고속 디지털 회로에서 블라인드/매립 비아를 설계하는 방법

회로 시스템에서 대규모 및 초대형 집적 회로의 응용이 증가함에 따라 회로 기판은 칩의 집적 규모 확대, 부피 축소, 핀 확대 및 증가로 인해 다층 및 복잡성으로 발전하는 경향을 보여줍니다. 속도의. 대부분의 고속 다층 PCB는 쓰루홀 비아를 통해 레이어 간 연결을 구현합니다. 그러나 위에서 아래로 순환하지 않는 전기 연결의 경우 스터브를 통한 중복 스루홀이 발생하여 PCB 전송 품질에 나쁜 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 고성능 및 요구 사항이 높은 일부 고속 디지털 시스템의 경우 중복 스텁의 영향을 무시할 수 없습니다. 비용과 성능의 균형을 맞추려는 시도를 기반으로 하여 중복 스텁 효과를 효과적으로 방지하고 시스템의 전송 품질을 향상시키기 위해 블라인드/매립 비아 설계가 이루어집니다.

블라인드 및 매립 비아 설계를 연구 대상으로 하고 모델링 시뮬레이션을 통해 블라인드/매립 비아, 패드 및 안티패드의 비아 직경과 관련된 매개변수가 S 매개변수 및 임피던스 연속성과 같은 신호 특성에 미치는 영향을 주로 분석하고 높은 수준에 대한 실용적인 지침을 제공합니다. -스피드 PCB 블라인드/매립 비아 디자인.

블라인드/매립 비아의 주요 매개변수 및 성능 지수

고속 디지털 회로 다층 PCB의 경우 한 평면의 배선과 다른 평면의 배선 사이의 고속 신호 연결을 위해 비아가 필요합니다. 비아는 실제로 서로 다른 평면 사이의 라우팅을 연결하는 전기 도체입니다. 비아는 PCB 설계의 차이에 따라 스루홀 비아, 블라인드 비아, 매립 비아로 분류할 수 있으며, 이는 그림 1과 같습니다.

• 전체 PCB를 순환하는 쓰루 홀 비아는 레이어 간의 상호 연결된 라우팅 또는 구성 요소의 포지셔닝 비아로 적용됩니다.

• 전체 PCB를 순환하지 않는 블라인드 비아는 PCB의 내부 레이어와 표면 라우팅 사이의 연결을 담당합니다.

• Buried via는 PCB의 내부 레이어 간의 연결만을 담당합니다. PCB의 외관으로는 직접 볼 수 없습니다.

비아는 전기 연결로 간주될 수 없으며 신호 무결성에 대한 영향을 고려해야 합니다. 따라서 고속 디지털 회로 성능에 대한 비아 아키텍처 설계의 영향을 더 잘 이해하는 것은 고속 디지털 시스템의 설계를 최적화하고 고속 신호의 전송 품질을 최적화할 수 있는 우수한 신호 무결성 솔루션에 도움이 됩니다. 개선될 수 있습니다.

고속 회로에서 비아의 등가 전기 모델은 그림 2와 같이 표시될 수 있습니다. 여기서 C₁ , C₂ L은 각각 비아의 기생 용량과 인덕턴스를 나타냅니다.

이 모델을 기반으로 고속 회로의 모든 비아는 접지에 기생 커패시턴스를 생성합니다. 기생 커패시턴스는 아래 공식을 통해 계산할 수 있습니다.

이 공식에서 비아의 기생 커패시턴스는 접지에 대한 안티패드의 직경, 비아 패드의 직경, 기판 재료의 유전 상수 및 PCB의 두께와 같습니다. 고속 디지털 회로에서 비아의 기생 커패시턴스는 신호의 상승 시간을 늦추거나 감소시켜 회로 속도를 늦춥니다. 특성 임피던스가 Z₀인 전송 라인의 경우 , 기생 커패시턴스와 신호의 상승 시간의 관계는 다음 공식으로 나타낼 수 있습니다.

