランドに対するアンチパッドの直径、ビアのパッドの直径、基板材料の誘電率、および PCB の厚さに等しくなります。高速デジタル回路では、ビアの寄生容量によって信号の立ち上がり時間が遅くなったり減少したりし、回路速度が遅くなります。特性インピーダンスが Z₀ の伝送線路の場合 、寄生容量と信号の立ち上がり時間の関係は、次の式で表すことができます。

高速信号がビアを通過すると、寄生インダクタンスも発生します。高速デジタル回路では、ビアの寄生インダクタンスによる影響が寄生容量よりも大きくなります。寄生インダクタンスは、以下の式に従って計算できます。

この式では、ビアの寄生インダクタンスは、ビアの長さとビアの直径に等しくなります。また、寄生インダクタンスによる等価インピーダンスは無視できず、等価インピーダンスと寄生容量および信号の立ち上がり時間の関係は次の式で表されます。

上記の式に基づいて、ビアの電気的性能は設計パラメータによって変化します。ビアの直径、長さ、パッド、およびアンチパッドの変化は、シグナル インテグリティに大きな影響を与える高速回路でインピーダンスの不連続を引き起こします。この記事での信号の特徴の分析は、S₁₁ のインデックスにあります。 (リターンロス) と S₂₁ (挿入損失)。挿入損失の減衰度が -3dB 未満の場合、有効帯域幅を適用して、ブラインド/埋め込みビアの信号伝送性能を判断および分析します。さらに、TDR シミュレーションを適用して、インピーダンスの不連続性によって引き起こされる反射を分析できます。

ブラインド/埋め込みビアのモデリング シミュレーションと結果解析

高速 PCB 信号機能に対するブラインド/埋め込みビアの影響を調査するために、この記事では HFSS ソフトウェアを使用して 8 層 PCB モデルを設計します。これを以下の図 3 に示します。

この PCB では、レイヤ 1 ～ 2、レイヤ 4 ～ 5、およびレイヤ 7 ～ 8 はすべて信号レイヤです。 3 番目の層は電源層です。第六層は地層です。各層の厚さは 0.2mm (8mil) です。誘電体材料はFR4です。誘電率は 4 です。信号線の配線幅は 0.1mm (4mil)、厚さは 0.13mm (1.1mil) です。シミュレーションでは、信号の立ち上がり時間は 20ps に設定され、最高掃引周波数は 100GHz に設定されます。

• ブラインド/埋め込みビアとスルーホール ビアに由来する信号機能の影響の比較

1層目から5層目まで信号線を循環させる必要がある場合は、ブラインドビアで接続することができます。ブラインド ビアの半径は 0.1mm (4mil)、長さは 0.81mm (32mil) に設定されています。

比較のためスルーホールビア接続もスルーホールビア半径0.1mmで設計しています。この条件では、スルーホール ビアのスタブの長さは 0.6mm です。

シミュレーション結果に基づき、周波数が 40GHz から 80GHz の範囲にある場合、ブラインド ビアのリターン ロスのパラメータ (S₁₁ ) はわずか 4dB ～ 7dB です。ただし、周波数が 40GHz から 80GHz の範囲の場合、スルーホール ビアのリターン ロスのパラメータ (S₁₁ ) はわずか 4dB ～ 10dB です。周波数が 76GHz の場合、ブラインドビアの挿入損失のパラメータ (S₂₁ ） は最もおおきい。ただし、周波数が 52GHz の場合、スルーホール ビアの挿入損失のパラメータ (S₂₁ ） は最もおおきい。挿入損失が -3dB 未満であることが保証されている場合、ブラインド ビアの動作帯域幅は 22GHz になりますが、スルーホール ビアの動作帯域幅はわずか 15GHz になります。

