串擾和 IBM 在 IPC APEX EXPO 2021 上的結果

2021-06-08

串擾和 IBM 在 IPC APEX EXPO 2021 上的結果

您可能不認為 IBM 是 PCB 行業(yè)的主要力量。IBM 大舉進(jìn)軍云計算，但并未受到電子行業(yè)的青睞。然而，這家以其大型機、服務(wù)器、Watson 和 AI 功能而聞名的公司正在高速設計社區掀起波瀾，他們最近在 IPC APEX 2021 上展示了他們的成果。

由三名 IBM 研究人員組成的團隊發(fā)表的論文著(zhù)眼于在具有背鉆孔 PTH 通孔的高密度設計中減少層間串擾的方法。該論文非常有趣，因為它通過(guò)設計檢查了背鉆孔 PTH 的兩個(gè)方面，這兩個(gè)方面可能無(wú)法直觀(guān)地與減少串擾聯(lián)系起來(lái)。然而，在高速互連之間具有極低間距的高密度設計中，我們必須四處尋找以嘗試減少信號完整性問(wèn)題，包括串擾。

當我們查看其對信號完整性的影響時(shí)，他們的結果非常有趣?？紤]到這一點(diǎn)，讓我們看看這些有趣的結果，并探索它們可能如何影響您未來(lái)的設計實(shí)踐。

什么是層間串擾？

在深入了解 IBM 的論文之前，定義高速 PCB 中的層間串擾非常重要。您可能想知道，為什么高速 PCB 中的兩層之間會(huì )發(fā)生串擾？我們通常不是在高速 PCB 上的信號層之間放置接地層以防止層間串擾嗎？雖然信號層之間的地平面確實(shí)提供了隔離，但有時(shí)很難在每對可能的信號層之間放置一個(gè)地平面。對于還必須支持高速信號密集布線(xiàn)的高層數設計，您并不總是能夠在每個(gè)信號層之間放置接地層。

輸入層間串擾。當走線(xiàn)放置在相鄰層上時(shí)，由于導體之間的耦合，走線(xiàn)之間可能存在串擾。這包括相鄰層上受控阻抗寬邊耦合跡線(xiàn)之間的串擾。對于受控阻抗走線(xiàn)的典型建議是正交布線(xiàn)，因為這將消除電感串擾，盡管這在布線(xiàn)可解性方面并不總是實(shí)用。

寬邊耦合

就個(gè)人而言，我回避帶狀線(xiàn)上的正交布線(xiàn)，而只是選擇橫向分離（邊緣耦合）或在不同層上。在非常高密度的設計中，您被迫在相鄰層上使用帶狀線(xiàn)，因此在走線(xiàn)之間存在寬邊或寬邊-邊緣耦合。這發(fā)生在單端走線(xiàn)和差分對中；請注意，您將在高速數字路由中處理差分對。

寬邊差分帶狀線(xiàn)之間的間距定義。

對于寬邊耦合差分對，相鄰層上的差分對之間存在特定間距，從而產(chǎn)生零反向層間串擾。事實(shí)上，串擾強度并非完全為零，但您當然可以將串擾強度低于 -60 dB。根據法拉第定律，在差分對中，發(fā)生這種情況是因為來(lái)自侵略者對的場(chǎng)將完全平行于受害對的橫截面，導致零電感層間差分串擾。

注冊錯誤

由于制造公差，您的差分對之間的間距不會(huì )完全等于設計值，并且層與層之間會(huì )有一些未對準。這稱(chēng)為配準錯誤，它會(huì )導致受害對中發(fā)生少量串擾。這種配準錯誤可能高達 5 密耳，這是 IBM 研究中調查的一個(gè)值。

反向差分串擾與相鄰層上的差分帶狀線(xiàn)間距。請注意層之間的 4 mil 套準容差。

IBM 論文中的結果

現在我們可以進(jìn)入IBM在層間串擾方面的工作。他們從兩個(gè)維度觀(guān)察層間串擾：PTH 過(guò)孔上的層重合不正和反焊盤(pán)直徑。我們自然會(huì )期望減少配準不良對層間串擾的影響最大，但事實(shí)證明，調整反焊盤(pán)直徑對減少層間串擾的影響大于減少配準不良。

層間串擾和可靠性與未對準

當未對準從 5 mil 降低到 3 mil 時(shí)，受害線(xiàn)路上的層間串擾強度降低，這與上面顯示的 McMorrow 的結果一致。這個(gè)結果的重要之處在于它是通用的：更嚴格的容差會(huì )導致整個(gè) PCB 布局中的配準不當和串擾更小。

該團隊發(fā)現的更令人驚訝的結果是反焊盤(pán)直徑變化對相同類(lèi)型串擾的影響。

反墊直徑

對于在背鉆 PTH 通孔上進(jìn)行層轉換的走線(xiàn)，發(fā)現反焊盤(pán)直徑也會(huì )影響耦合互連之間的層間串擾。在各地通過(guò)通孔反襯墊已經(jīng)知道修改通過(guò)和附近跟蹤周?chē)募纳?，?chuàng )造一個(gè)輕微的阻抗失配，其累積虧損。在 IBM 論文中，在 10 密耳直徑的 PTH 上將反焊盤(pán)直徑從 30 密耳減小到 28 密耳也降低了層間串擾。這是幫助您減少串擾的簡(jiǎn)單設計更改的一個(gè)示例，但它依賴(lài)于具有精確背鉆的 PTH 周?chē)膰栏窆?，并非所有制造商都能夠適應這一點(diǎn)。