FDTD via Simulation: Warum Ihr 10-Gbit/s-Signal über Stubs hasst

Die Via ist nicht nur ein Loch

Bei 100 MHz ist eine 0,3 mm Bohrdurchführung auf einer 1,5 mm FR-4-Platine elektrisch unsichtbar — sie misst einen Bruchteil eines Ohms an Widerstand und vielleicht 0,5 nH an Induktivität. Stecken Sie das in Ihr SPICE-Modell und fahren Sie fort. Aber wenn Sie eine 10-Gbit/s-SerDes-Lane auf einer 12-lagigen Backplane durch dieselbe Durchgangsleitung leiten, sieht die Geschichte völlig anders aus. Der ungenutzte untere Teil des Via-Zylinders — der Stub — verhält sich wie ein kurzgeschlossener Übertragungsleitungsstummel, und seine Viertelwellenresonanz kann direkt in Ihrem Signalband zu einer tiefen Kerbe führen.

Eine FDTD-Simulation (Finite-Difference Time-Domain) löst die Maxwell-Gleichungen auf einem 3D-Gitter, sodass das gesamte elektromagnetische Verhalten des Durchgangsübergangs erfasst wird: die Impedanzdiskontinuität am Pad, die Zylinderinduktivität, die Stichresonanz und die kapazitive Belastung des Antipads. Mit dem FDTD S-Parameter Simulator-Tool können Sie dies innerhalb von Sekunden im Browser ausführen, ohne eine vollständige 3D EM Solver-Lizenz zu besitzen.

Die Simulation einrichten

Hier sind die genauen Parameter für die Modellierung einer Durchkontaktierung auf einer 1,5-mm-FR-4-Standardplatine, die ein 10-Gbit/s-Signal überträgt:

Ein paar Anmerkungen zu diesen Optionen. Die Leiterbahnbreite von 3,0 mm ist korrekt für 50 Ω bei 1,5 mm FR-4 mit 1 Unze Kupfer (bestätigt durch einen Mikrostreifen-Impedanzrechner). Das Querschnittsverhältnis von 5:1 (1,5 mm Tiefe, 0,3 mm Bohrung) liegt im moderaten Bereich — die meisten Leiterplattenhersteller kommen mit Standardbohrern auf 8:1 und mit Laserunterstützung auf 12:1 aus. Die Mittenfrequenz von 2,4 GHz mit einer Spanne von 4 GHz deckt DC bis 4,4 GHz ab, wodurch sowohl die Nyquist-Frequenz eines 10-Gbit/s-NRZ-Signals (5 GHz) als auch die erste Stichresonanz erfasst wird, die für diese Geometrie bei etwa 3,8 GHz liegt.

Was macht die FDTD-Engine

Wenn Sie auf Ausführen klicken, diskretisiert der Simulator die Durchkontaktierungsgeometrie auf einem Yee-Gitter — einem gestaffelten 3D-Gitter, bei dem elektrische und magnetische Feldkomponenten räumlich und zeitlich um eine halbe Zelle versetzt sind. Ein Gauß'scher Impuls wird an Port 1 (das Ende der Mikrostreifeneinspeisung) eingespeist, und die Zeitbereichsfelder werden an Port 1 (reflektiert) und Port 2 (übertragen) aufgezeichnet, bis die Energie abklingt. Die S-Parameter ergeben sich aus dem Verhältnis der Fourier-Transformationen:

„MATHBLOCK_0“

Bei der normalen Netzdichte werden ungefähr 10 Zellen pro Wellenlänge bei der Mittenfrequenz verwendet, was für eine Bewertung im ersten Durchgang ausreichend ist. Eine feine Masche erhöht die Zellzahl um das 8-fache und nimmt entsprechend mehr Zeit in Anspruch. Sie ist jedoch erforderlich, wenn der Durchmesser der Durchkontaktierung weniger als das Dreifache der Maschenzellengröße beträgt.

Interpretation der S11- und S21-Ergebnisse

Bei einer Durchgangsbohrung ohne Hinterbohren bei 1,5 mm FR-4 sehen Sie in den Ausgabediagrammen etwa Folgendes:

S21 (Einfügedämpfung) : Flach und nahe 0 dB von Gleichstrom bis etwa 2 GHz, dann progressiver Rolloff, wobei bei etwa 3,8 GHz eine scharfe Einkerbung auf −15 bis −20 dB abfällt. Dies ist die Stichresonanz. S11 (Rückflussdämpfung) : Unter −20 dB bei niedriger Frequenz, steigt auf −10 bis −15 dB in der Nähe der Stichresonanzfrequenz und verbessert sich dann bei höheren Frequenzen wieder, da sich die Durchgangsimpedanz zufällig wieder anpasst.

