Der Verlust Ihres Vias steckt nicht im Barrel

Das Kupfer, das kein Signal überträgt

Ein Via ist ein kurzes Stück metallisierte Hülse. Bei 20 GHz kosten 1,6 mm davon fast nichts: Rechnen Sie eine 0,25-mm-Hülse in FR4 durch, und der dielektrische Verlust beträgt 0,119 dB, der Leiterverlust höchstens 0,011 dB. Weniger als ein Sechstel Dezibel für den gesamten Übergang.

Dann sehen Sie sich an, was dasselbe Via tatsächlich mit einem Kanal macht: 2,25 dB am oberen Ende eines Bandes von 0,1–20 GHz.

Die fehlenden zwei Dezibel sind nicht im Fass. Sie befinden sich in dem Teil des Fasses, in dem sich nichts befindet.

Woher der Stummel kommt

Eine Durchgangsbohrung wird durch die gesamte Platine gebohrt. Wenn Ihr Signal von oben eintritt und auf einer inneren Schicht austritt, ist die Beschichtung unter dieser Schicht immer noch da, immer noch verbunden und immer noch elektrisch Teil der Struktur. Es überträgt kein Signal. Es ist ein Stummel.

Der Eingang erfolgt an der Oberseite einer 1,6-mm-Platine und der Ausgang bei 0,4 mm. Das 1,2 mm große Rohr hängt als offene Übertragungsleitung vom Durchgang ab. Ihre Eingangsadmittanz ist $jY_0\tan(\beta l)$, und eine Shunt-Admittanz $Y$ über eine Impedanzleitung $Z$ ergibt

Erreicht der Stub eine Viertelwellenlänge, geht dieser Tangens gegen unendlich und $S_{21}$ gegen null. Eine Kerbe. Im obigen Beispiel liegt sie bei 30,48 GHz, wenn man die Lagen außer Acht lässt — oberhalb des Bandes, aber ihre Flanke nicht, und aus der Flanke kommen diese zwei Dezibel.

Der Verlust innerhalb des Stummels sorgt dafür, dass die Kerbe endlich und nicht unendlich ist. Ohne sie divergiert der Ausdruck, was bei keiner Messung der Fall ist.

Nachbohrungen, quantifiziert

Setzen Sie die Austrittstiefe auf die volle Leiterplattendicke — ein Via, das unten austritt, oder eines, das rückgebohrt wurde — und der Stub verschwindet mitsamt der Resonanz. Die schlechteste Einfügedämpfung im Band sinkt von 2,25 dB auf 0,13 dB.

Das ist bei einem Vergleich der Fall von Backdrilling. Sie entfernen den Verlust nicht aus der Durchkontaktierung. Sie entfernen einen Resonator.

Ob es die Kosten wert ist, hängt davon ab, wo sich die Resonanz im Verhältnis zu Ihrer Band befindet. Wenn Sie den Übergang tiefer drücken, wird der Stub kürzer und die Resonanz steigt. Ein 0,4 mm großer Stummel auf derselben Platine schwingt in der Nähe von 91 GHz mit und ist für alles, was Sie wahrscheinlich tun werden, irrelevant. Das Verschieben der Ebenenzuweisung ist kostenlos. Backdrilling ist nicht möglich.

Warum der Rechner die Impedanz des Vias nicht angibt

Der Rechner gab die differenzielle Impedanz des Paars früher aus einem geschlossenen Modell an: eine koaxiale Kapazität von jeder Hülse zu ihrem Antipad plus eine Zweidraht-Kapazität zwischen den Hülsen. Eine Feldlösung hat gezeigt, dass dieses Modell etwa die Hälfte des wahren Werts lieferte.

Dreidimensional mit den Lagen gelöst, durch die das Via führt, und mit einer Vollwellensimulation gegengeprüft, hat dasselbe 0,25-mm-Paar in einem 0,9-mm-Antipad 85,6 Ω, wenn die Lagen 0,1 mm auseinanderliegen, und 96,0 Ω bei 1,0 mm. Die Lagen liegen quer zu den Hülsen: Sie fügen an jeder Lochkante Kapazität hinzu, ändern die Induktivität aber kaum, sodass die Impedanz davon abhängt, wie dicht sie gestapelt sind — und der Lagenabstand gehört nicht zu den Abmessungen des Vias.

