FDTD-Simulation: Warum 10-Gbit/s-Signale über Stubs hassen

Die Via ist nicht nur ein Loch

Bei 100 MHz ist eine 0,3-mm-Bohrdurchführung auf einer 1,5-mm-FR-4-Platine aus elektrischer Sicht praktisch unsichtbar. Sie messen einen Bruchteil eines Ohms an Widerstand und vielleicht 0,5 nH an Induktivität. Setzen Sie diese Zahlen in Ihr SPICE-Modell ein und fahren Sie mit Ihrem Tag fort. Aber versuchen Sie, eine 10-Gbit/s-SerDes-Lane über dieselbe Durchgangsleitung auf einer 12-lagigen Backplane laufen zu lassen, und plötzlich ändert sich alles. Der unbenutzte untere Teil des Via-Zylinders — den wir den Stub nennen — fängt an, sich wie ein kurzgeschlossener Übertragungsleitungsstummel zu verhalten. Wenn es auf seine Viertelwellenresonanz trifft, entsteht eine tiefe Kerbe, die genau in der Mitte Ihres Signalbandes landen kann. Nicht großartig.

Hier wird die FDTD-Simulation (Finite-Difference Time-Domain) unglaublich nützlich. Im Gegensatz zu einfachen Modellen mit einzelnen Elementen löst FDTD die Maxwell-Gleichungen tatsächlich auf einem 3D-Gitter, sodass das gesamte elektromagnetische Verhalten des Durchgangsübergangs erfasst wird. Das bedeutet die Impedanzdiskontinuität am Pad, die Zylinderinduktivität, die Stichresonanz und die kapazitive Belastung durch das Antipad — all das. Mit dem FDTD S-Parameter Simulator -Tool können Sie diese Art von Analyse in Sekundenschnelle direkt in Ihrem Browser ausführen, ohne eine vollständige 3D EM Solver-Lizenz zu benötigen, die mehr kostet als ein Gebrauchtwagen.

Die Simulation einrichten

Lassen Sie mich die genauen Parameter für die Modellierung einer Durchkontaktierung auf einer 1,5-mm-FR-4-Standardplatine mit einem 10-Gbit/s-Signal erläutern. Dies sind reale Zahlen, die Sie tatsächlich verwenden würden:

Ein paar Hinweise dazu, warum diese spezifischen Werte wichtig sind. Die Leiterbahnbreite von 3,0 mm ergibt 50 Ω bei 1,5 mm FR-4 mit 1 Unze Kupfer — das können Sie mit jedem Mikrostreifen-Impedanzrechner überprüfen. Das Querschnittsverhältnis von 5:1 (1,5 mm Tiefe, 0,3 mm Bohrung) ist ziemlich moderat. Die meisten Leiterplattenhersteller fühlen sich wohl dabei, mit Standardbohrern ein 8:1 zu erreichen, und können mit Laserunterstützung auf 12:1 hochfahren, wenn Sie es wirklich brauchen.

Die Mittenfrequenz von 2,4 GHz mit einer Spanne von 4 GHz deckt Gleichstrom bis 4,4 GHz ab. Dies ist wichtig, da sie sowohl die Nyquist-Frequenz eines 10-Gbit/s-NRZ-Signals (5 GHz) als auch die erste Stichresonanz erfasst. Bei dieser speziellen Geometrie liegt diese Resonanz bei etwa 3,8 GHz. Wenn Sie nicht breit genug schwenken, übersehen Sie das Problem völlig — und so gelangen Probleme mit der Signalintegrität in die Produktion.

Was macht die FDTD-Engine eigentlich

Wenn Sie auf Run klicken, diskretisiert der Simulator Ihre Via-Geometrie auf ein sogenanntes Yee-Grid. Dabei handelt es sich um ein gestaffeltes 3D-Netz, bei dem elektrische und magnetische Feldkomponenten räumlich und zeitlich um eine halbe Zelle versetzt sind. Es ist ein eleganter numerischer Trick, der die Simulation stabil und genau hält.

Das Triebwerk injiziert einen Gaußschen Impuls an Anschluss 1 (das Ende der Mikrostreifenzuführung) und zeichnet dann die Zeitbereichsfelder an Port 1 (reflektierte Energie) und Port 2 (übertragene Energie) auf, bis alles fast auf Null zerfällt. Die S-Parameter, die Sie interessieren, stammen aus den Fourier-Transformationen und der Berechnung der Verhältnisse:

Die normale Maschendichte verwendet ungefähr 10 Zellen pro Wellenlänge bei der Mittenfrequenz. Das ist ausreichend für eine Prüfung im ersten Durchgang und läuft ziemlich schnell. Fine Mesh erhöht die Zellzahl um das 8-fache, und die Berechnung dauert proportional länger. Sie benötigen es jedoch, wenn der Durchkontaktierungsdurchmesser weniger als das Dreifache der Maschenzellengröße beträgt. Andernfalls versuchen Sie im Grunde, einen Zylinder mit zu wenigen Voxeln zu modellieren, und die Ergebnisse werden lückenhaft.