特性インピーダンスに関しては、ブラインド ビアの特性インピーダンスの変化カテゴリは 46 から 52 の範囲にあり、スルーホール ビアの特性インピーダンスの変化カテゴリは 42 から 53 の範囲にあり、これはブラインド ビアの方が伝送線路が優れていることを意味します。インピーダンス連続性。したがって、S パラメータの安定性と特性インピーダンス TDR の変化に基づいて、ブラインド ビアは、最上層と内部層の間、または最下層と内部層の間の信号線接続に関して、スルーホール ビアよりも伝送品質が優れていることを示すことができます。

2層目から5層目まで信号線を循環させる必要がある場合は、接続に埋め込みビアを適用することができます。埋め込みビアの半径は 0.1mm、長さは 0.57mm に設定されています。スルーホールビアも適用し、半径 0.1mil で、1 層目と 2 層目の冗長スタブの長さは 0.23mm、5 層目と 8 層目の冗長スタブの長さは 0.6mm です。 /P>

シミュレーション結果に基づき、周波数が 40GHz から 80GHz の範囲にある場合、埋め込みビアのリターン ロスのパラメータ (S₁₁ ) はわずか 4dB ～ 8dB で、比較的スムーズに変化します。ただし、周波数が 40GHz から 80GHz の範囲の場合、スルーホール ビアのリターン ロスのパラメータ (S₁₁ ) はわずか 4dB ～ 10dB です。特に周波数が 32GHz の場合、減衰量が瞬時に 13dB に変化し、伝送の安定性に影響を与えます。周波数が 77GHz の場合、埋め込みビアの挿入損失のパラメータ (S₂₁ ） は最もおおきい。ただし、周波数が 54GHz の場合、スルーホール ビアの挿入損失のパラメータ (S₂₁ ） は最もおおきい。挿入損失が -3dB 未満であることが保証されている場合、埋め込みビアの動作帯域幅は 32GHz ですが、スルーホール ビアの動作帯域幅はわずか 20GHz です。

さらに、埋め込みビアの特性 TDR の変化は 41.8 から 52 の範囲にあり、スルーホール ビアの特性 TDR の変化は 37.5 から 52 の範囲にあります。スルーホールビア。したがって、S パラメータの安定性と特性インピーダンス TDR の変化に基づいて、埋め込みビアは、内部層間の信号線接続に関して、スルーホール ビアよりも伝送品質が優れていることが示されます。

• ブラインド/埋め込みビアの直径、パッド、およびアンチパッドが信号機能に与える影響

ブラインド/埋め込みビアの直径、パッド、およびアンチパッドが信号機能に与える影響を調べるために、ブラインド/埋め込みビアのパッドとアンチパッドのサイズを固定することができます。ブラインド/埋め込みビアの半径の初期値は 0.1mm に設定され、カテゴリ内で 0.1mm から 0.175mm まで変化します。

シミュレーションの結果に基づいて、ブラインド ビアの半径が 0.1mm から 0.175mm のカテゴリ内で変化する場合、インピーダンスの変化はカテゴリ 6 から 13.5 にあり、インピーダンスの不連続の度合いが大きくなり、原因となることがわかります。挿入損失 S₂₁ の範囲の増加 .周波数が 20GHz から 60GHz の範囲にあるとき、最大の減衰は 1.7dB に達します。一方、埋め込みビアの半径が 4mil から 7mil のカテゴリ内で変化すると、インピーダンスの変化は 10 から 17 のカテゴリにあり、インピーダンスの不連続度が増加し、挿入損失 S₂₁ .周波数が 20GHz から 60GHz の範囲にある場合、最大の減衰は 1.6dB に達します。

ブラインド ビアとアンチパッドの直径を変更せずに、ブラインド/埋め込みビア パッドの半径の初期値を 0.2mm に設定し、カテゴリ内で 0.2mm から 0.28mm に変更します。

