FDTD par simulation : pourquoi votre signal de 10 Gbit/s déteste les signaux via Stubs

La Via n'est pas qu'un trou

À 100 MHz, un trou de perçage de 0,3 mm sur une carte FR-4 de 1,5 mm est électriquement invisible : il mesure une fraction d'ohm de résistance et peut-être 0,5 nH d'inductance. Branchez-le à votre modèle SPICE et passez à autre chose. Mais si vous faites passer une voie SerDes à 10 Gbit/s par le même via sur un fond de panier à 12 couches, l'histoire est complètement différente. La partie inférieure inutilisée du tube d'interconnexion, le tronçon, se comporte comme un tronçon de ligne de transmission court-circuité, et sa résonance en quart d'onde peut créer une encoche profonde directement dans votre bande de signal.

Une simulation FDTD (Finite-Difference Time-Domain) résout les équations de Maxwell sur une grille 3D, afin de capturer le comportement électromagnétique complet de la transition via : la discontinuité d'impédance au niveau de la pastille, l'inductance du barillet, la résonance du tronçon et la charge capacitive de l'antipad. L'outil FDTD S-Parameter Simulator vous permet de l'exécuter dans le navigateur en quelques secondes, sans disposer d'une licence complète de solveur 3D EM.

Configuration de la simulation

Voici les paramètres exacts pour modéliser un circuit traversant sur un circuit imprimé FR-4 standard de 1,5 mm transportant un signal de 10 Gbit/s :

Quelques remarques sur ces choix. La largeur de trace de 3,0 mm est correcte pour 50 Ω sur 1,5 mm FR-4 avec 1 oz de cuivre (confirmée par un calculateur d'impédance à microruban). Le rapport hauteur/largeur de voie de 5:1 (profondeur 1,5 mm, perçage 0,3 mm) est modéré : la plupart des fabricants de circuits imprimés sont à l'aise avec un rapport de 8:1 avec des forets standard et de 12:1 avec l'assistance laser. La fréquence centrale de 2,4 GHz avec une plage de 4 GHz couvre le courant continu à 4,4 GHz, ce qui permet de capter à la fois la fréquence de Nyquist d'un signal NRZ de 10 Gbit/s (5 GHz) et la première résonance tronquée, qui, pour cette géométrie, se situe autour de 3,8 GHz.

Ce que fait le moteur FDTD

Lorsque vous cliquez sur Exécuter, le simulateur discrétise la géométrie du via sur une grille Yee, un maillage 3D échelonné dans lequel les composantes des champs électriques et magnétiques sont décalées d'une demi-cellule dans l'espace et dans le temps. Une impulsion gaussienne est injectée au port 1 (l'extrémité d'alimentation de la microruban), et les champs temporels sont enregistrés au port 1 (réfléchi) et au port 2 (transmis) jusqu'à ce que l'énergie décroisse. Les paramètres S proviennent du ratio des transformées de Fourier :

« MATHBLOCK_0 »

La densité de maillage normale utilise environ 10 cellules par longueur d'onde à la fréquence centrale, ce qui est suffisant pour une évaluation de premier passage. Un maillage fin multipliera par 8 le nombre de cellules et prendra proportionnellement plus de temps, mais il est nécessaire lorsque le diamètre du barillet est inférieur à 3 fois la taille des cellules du maillage.

Interprétation des résultats S11 et S21

Pour un via traversant sans perçage arrière sur un FR-4 de 1,5 mm, vous verrez quelque chose comme ceci sur les graphiques de sortie :

S21 (perte d'insertion) : Plate et proche de 0 dB entre le courant continu et environ 2 GHz, puis une atténuation progressive, avec une encoche nette à environ 3,8 GHz tombant à -15 à -20 dB. C'est la résonance du stub. S11 (perte de retour) : En dessous de -20 dB à basse fréquence, passant à -10 à -15 dB près de la fréquence de résonance du tronçon, puis s'améliorant à nouveau aux fréquences plus élevées à mesure que l'impédance du via se recorrespond par hasard.