Über drei Referenzgeometrien umfasst die gelöste Impedanz über diesen Bereich des Lagenabstands ein Verhältnis von bis zu 1,31, sodass keine Formel aus Hülse, Antipad und Abstand allein jeden Fall auf 10 % genau treffen kann. Der Rechner gibt daher keine Impedanz aus. Für den Wert geben Sie Ihren tatsächlichen Lagenaufbau in das Vollwellen-Werkzeug ein.

Der Stub ist langsamer, als er aussieht

Dieselbe Feldlösung sagt auch etwas über den Stub. Weil die Lagen die Hülse kapazitiv belasten, läuft die Welle langsamer als $c/\sqrt{\varepsilon_r}$: Ihre effektive Permittivität ist das 1,17- bis 1,86-Fache von $\varepsilon_r$. Die Viertelwellenresonanz $c/(4L\sqrt{\varepsilon_r})$ ist daher eine obere Schranke. Für dieses Via resoniert der gelöste Stub bei etwa 26,3 GHz statt 30,48 GHz, und die schlechteste Einfügedämpfung im Band steigt auf rund 3,4–4,1 dB.

Lesen Sie die Resonanz des Rechners also als die höchste Frequenz, bei der die Kerbe liegen kann, und seinen schlechtesten Verlust als bei dieser unbelasteten Resonanz genommen. Liegt die Schranke schon in Ihrem Band, liegt die echte Kerbe noch tiefer darin.

Was dieses Modell ist und was nicht

Es ist ein konzentriertes Screening-Modell. Die Stub-Belastung folgt aus $S_{21}$ einer Queradmittanz, und der Leiterverlust ist im Grenzfall dicht gestapelter Lagen nach oben begrenzt, mit jeder Hülse in ihrer eigenen koaxialen Wand: $Z_{dense} = \frac{\eta_0}{\pi\sqrt{\varepsilon_r}}\ln(D/d)$, hier 74,95 Ω und unter jeder gelösten Impedanz. Was es nicht enthält: die radialen Ströme in den Lagen, Pad-Kapazität, Resonanzen des Lagenhohlraums und die Diskontinuität dort, wo die Leiterbahn auf das Via trifft.

Ein echter Durchgangsübergang ist dreidimensional und keiner dieser Übergänge ist klein. Entscheiden Sie anhand dieser Daten, ob eine Geometrie eine vollständige Wellensimulation verdient, und führen Sie dann eine aus. Das FDTD S-Parameter-Tool auf dieser Seite löst die eigentliche Struktur.

Eine Grenze ist ausdrücklich zu nennen. Ob die beiden Antipads zu einer Öffnung verschmelzen oder getrennt bleiben, mit Lagenkupfer zwischen den Hülsen, verändert die Kopplung der Hülsen. Auch deshalb braucht die Impedanz Ihren Lagenaufbau und eine Feldlösung statt einer Formel; Stub-Resonanz und Verlust hängen davon nicht ab.

Was muss der Reihe nach überprüft werden

Schau dir zuerst die Stub-Resonanz deiner Band an. Liegt der Wert weit darüber, kann der Übergang in Ordnung sein, da er gezeichnet ist, und ein Rückbohren ist Geld, das Sie nicht ausgeben müssen.

Befindet sich der Übergang im Inneren oder in der Nähe, versuchen Sie, den Übergang in eine tiefere Schicht zu verschieben, bevor Sie nach einem Backdrill greifen. Kürzerer Stummel, höhere Resonanz, kein zusätzlicher Prozessschritt.

Ermitteln Sie dann die differenzielle Impedanz des Vias mit einer Vollwellensimulation Ihres Lagenaufbaus und vergleichen Sie sie mit der Impedanz Ihrer Leiterbahn. Der Kanal sieht die Fehlanpassung, nicht den absoluten Wert.

Und wenn die Antwort in der Nähe eines Grenzwerts liegt, simulieren Sie sie. Ein Screening-Modell, das Ihnen sagt, dass etwas marginal ist, hat seinen Zweck erfüllt, indem es Ihnen sagt, dass Sie aufhören sollen, ihm zu vertrauen.