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PCB

Calculateur de résonance PCB Via Stub

Calculez le PCB en fonction de la longueur du talon, de la fréquence de résonance du talon qui provoque une encoche du signal et de l'amélioration de la fréquence due au rétroperçage.

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Formule

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}}

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

L_stub— Longueur du talon via (mm)
vp— Vitesse de propagation dans le diélectrique (m/s)
εr— Constante diélectrique
f_res— Fréquence de résonance quart d'onde (Hz)

Comment ça marche

Le calculateur de résonance Via Stub calcule la fréquence de résonance en quart d'onde des circuits via, ce qui est essentiel pour la conception de circuits imprimés numériques à haut débit (>5 Gbit/s) et RF/micro-ondes. Les ingénieurs en intégrité du signal l'utilisent pour identifier les encoches de fréquence qui entraînent une perte d'insertion de 10 à 20 dB à la résonance, ce qui ne permet pas la conformité des canaux pour les réseaux PCIe Gen4/5, USB4 et Ethernet 100G.

Selon la « conception numérique à haute vitesse » de Johnson/Graham, un trou traversant crée un tronçon en dessous du point de sortie de la couche de signal. Ce talon agit comme un résonateur quart d'onde à f_res = c/(4 x L_stub x sqrt (Er)), où L_stub est la longueur de tube de liaison non utilisée. Sur une carte de 1,6 mm avec un signal en couche 2 (0,2 mm du haut), la longueur du tronçon est de 1,4 mm et résonne à 5,3 GHz sur FR4 (Er=4,3).

Conformément aux spécifications IEEE 802.3 100GBASE-CR4, la perte d'insertion maximale à 12,5 GHz est de 1,5 dB par via. Un tronçon d'interconnexion résonnant à 12 GHz provoque une encoche de plus de 15 dB, ce qui est catastrophique pour l'intégrité du signal. C'est pourquoi le rétroperçage (perçage à profondeur contrôlée selon la norme IPC-6012E) est obligatoire pour les canaux de plus de 25 Gbit/s, en retirant le tronçon à une distance de 0,1 à 0,2 mm de la couche de signal.

Le facteur Q de résonance du stub dépend de la résistance du tube et de la perte diélectrique. Le FR4 (tan_delta = 0,02) fournit un amortissement naturel avec un Q d'environ 10 à 15 ; les matériaux à faibles pertes tels que Rogers (tan_delta = 0,004) ont un Q = 50+, ce qui crée des entailles plus nettes. Contrairement à l'intuition, les substrats avec pertes peuvent être plus performants à des fréquences spécifiques en raison de l'amortissement de la résonance.

Exemple Résolu

Problème : calculez la résonance du tronçon pour un trou traversant sur une carte à 6 couches de 2,4 mm, le signal passant à la couche 3 (0,4 mm du haut), FR4 Er=4,3.

Solution :

  1. Épaisseur du panneau : 2,4 mm
  2. Profondeur de la couche de signal : 0,4 mm à partir de la surface supérieure
  3. Longueur du talon : L_stub = 2,4 - 0,4 = 2,0 mm
  4. Vitesse effective : v = c/carré (Er) = 3e8/carré (4,3) = 1,45e8 m/s
  5. Fréquence de résonance : f_res = v/ (4 x L_stub) = 1,45e8/ (4 x 0,002) = 18,1 GHz
  6. Pour un signal de 25 Gbit/s (fondamental à 12,5 GHz) : la résonance à 18 GHz affecte la 3e harmonique
  7. Exigence de perçage arrière : pour pousser la résonance au-dessus de 25 GHz, il faut un L_Stub < 1,4 mm, donc un perçage arrière de 0,6 mm minimum
Résultat : Stub résonne à 18,1 GHz. Pour une NRZ à 25 Gbit/s, la principale préoccupation est la sécurité de 12,5 GHz. Pour le PAM4 56 Gbit/s (Nyquist 28 GHz), le rétroperçage est obligatoire pour supprimer l'encoche de 18 GHz.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez des micro-vias HDI pour les signaux supérieurs à 10 Gbit/s : les vias aveugles de L1 à L2 n'ont pas de tronçon par conception, ce qui élimine les problèmes de résonance jusqu'à 50 GHz et plus conformément à la norme IPC-2226.
  • ✓Spécifiez la profondeur de perçage arrière avec une tolérance de +0,1/-0,0 mm par rapport à la couche de signal, afin de laisser un minimum de tronçons tout en évitant de percer dans le plan de signal conformément à la norme IPC-6012E.
  • ✓Pour plus de 25 Gbit/s : placez les canaux de signal sur les couches les plus proches des surfaces extérieures afin de minimiser la longueur des tronçons, même sans perçage arrière, ce qui permet de réduire les coûts sur les prototypes de cartes.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Ignorer la position de la couche dans le calcul des tronçons : un signal de la couche 2 par rapport à la couche 4 sur la même carte possède des longueurs de tronçon et des fréquences de résonance radicalement différentes. Suivez toujours la couche de signal, pas seulement l'épaisseur de la carte.
  • ✗En supposant que le rétroperçage résout tous les problèmes, la tolérance de perçage arrière est de +/- 0,1 mm selon la norme IPC-6012E ; un tronçon résiduel de 0,2 mm résonne toujours à 37 GHz, affectant les signaux PAM4 à 112 Gbit/s.
  • ✗Oubliant que la résonance tronquée est bidirectionnelle, l'encoche apparaît à la fois dans S21 (perte d'insertion) et S11 (perte de retour), provoquant à la fois une dégradation du signal et une réflexion.

Foire Aux Questions

La partie inutilisée d'un trou traversant situé sous la couche de sortie du signal forme un tronçon de ligne de transmission terminé par un circuit ouvert. L'énergie électromagnétique se réfléchit à l'extrémité ouverte, créant des ondes stationnaires. À la fréquence quart d'onde, le tronçon présente un court-circuit à la couche de signal, provoquant une réflexion maximale (dégradation de la perte de retour de 15 à 25 dB), conformément au chapitre 5 de Johnson/Graham.
Trois méthodes selon la norme IPC-6012E : (1) Perçage à contre-courant : élimine le tronçon, le plus efficacement possible, ajoute 0,50 à 2 dollars par planche ; (2) Vias aveugles/enterrés, intrinsèquement exempts de tronçons, nécessitent un processus HDI ; (3) Planification des couches : acheminez les signaux sur les couches les plus proches de la surface de sortie. Le rétro-perçage est standard pour plus de 25 Gbit/s ; HDI pour plus de 56 Gbit/s.
Lorsque f_res se situe dans la bande passante du signal. Pour NRZ, la bande passante est d'environ 0,7 x bit_rate ; pour PAM4, environ 0,35 x bit_rate. Une résonance de 5 GHz affecte la NRZ à 7 Gbit/s ou la PAM4 à 14 Gbit/s ou à plus de 14 Gbit/s. Conformément à la norme IEEE 802.3, 10GBASE-KR spécifie les effets de stub via le modèle de canal. Au-delà de 10 Gbit/s, l'analyse des stub est obligatoire.
Oui — Er définit directement la fréquence de résonance (f proportionnelle à 1/sqrt (Er)). Le FR4 (Er=4,3) résonne 15 % plus bas que le Rogers RO4003C (Er=3,38) pour la même longueur de tronçon. La tangente de perte affecte le facteur Q : les matériaux à faibles pertes créent des entailles plus nettes et plus profondes. Paradoxalement, le FR4 standard peut surpasser les stratifiés à faibles pertes aux fréquences de résonance des tronçons en raison de l'amortissement.

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