La fréquence de résonance du tronçon est le nombre critique. Pour un canal traversant où le signal entre par la couche supérieure et sort par la couche 3 (d'une carte à 10 couches), le tronçon est la partie du barillet située en dessous de la couche 3. Sa fréquence de résonance est de :

« MATHBLOCK_1 »

où « MATHINLINE_2 » est la vitesse de propagation dans le diélectrique et « MATHINLINE_3 » est la longueur physique du tronçon. Pour le FR-4 (r = 4,4) : « MATHINLINE_4 » m/s. Un tronçon de 1,0 mm résonne à 35,7 GHz, ce qui est inoffensif à 10 Gbit/s. Un tronçon complet de 1,5 mm (le signal sort par la couche 1, rien n'est percé) résonne à 23,8 GHz, toujours au-dessus du Nyquist, mais d'un facteur de 4,7 seulement. Exécutez la simulation sur une plage de 10 GHz et vous verrez l'encoche augmenter de 8 GHz.

Effet du diamètre du foret

Modifiez maintenant le paramètre Via Diameter de 0,3 mm à 0,5 mm et relancez. Vous devez observer :

• La fréquence de résonance du tronçon se déplace légèrement vers le bas (le canon plus grand a plus de capacité, la fréquence étant abaissée)
• La perte d'insertion du S21 à basse fréquence s'aggrave légèrement en raison de l'augmentation de la capacité du pad
• Le S11 à courant continu à 1 GHz se dégrade de 2 à 4 dB car la plus grande capacité antipad ne correspond pas à l'impédance de trace

Cela confirme la règle empirique du SI : minimiser le diamètre de perçage pour les signaux à haute vitesse, non seulement pour atteindre les objectifs de rapport hauteur/largeur, mais aussi pour réduire la capacité de via qui abaisse l'impédance locale. Pour un foret de 0,3 mm sur un FR-4 de 1,5 mm, l'impédance de via est d'environ 35 à 40 Ω, soit déjà 10 à 15 Ω en dessous de l'impédance du système de 50 Ω. Certains modèles compensent en réduisant le diamètre de l'antipatin pour réduire la capacité.

Quand faut-il forer à contre-courant

Le contre-perçage permet de retirer le talon en le perçant sur le côté opposé de la planche, pour ne laisser qu'un court reste de talon (généralement un espace entre le perçage et la couche de 0,1 à 0,2 mm). Cela augmente les coûts (attendez-vous à 150 à 300 dollars par panneau) mais l'amélioration est spectaculaire : l'encoche disparaît complètement de la bande de signal.

La règle de base est simple : si la résonance du tronçon du calculateur de résonance Via Stub se situe à moins de 2 fois la fréquence de Nyquist du signal, effectuez un rétro-perçage. Pour une NRZ à 10 Gbit/s (Nyquist à 5 GHz), rétropercez tout tronçon dont la résonance est inférieure à 10 GHz. Pour le PAM4 à 25 Gbit/s, ce seuil est de 25 GHz, ce qui signifie que le rétroperçage est presque toujours nécessaire sur les conceptions de fond de panier.

Que faire des résultats

Une fois que la simulation confirme l'existence d'un problème de résonance du tronçon, les options qui s'offrent à vous, par ordre d'augmentation des coûts, sont les suivantes :

1. Réacheminer vers une transition de couche moins profonde. Si le signal peut sortir de la couche 2 au lieu de la couche 6, le tronçon est beaucoup plus court.
2. Réduisez le diamètre de perçage. Plus petit via, capacité plus faible, fréquence de résonance légèrement plus élevée.
3. Ajoutez un via-in-pad avec perçage rétro. Meilleur résultat SI, coût le plus élevé.
4. Utilisez des vias aveugles ou enterrés. Élimine complètement le bout ; augmente considérablement la complexité de fabrication.

Exécutez la simulation FDTD à chaque étape pour confirmer que la résonance est sortie de la bande avant d'envoyer le dessin à l'usine. Une heure de simulation est bien moins chère qu'un circuit imprimé respin.

Utilisez le [FDTD S-Parameter Simulator] (/tools/fdtd-sparam) pour modéliser votre géométrie via directement dans le navigateur.