シミュレーションの結果に基づいて、ブラインド ビア パッドの半径が 0.2mm から 0.28mm のカテゴリ内で変化する場合、インピーダンスの変化は 6.5 から 10.5 のカテゴリにあり、範囲の増加を引き起こします。挿入損失 S₂₁ .さらに、最大減衰量は 2dB 増加します。一方、埋め込みビア パッドの半径が 0.2mm から 0.28mm のカテゴリ内で変化すると、インピーダンスの変化は 10.5 から 15.5 のカテゴリにあり、インピーダンスの不連続度が大きくなり、挿入損失の範囲が増加します。 S₂₁ .さらに、最大減衰量は 3.2dB 増加します。

ブラインド/埋め込みビアの直径とパッド サイズは変更せず、アンチパッドの初期値を 0.3mm に設定し、カテゴリ内で 0.3mm から 0.375mm に変更します。

シミュレーションの結果に基づいて、ブラインド ビア アンチパッドのサイズが 0.3mm から 0.375mm のカテゴリ内で変化する場合、インピーダンスの変化は 6.5 から 5.5 のカテゴリにあり、程度の減少を引き起こします。インピーダンスの不連続性と挿入損失の範囲 S₂₁ .さらに、最大減衰量は 3.2dB 増加します。一方、埋め込みビア アンチパッドのサイズが 0.3mm から 0.375mm のカテゴリ内で変化すると、インピーダンスの変化は 10 から 7.5 のカテゴリにあり、インピーダンスの不連続度と挿入損失 S の範囲が減少します。 ₂₁ .さらに、最大減衰量は 3dB 増加します。

結論

この記事では、HFSS によって確立されたブラインド ビアと埋め込みビア モデルを持つ 8 層 PCB を使用して、ブラインド/埋め込みビアとスルー ホール ビアの S パラメータと特性インピーダンス TDR を比較します。ブラインド/埋め込みビアは、スルーホール ビアよりも挿入損失が小さく、インピーダンスの不連続性が優れていると結論付けることができます。挿入損失が -3dB 未満の条件では、ブラインド/埋め込みビアはスルーホール ビアよりも動作帯域幅が広くなります。

この記事では、ビアの直径、パッド、アンチパッドなどのパラメーターがブラインド/埋め込み信号機能に与える影響についても分析します。ブラインド/埋め込みビアの直径とパッド サイズが大きくなると、それに応じて信号挿入損失の減衰が小さくなり、インピーダンスの不連続性が大きくなります。ただし、ブラインド/埋め込みビアのアンチパッド サイズが大きくなると、信号挿入損失の減衰が縮小し、それに応じてインピーダンスの不連続も縮小します。

挿入損失が -3dB 未満で、実効動作帯域幅が 20GHz に達する場合、ブラインド ビアの半径は 0.175mm 以下で、埋め込みビアの半径は 0.23mm 以下でなければなりません。ブラインド ビアのパッドは 0.25mm を超えてはならず、埋め込みビアのパッドは 0.275mm を超えてはなりません。ブラインド ビアのアンチパッドは 0.25mm 以上、埋め込みビアのアンチパッドは 0.23mm 以上でなければなりません。

インピーダンスの変化範囲が ±10% 以内に制御されている場合、ブラインド ビアと埋め込みビアの両方の半径は 0.125mm を超えてはなりません。ブラインド ビアのパッドは 0.25mm を超えてはならず、埋め込みビアのパッドは 0.175mm を超えてはなりません。ブラインド ビアのアンチパッドは 0.275mm 以上、埋め込みビアのアンチパッドは 0.4mm 以上でなければなりません。

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役立つリソース:
• ブラインド ビアと埋め込みビアの比較
• PCBCart はフル機能の PCB 製造サービスを提供します
• PCB 製造を除いて、PCBCart は高度なターンキー PCB アセンブリ サービスも提供します
• PCB アセンブリの見積もりと製造を迅速に行うための PCB 設計ファイルの要件
• HDI フレックス リジッド PCB の埋め込みビアとブラインド ビアについて、あなたが知らない 3 つの重要な要素