고속 신호가 비아를 통과할 때 기생 인덕턴스도 생성됩니다. 고속 디지털 회로에서 비아의 기생 인덕턴스에 의한 영향은 기생 커패시턴스보다 큽니다. 기생 인덕턴스는 아래 공식에 따라 계산할 수 있습니다.

이 공식에서 비아의 기생 인덕턴스는 비아의 길이와 비아의 직경과 같습니다. 또한, 기생 인덕턴스에 의한 등가 임피던스는 결코 무시할 수 없으며 등가 임피던스와 기생 커패시턴스와 신호의 상승 시간의 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

위에서 언급한 공식에 따라 비아의 전기적 성능은 설계 매개변수에 따라 변경됩니다. 비아 직경, 길이, 패드 및 안티패드의 변화는 신호 무결성이 크게 영향을 받는 고속 회로에서 임피던스 불연속성으로 이어집니다. 이 기사의 신호 기능에 대한 분석은 S₁₁의 색인에 있습니다. (반환 손실) 및 S₂₁ (삽입 손실). 삽입 손실의 감쇠 정도가 -3dB 미만인 경우 유효 대역폭을 적용하여 블라인드/매립 비아의 신호 전송 성능을 판단하고 분석합니다. 또한 TDR 시뮬레이션을 적용하여 임피던스 불연속성으로 인한 반사를 분석할 수 있습니다.

블라인드/매립 비아의 모델링 시뮬레이션 및 결과 분석

고속 PCB 신호 기능에 대한 블라인드/매립 비아의 영향을 연구하기 위해 이 기사에서는 아래 그림 3에 표시된 것처럼 HFSS 소프트웨어를 사용하여 8층 PCB 모델을 설계합니다.

이 PCB에서 레이어 1~2, 4~5, 7~8은 모두 신호 레이어입니다. 세 번째 레이어는 전원 레이어입니다. 여섯 번째 레이어는 접지 레이어입니다. 각 층의 두께는 0.2mm(8mil)입니다. 유전 물질은 FR4입니다. 유전 계수는 4입니다. 신호 라인의 라우팅 너비는 0.1mm(4mil), 두께는 0.13mm(1.1mil)입니다. 시뮬레이션에서 신호의 상승 시간은 20ps로 설정하고 최고 스위프 주파수는 100GHz로 설정합니다.

• 블라인드/매립 비아 및 스루홀 비아에서 파생된 신호 특성의 영향 비교

신호선이 첫 번째 레이어에서 다섯 번째 레이어로 순환해야 하는 경우 연결을 위해 블라인드 비아를 적용할 수 있습니다. 블라인드 비아의 반경은 0.1mm(4mil), 길이는 0.81mm(32mil)로 설정합니다.

비교를 위해 thru-hole via 연결도 0.1mm의 thru-hole via 반경으로 설계되었습니다. 이 조건에서 thru-hole via의 stub 길이는 0.6mm입니다.

시뮬레이션 결과에 따르면 주파수가 40GHz ~ 80GHz 범위일 때 블라인드 비아(S₁₁ )는 4dB ~ 7dB에 불과합니다. 그러나 주파수가 40GHz ~ 80GHz 범위에 있을 때 쓰루홀(S₁₁ )은 4dB ~ 10dB에 불과합니다. 주파수가 76GHz일 때 블라인드 비아(S₂₁ )가 가장 크다. 그러나 주파수가 52GHz일 때 쓰루홀 비아의 삽입 손실 파라미터(S₂₁ )가 가장 크다. 삽입 손실이 -3dB 미만으로 보장되는 경우 블라인드 비아의 동작 대역폭은 22GHz이고 쓰루홀 비아의 동작 대역폭은 15GHz에 불과합니다.