Interpretation der S11- und S21-Ergebnisse

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

S21 (Einfügedämpfung) : Ziemlich flach und fast 0 dB von Gleichstrom bis etwa 2 GHz, dann werden Sie einen progressiven Rolloff sehen. Das eigentliche Problem zeigt sich in einer scharfen Kerbe bei etwa 3,8 GHz, die auf einen Wert zwischen −15 und −20 dB abfällt. Das ist deine Stummelresonanz, die dich anschreit. S11 (Rückflussdämpfung) : Beginnt bei niedriger Frequenz unter -20 dB, was gut ist. Aber dann steigt sie auf −10 bis −15 dB in der Nähe der Stichresonanzfrequenz an, da Energie von der Impedanzfehlanpassung zurückreflektiert wird. Interessanterweise verbessert es sich bei höheren Frequenzen oft wieder, wenn sich die Eingangsimpedanz zufällig wieder anpasst — obwohl Ihr Signal zu diesem Zeitpunkt bereits durch die Notch zerstört wurde.

Die Stichresonanzfrequenz ist die kritische Zahl, die Sie aus dieser Simulation extrahieren müssen. Bei einem Durchgang, bei dem das Signal in der obersten Schicht ein- und bei Schicht 3 wieder austritt (z. B. auf einer 10-lagigen Platine), ist der Stummel alles, was unter Schicht 3 liegt — der ungenutzte Teil des Barrels. Seine Resonanzfrequenz folgt dieser Beziehung:

wobei$v_p = c / \sqrt{\varepsilon_r}$die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Dielektrikum und$L_{stub}$die physikalische Stummellänge ist. Für FR-4 mit δr = 4,4 erhalten Sie$v_p = 3 \times 10^8 / \sqrt{4.4} \approx 1.43 \times 10^8$m/s.

Lassen Sie uns einige reale Beispiele durcharbeiten. Ein 1,0 mm großer Stummel schwingt bei 35,7 GHz mit — völlig harmlos für 10-Gbit/s-Signale. Ein voller 1,5-mm-Stummel (das Signal wird bei Schicht 1 austritt, keine Rückbohrungen) schwingt bei 23,8 GHz mit. Technisch gesehen liegt das immer noch über der 5-GHz-Nyquist-Frequenz, aber nur um den Faktor 4,7. Das ist knapp dran. Führen Sie die Simulation mit einer Spanne von 10 GHz aus und Sie werden sehen, wie sich die Kerbe bei 8 GHz einschleicht. Die meisten Ingenieure überspringen diesen Validierungsschritt und bereuen es später, wenn sie debuggen, warum ihr Augendiagramm schrecklich aussieht.

Auswirkung des Durchmessers des Via-Bohrers

Hier ist ein nützliches Experiment: Ändern Sie den Via-Diameter-Parameter von 0,3 mm auf 0,5 mm und führen Sie die Simulation erneut aus. Sie sollten mehrere Dinge beobachten, die passieren:

• Die Stub-Resonanzfrequenz verschiebt sich etwas nach unten. Ein größeres Rohr hat eine höhere Kapazität, wodurch die Resonanzfrequenz nach unten gedrückt wird.
• Die S21-Einfügedämpfung bei niedrigen Frequenzen wird aufgrund der erhöhten Padkapazität, die die Leiterbahn belastet, etwas schlechter.
• S11 bei DC-bis 1 GHz verschlechtert sich um 2—4 dB, da die größere Anti-Pad-Kapazität zu einer größeren Impedanzfehlanpassung mit der Leiterbahn führt.

Dies bestätigt eine wichtige SI-Faustformel: Minimierung des Bohrdurchmessers für Hochgeschwindigkeitssignale. Es geht nicht nur darum, die Zielvorgaben für das Seitenverhältnis in der Fertigung zu erreichen — es geht auch darum, die Durchgangskapazität zu reduzieren, die die lokale Impedanz senkt. Bei einem 0,3-mm-Bohrer auf 1,5 mm FR-4 beträgt die Durchgangsimpedanz etwa 35—40 Ω. Das liegt bereits 10—15 Ω unter Ihrer 50-Ω-Systemimpedanz, sodass bei jedem Durchgangsübergang eine Diskontinuität entsteht. Bei einigen Designs wird versucht, dies zu kompensieren, indem der Durchmesser des Gegenpolsters verringert wird, um die Kapazität zu verringern. Sie müssen jedoch darauf achten, dass Sie nicht gegen die Abstandsregeln Ihres Herstellers verstoßen.

