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PCB

PCB via Stub-Resonanzrechner

Berechnen Sie die Leiterplatte anhand der Stichlänge, der Stichresonanzfrequenz, die eine Signalkerbe verursacht, und der Frequenzverbesserung durch Hinterbohren.

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Formel

Lstub=Tpcb(1−NlayerNtotal),fres=vp4LstubL_{stub} = T_{pcb}\left(1-\frac{N_{layer}}{N_{total}}\right),\quad f_{res} = \frac{v_p}{4 L_{stub}}

Referenz: Eric Bogatin, "Signal and Power Integrity Simplified" 3rd ed.

L_stub— Über Stummellänge (mm)
vp— Ausbreitungsgeschwindigkeit im Dielektrikum (m/s)
εr— Dielektrizitätskonstante
f_res— Viertelwellen-Resonanzfrequenz (Hz)

Wie es funktioniert

Der Via Stub Resonance Calculator berechnet die Viertelwellen-Resonanzfrequenz von Via-Stubs — unverzichtbar für das PCB-Design mit hoher Geschwindigkeit (>5 Gbit/s) und HF-/Mikrowellen-Leiterplatten. Techniker für Signalintegrität verwenden dies, um Frequenzeinbrüche zu identifizieren, die bei Resonanz zu einer Einfügedämpfung von 10—20 dB führen und die Kanalkonformität für PCIe Gen4/5, USB4 und 100G-Ethernet nicht erfüllen.

Gemäß Johnson/Grahams „High-Speed Digital Design“ erzeugt eine Durchgangsöffnung einen Stummel unter dem Austrittspunkt der Signalschicht. Dieser Stummel fungiert als Viertelwellen-Resonator bei f_res = c/(4 x L_Stub x sqrt (Er)), wobei L_Stub die ungenutzte Durchgangslänge ist. Auf einer 1,6-mm-Platine mit Signal auf Schicht 2 (0,2 mm von oben) beträgt die Stichlänge 1,4 mm und resoniert bei FR4 bei 5,3 GHz (Er=4,3).

Gemäß den IEEE 802.3 100GBASE-CR4-Spezifikationen beträgt die maximale Einfügedämpfung bei 12,5 GHz 1,5 dB pro Durchgang. Ein Via-Stub, der bei 12 GHz mitschwingt, verursacht eine Notch von mehr als 15 dB — eine Katastrophe für die Signalintegrität. Aus diesem Grund ist Back-Drilling (tiefenkontrolliertes Bohren gemäß IPC-6012E) für Kanäle mit mehr als 25 Gbit/s erforderlich. Dabei wird der Stummel bis auf 0,1—0,2 mm von der Signalschicht entfernt.

Der Q-Faktor der Stichresonanz hängt vom Rohrwiderstand und dem dielektrischen Verlust ab. FR4 (tan_delta = 0,02) sorgt für eine natürliche Dämpfung mit Q etwa 10-15; verlustarme Materialien wie Rogers (tan_delta = 0,004) haben Q = 50+, wodurch schärfere Kerben entstehen. Entgegen der Intuition können verlustbehaftete Substrate bei bestimmten Frequenzen aufgrund der Resonanzdämpfung eine bessere Leistung erbringen.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Berechnung der Stichresonanz für eine Durchgangsbohrung auf einer 6-lagigen 2,4-mm-Platine, Signalübergang an Schicht 3 (0,4 mm von oben), FR4 Er=4,3.

Lösung:

  1. Dicke der Platte: 2,4 mm
  2. Tiefe der Signalschicht: 0,4 mm von der Oberseite entfernt
  3. Stummellänge: L_Stub = 2,4 - 0,4 = 2,0 mm
  4. Effektive Geschwindigkeit: v = c/sqrt (Er) = 3e8/sqrt (4,3) = 1,45e8 m/s
  5. Resonanzfrequenz: f_res = v/ (4 x L_Stub) = 1,45e8/ (4 x 0,002) = 18,1 GHz
  6. Für ein 25-Gbit/s-Signal (Grundton bei 12,5 GHz): Die Resonanz bei 18 GHz wirkt sich auf die 3. Harmonische aus
  7. Anforderung an das Hinterbohren: Um die Resonanz über 25 GHz zu erhöhen, benötigen Sie L_Stub < 1,4 mm, also mindestens 0,6 mm hinterbohren
Ergebnis: Stub schwingt bei 18,1 GHz mit. Bei NRZ mit 25 Gbit/s ist das Hauptproblem 12,5 GHz — sicher. Bei PAM4 mit 56 Gbit/s (28-GHz-Nyquist) ist Backdrill erforderlich, um die 18-GHz-Kerbe zu entfernen.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie HDI-Mikrodurchkontaktierungen für Signale >10 Gbit/s — Blinddurchkontaktierungen von L1 bis L2 haben von Haus aus keine Stichproben, sodass Resonanzprobleme bis zu 50+ GHz pro IPC-2226 ausgeschlossen sind.
  • ✓Geben Sie die hintere Bohrtiefe mit einer Toleranz von +0,1/-0,0 mm gegenüber der Signalschicht an. Dadurch wird ein minimaler Stummel vermieden und das Bohren in die Signalebene gemäß IPC-6012E vermieden.
  • ✓Für mehr als 25 Gbit/s: Platzieren Sie Signaldurchkontaktierungen an Lagen, die den Außenflächen am nächsten sind, um die Stummellänge auch ohne Hinterbohren zu minimieren — das spart Kosten für Prototypenplatinen.

Häufige Fehler

  • ✗Ignorieren Sie die Lagenposition bei der Stichberechnung — ein Signal auf Schicht 2 im Vergleich zu Schicht 4 auf derselben Platine weist dramatisch unterschiedliche Stummellängen und Resonanzfrequenzen auf. Verfolgen Sie immer die Signalschicht, nicht nur die Leiterplattendicke.
  • ✗Unter der Annahme, dass Backdrill alle Probleme löst, liegt die Backdrill-Toleranz laut IPC-6012E bei +/-0,1 mm; ein 0,2 mm Reststummel schwingt immer noch bei 37 GHz mit und wirkt sich auf PAM4-Signale mit 112 Gbit/s aus.
  • ✗Vergessen wir, dass die Stichresonanz bidirektional ist — die Notch tritt sowohl in S21 (Einfügedämpfung) als auch in S11 (Rückflussdämpfung) auf und verursacht sowohl Signalverschlechterung als auch Reflexion.

Häufig gestellte Fragen

Der ungenutzte Teil einer Durchgangsöffnung unter der Signalaustrittsschicht bildet einen Übertragungsleitungszweig, der in einem offenen Stromkreis abgeschlossen ist. Elektromagnetische Energie wird am offenen Ende reflektiert und erzeugt stehende Wellen. Bei einer Viertelwellenfrequenz führt der Stummel zu einem Kurzschluss in der Signalschicht, was zu maximaler Reflexion führt (Verschlechterung der Rückflussdämpfung um 15-25 dB), wie Johnson/Graham Chapter 5 beschrieben.
Drei Methoden pro IPC-6012E: (1) Hinterbohren — entfernt den Stummelzylinder, am effektivsten, fügt 0,50-2,00 $/Platine hinzu; (2) Blind/vergrabene Durchkontaktierungen — von Natur aus stummelfrei, erfordert HDI-Prozess; (3) Lagenplanung — Weiterleitung von Signalen auf Schichten, die der Austrittsfläche am nächsten sind. Rückbohren ist Standard für mehr als 25 Gbit/s, HDI für mehr als 56 Gbit/s.
Wenn f_res innerhalb der Signalbandbreite liegt. Für NRZ beträgt die Bandbreite ungefähr 0,7 x Bitrate; für PAM4 ungefähr 0,35 x Bitrate. Eine 5-GHz-Resonanz wirkt sich auf NRZ mit 7 Gbit/s oder PAM4 mit mehr als 14 Gbit/s aus. Gemäß IEEE 802.3 spezifiziert 10GBASE-KR über Stub-Effekte im Kanalmodell — ab 10 Gbit/s ist eine Stub-Analyse erforderlich.
Ja — Er stellt direkt die Resonanzfrequenz ein (f proportional zu 1/sqrt (Er)). FR4 (Er=4,3) schwingt bei gleicher Stummlänge 15% niedriger mit als Rogers RO4003C (Er=3,38). Die Verlusttangente wirkt sich auf den Q-Faktor aus: Materialien mit geringem Verlust erzeugen schärfere, tiefere Kerben. Paradoxerweise kann Standard-FR4 aufgrund der Dämpfung verlustarme Laminate bei Stichresonanzfrequenzen übertreffen.

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