특성 임피던스 측면에서 블라인드 비아의 특성 임피던스 변화 범주는 46에서 52 사이이고 스루홀 비아의 특성 임피던스 변화 범주는 42에서 53으로 블라인드 비아가 더 나은 전송 라인을 가지고 있음을 의미합니다. 임피던스 연속성. 따라서 S 파라미터의 안정성과 특성 임피던스 TDR의 변화를 기반으로 상위 레이어와 내부 레이어 또는 하위 레이어와 내부 레이어 사이의 신호 라인 연결 측면에서 블라인드 비아가 스루홀 비아보다 전송 품질이 우수함을 알 수 있습니다. 레이어.

신호선이 두 번째 레이어에서 다섯 번째 레이어로 순환해야 하는 경우 연결을 위해 매립 비아를 적용할 수 있습니다. 매립 비아의 반경은 0.1mm로 설정하고 길이는 0.57mm로 설정합니다. 비교를 위해 Thru-hole via도 적용되어 반경 0.1mil, 첫 번째 레이어와 두 번째 레이어 사이의 이중화 스터브 길이가 0.23mm이고 다섯 번째 레이어와 여덟 번째 레이어 사이의 이중화 스터브 길이가 0.6mm입니다.

시뮬레이션 결과에 따르면 주파수가 40GHz ~ 80GHz 범위일 때 매립형 비아(S₁₁ )은 비교적 부드러운 변화로 4dB ~ 8dB에 불과합니다. 그러나 주파수가 40GHz ~ 80GHz 범위에 있을 때 쓰루홀(S₁₁ )은 4dB ~ 10dB에 불과합니다. 특히 주파수가 32GHz일 때 감쇠량이 순간적으로 13dB로 변해 전송 안정성에 영향을 준다. 주파수가 77GHz일 때 매립 비아의 삽입 손실 파라미터(S₂₁ )가 가장 크다. 그러나 주파수가 54GHz일 때 쓰루홀 비아의 삽입 손실 파라미터(S₂₁ )가 가장 크다. 삽입 손실이 -3dB 이하로 보장된다면 매립 비아의 동작 대역폭은 32GHz이고 쓰루홀 비아의 동작 대역폭은 20GHz에 불과하다.

더욱이, 매립 비아의 특성 TDR의 변화는 41.8에서 52까지의 범위에 있는 반면 스루홀 비아의 특성 TDR의 변화는 37.5에서 52의 범위에 있습니다. 관통 구멍을 통해. 따라서 S 파라미터의 안정성과 특성 임피던스 TDR의 변화를 기반으로 내부 레이어 간의 신호 라인 연결 측면에서 매립 비아가 스루홀 비아보다 전송 품질이 우수함을 알 수 있습니다.

• 신호 기능에 대한 블라인드/매립 비아 직경, 패드 및 안티패드의 영향

신호 특성에 대한 블라인드/매립 비아 직경, 패드 및 안티패드의 영향을 연구하기 위해 블라인드/매립 비아의 패드 및 안티패드 크기를 고정할 수 있습니다. 블라인드/매립 비아 반경의 초기 값은 0.1mm로 설정되며 범주 내에서 0.1mm에서 0.175mm로 변경됩니다.

시뮬레이션 결과에 따르면 블라인드 비아 반경이 0.1mm에서 0.175mm로 범주 내에서 변화할 때 임피던스의 변화가 6에서 13.5 범주에 속하며 임피던스 불연속성 정도가 증가함을 알 수 있다. 삽입 손실 범위 측면에서 증가 S₂₁ . 주파수가 20GHz ~ 60GHz일 때 가장 큰 감쇠는 1.7dB에 이릅니다. 한편, Buried via의 반경이 4mil에서 7mil로 범주 내에서 변화할 때, 임피던스의 변화는 10에서 17까지 범주에 속하며, 임피던스 불연속성의 정도가 증가하여 삽입 손실의 범위 측면에서 증가한다.>21 . 주파수가 20GHz에서 60GHz 범위에 있을 때 가장 큰 감쇠는 1.6dB에 이릅니다.

블라인드 비아와 안티패드의 직경을 변경하지 않고 블라인드/매립 비아 패드의 반경의 초기 값을 0.2mm로 설정하고 카테고리 내에서 0.2mm에서 0.28mm로 변경합니다.