Die Stichresonanzfrequenz ist die kritische Zahl. Bei einem Durchgang, bei dem das Signal an der obersten Schicht ein- und an Schicht 3 (einer 10-lagigen Platine) austritt, ist der Stummel der Teil des Zylinders unter Schicht 3. Seine Resonanzfrequenz ist:

„MATHBLOCK_1“

wobei „MATHINLINE_2“ die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Dielektrikum und „MATHINLINE_3“ die physikalische Stichlänge ist. Für FR-4 (r = 4,4): „MATHINLINE_4“ m/s. Ein 1,0 mm großer Stummel schwingt bei 35,7 GHz mit — harmlos für 10 Gbit/s. Ein voller 1,5-mm-Stub (das Signal wird auf Ebene 1 austritt, es gibt keine Hinterbohrungen) schwingt bei 23,8 GHz mit — immer noch über dem Nyquist, aber nur um den Faktor 4,7. Wenn Sie die Simulation mit einer Bandbreite von 10 GHz ausführen, werden Sie sehen, wie sich die Kerbe um 8 GHz einschleicht.

Auswirkung des Bohrdurchmessers

Ändern Sie nun den Parameter Via-Durchmesser von 0,3 mm auf 0,5 mm und führen Sie den Vorgang erneut aus. Folgendes sollten Sie beachten:

• Die Stummelresonanzfrequenz verschiebt sich etwas nach unten (ein größeres Gehäuse hat mehr Kapazität, wodurch die Frequenz nach unten gezogen wird)
• Die S21-Einfügedämpfung bei niedrigen Frequenzen verschlechtert sich aufgrund der erhöhten Kapazität des Pads geringfügig
• S11 bei DC-bis 1 GHz verschlechtert sich um 2—4 dB, da die größere Anti-Pad-Kapazität nicht mit der Leiterbahnimpedanz übereinstimmt

Dies bestätigt die SI-Faustformel: Minimierung des Durchgangsbohrungsdurchmessers für Hochgeschwindigkeitssignale, nicht nur, um Zielvorgaben für das Seitenverhältnis zu erreichen, sondern auch, um die Durchgangskapazität zu reduzieren, die die lokale Impedanz senkt. Bei einem 0,3-mm-Bohrer auf 1,5 mm FR-4 liegt die Durchgangsimpedanz bei etwa 35—40 Ω — bereits 10—15 Ω unter der 50-Ω-Systemimpedanz. Bei einigen Designs wird dies durch eine Verringerung des Durchmessers des Anti-Pads ausgeglichen, wodurch die Kapazität verringert wird.

Wann sollte man von hinten bohren

Beim Hinterbohren wird der Stummel entfernt, indem von der gegenüberliegenden Seite der Platine aus ein Gegenbohren gebohrt wird, sodass nur ein kurzer Stummelrest übrig bleibt (normalerweise 0,1—0,2 mm Abstand von Bohrer zu Schicht). Das erhöht die Kosten — rechnen Sie mit 150-300 $ pro Panel —, aber die Verbesserung ist dramatisch: Die Kerbe verschwindet vollständig aus dem Signalband.

Die Faustregel ist einfach: Wenn die Stub-Resonanz des Via Stub Resonance-Rechners innerhalb des 2-fachen der Nyquist-Frequenz des Signals liegt, bohren Sie zurück. Bei einer NRZ von 10 Gbit/s (5-GHz-Nyquist) sollten Sie jeden Stub, der unter 10 GHz mitschwingt, nach hinten bohren. Bei PAM4 mit 25 Gbit/s liegt dieser Schwellenwert bei 25 GHz — was bedeutet, dass Backdrilling bei Backplane-Designs fast immer erforderlich ist.

Was ist mit den Ergebnissen zu tun

Sobald die Simulation ein Stichresonanzproblem bestätigt, stehen Ihnen in der Reihenfolge der steigenden Kosten folgende Optionen zur Verfügung:

1. Zu einem flacheren Schichtübergang umleiten. Wenn das Signal auf Ebene 2 statt auf Ebene 6 austreten kann, ist der Stub viel kürzer.
2. Bohrdurchmesser reduzieren. Kleinere Durchkontaktierung, geringere Kapazität, etwas höhere Resonanzfrequenz.
3. Fügen Sie ein Via-In-Pad mit Back-Drill hinzu. Bestes SI-Ergebnis, höchste Kosten.
4. Verwenden Sie blinde oder vergrabene Durchkontaktierungen. Eliminiert den Stummel vollständig und erhöht die Komplexität der Fertigung erheblich.

Führen Sie die FDTD-Simulation in jeder Phase durch, um sicherzustellen, dass die Resonanz außerhalb des Bandbereichs liegt, bevor Sie das Design an die Fabrik senden. Eine Stunde Simulationszeit ist weitaus günstiger als ein PCB-Respin.

Verwenden Sie den [FDTD S-Parameter Simulator] (/tools/fdtd-sparam), um Ihre Via-Geometrie direkt im Browser zu modellieren.