Wann sollte man von hinten bohren

Beim Rückbohren wird der Stummel entfernt, indem nach dem Plattieren auf der gegenüberliegenden Seite der Platine ein Senkbohren vorgenommen wird. Es bleibt nur noch ein kurzer Stummelrest übrig, der in der Regel 0,1—0,2 mm Abstand von Bohrer zu Schicht hat. Das erhöht die Kosten — rechnen Sie je nach Fertigungshaus und Panelgröße mit irgendwo zwischen$150 and $300 pro Panel — aber die Verbesserung ist dramatisch. Die Notch verschwindet buchstäblich vollständig aus Ihrem Signalband.

Die Faustregel ist einfach: Wenn die Stub-Resonanz des Via Stub Resonance-Rechners innerhalb des 2-fachen der Nyquist-Frequenz des Signals liegt, müssen Sie einen Back-Drill durchführen. Bei einer NRZ mit 10 Gbit/s und einer Nyquist-Frequenz von 5 GHz bedeutet das, dass jeder Stub, der unter 10 GHz schwingt, nach hinten gebohrt wird. Bei PAM4 mit 25 Gbit/s springt dieser Schwellenwert auf 25 GHz — was bedeutet, dass Backdrilling bei Backplane-Designs fast Pflicht wird. Daran führt einfach kein Weg vorbei.

Ich habe viele Designs gesehen, bei denen jemand versucht hat, ein paar hundert Dollar pro Panel zu sparen, indem er das Hinterbohren übersprungen hat, nur um dann beim Testen festzustellen, dass die Signalintegrität völlig zerstört wurde. Dann haben sie es mit einem kompletten Respin der Platine zu tun, was um Größenordnungen mehr kostet, als nur das Backdrill beim ersten Mal korrekt durchzuführen.

Was ist mit den Ergebnissen zu tun

Sobald die Simulation bestätigt, dass Sie ein Stub-Resonanzproblem haben — und seien wir ehrlich, das ist wahrscheinlich der Fall, wenn Sie Mehr-Gigabit-Signale über eine dicke Backplane übertragen. Hier sind Ihre Optionen in der Reihenfolge der steigenden Kosten:

1. Zu einem flacheren Schichtübergang umleiten. Wenn das Signal bei Schicht 2 statt bei Schicht 6 austreten kann, wird der Stummel viel kürzer und die Frequenz der Resonanz steigt deutlich an. Dies ist kostenlos, wenn Sie es früh genug im Layout erkennen, aber wenn Sie tief im Design sind, müssen Sie möglicherweise wichtige Routing-Änderungen vornehmen.

1. Reduzieren Sie den Bohrerdurchmesser. Eine kleinere Durchkontaktierung sorgt für eine geringere Kapazität und erhöht die Resonanzfrequenz geringfügig. Die Verbesserung ist bescheiden, aber manchmal reicht es aus, die Notch direkt außerhalb des Signalbands zu platzieren. Erkundigen Sie sich bei Ihrem Fertigungsbetrieb nach der zuverlässigen Mindestbohrergröße. Eine zu kleine Bohrgröße erhöht das Produktionsrisiko.

1. Fügen Sie ein Via-In-Pad mit Back-Drill hinzu. Dies liefert das beste SI-Ergebnis, ist aber mit den höchsten Kosten verbunden. Via-in-Pad hilft auch bei der thermischen Leistung von Leistungskomponenten, sodass Sie dies manchmal aus mehreren Gründen rechtfertigen können.

1. Verwenden Sie offene oder vergrabene Durchkontaktierungen. Diese verhindern den Stummel vollständig, indem Sie nur so tief wie nötig bohren. Die Signalintegrität ist ausgezeichnet, aber die Komplexität der Fertigung nimmt erheblich zu. Sie haben es mit einem viel teureren Board und möglicherweise längeren Lieferzeiten zu tun.

Führen Sie die FDTD-Simulation in jeder Phase durch, um sicherzustellen, dass sich die Resonanz tatsächlich aus dem Frequenzbereich bewegt hat, bevor Sie das Design an die Fabrik senden. Eine Stunde Simulationszeit ist jetzt unendlich günstiger, als das Problem zu entdecken, nachdem Sie 500 Platinen gebaut haben. Vertrau mir in diesem Fall.

Verwenden Sie den FDTD S-Parameter Simulator, um Ihre Via-Geometrie direkt im Browser zu modellieren und genau zu sehen, wo Ihre Stub-Resonanz landet.