시뮬레이션 결과에 따르면 블라인드 비아 패드의 반경이 0.2mm에서 0.28mm로 범주 내에서 변화할 때 임피던스 변화가 6.5에서 10.5로 범주에 속해 범위 측면에서 증가함을 알 수 있다. 삽입 손실 S₂₁ . 또한 가장 큰 감쇠가 2dB 증가합니다. 한편, 매립 비아 패드의 반경이 0.2mm에서 0.28mm로 범주 내에서 변화할 때 임피던스의 변화는 10.5에서 15.5로 범주에 속하며 임피던스 불연속성 정도가 증가하여 삽입 손실의 범위가 증가한다. S₂₁ . 또한 가장 큰 감쇠는 3.2dB 증가합니다.

블라인드/매립 비아의 직경과 패드 크기를 변경하지 않은 상태에서 안티패드의 초기 값은 0.3mm로 설정되고 범주 내에서 0.3mm에서 0.375mm로 변경됩니다.

시뮬레이션 결과에 따르면 블라인드 비아 안티패드의 크기가 카테고리 내에서 0.3mm에서 0.375mm로 변할 때 임피던스의 변화가 6.5에서 5.5로 범주에 속하여 정도 감소를 유발함을 알 수 있다. 임피던스 불연속성 및 삽입 손실 범위 S₂₁ . 또한 최대 감쇠량이 3.2dB 증가합니다. 한편, 매립된 비아 안티패드의 크기가 0.3mm에서 0.375mm로 범주 내에서 변화할 때 임피던스의 변화는 10에서 7.5로 범주에 속하여 임피던스 불연속성 정도와 삽입 손실 범위 S의 감소를 초래한다. ₂₁ . 또한 가장 큰 감쇠가 3dB 증가합니다.

결론

이 기사에서는 HFSS를 통해 설정된 블라인드 및 매립 비아 모델이 있는 8레이어 PCB를 사용하여 블라인드/매립 비아와 쓰루홀 비아의 S 매개변수와 특성 임피던스 TDR을 비교합니다. 블라인드/매립 비아는 스루홀 비아보다 삽입 손실이 작고 임피던스 불연속성이 더 우수하다고 결론지을 수 있습니다. 삽입 손실이 -3dB 미만인 조건에서 블라인드/매립 비아는 쓰루홀 비아보다 동작 대역폭이 더 넓다.

이 기사는 또한 블라인드/매립 신호 기능에 대한 비아 직경, 패드 및 안티패드를 포함한 매개변수의 영향을 분석합니다. 블라인드/매립 비아의 직경과 패드 크기가 증가함에 따라 신호 삽입 손실의 감쇠가 그에 따라 줄어들고 임피던스 불연속성의 정도가 증가합니다. 그러나 블라인드/매립 비아의 안티패드 크기가 증가함에 따라 신호 삽입 손실의 감쇠가 줄어들고 그에 따라 임피던스 불연속성도 줄어듭니다.

삽입 손실이 -3dB 미만이고 유효 동작 대역폭이 20GHz에 도달하는 경우 블라인드 비아의 반경은 0.175mm 이하, 매립 비아의 반경은 0.23mm 이하이어야 합니다. 블라인드 비아의 패드는 0.25mm 이하, 매립 비아의 패드는 0.275mm 이하이어야 합니다. 블라인드 비아의 안티패드는 0.25mm 이상, 매립 비아의 안티패드는 0.23mm 이상이어야 합니다.

임피던스의 변경 범위가 ±10% 이내로 제어되는 경우 블라인드 및 매립 비아의 반경은 모두 0.125mm보다 크지 않아야 합니다. 블라인드 비아의 패드는 0.25mm 이하, 매립 비아의 패드는 0.175mm 이하이어야 합니다. 블라인드 비아의 안티패드는 0.275mm 이상, 매립 비아의 안티패드는 0.4mm 이상이어야 합니다.

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