你應該在差動(dòng)對上滴淚珠嗎？

2022-08-16

你應該在差動(dòng)對上滴淚珠嗎？

影響PCBA可靠性的主要因素之一是在PCB的跡線(xiàn)上使用淚珠。淚珠非常有用，一些制造商可能需要在他們制造的III類(lèi)產(chǎn)品中使用淚珠，目的是在鉆孔上擴展環(huán)形圈。與可靠性的許多方面一樣，這些考慮因素也涉及信號完整性領(lǐng)域，尤其是當可靠性更高的產(chǎn)品需要更大的數據處理能力并以更高的速度運行時(shí)。

為什么是淚珠？

首先，我認為重要的是要記住為什么淚珠可能會(huì )放置在差分對（或任何其他走線(xiàn)）上被路由到通孔中。在制造過(guò)程中，當為通孔或其他NPTH/安裝孔鉆孔時(shí)，鉆頭可能會(huì )在鉆孔命中之間徘徊并稍微錯過(guò)其鉆孔目標。如果有很多漂移，鉆頭可能會(huì )從通孔中切斷連接跡線(xiàn)或焊盤(pán)，這可能會(huì )在電鍍后留下開(kāi)路連接。

可以使用淚珠來(lái)幫助防止任何可能切斷連接到通孔焊盤(pán)的走線(xiàn)的突破。這里的想法是提供一些額外的銅，以幫助防止在制造過(guò)程中鉆孔的痕跡突破。

淚珠添加到PCB中的跡線(xiàn)。

一些IPC Class 3制造商會(huì )推薦淚珠，但這會(huì )帶來(lái)高速接口上的信號完整性問(wèn)題。這些元素如何影響高速信號，尤其是差分對？這個(gè)問(wèn)題很重要，因為標準高速接口使用差分信號，并且更多高可靠性產(chǎn)品正在采用這些協(xié)議。

向RF設計尋求智慧

信不信由你，我們可以再次從RF PCB設計實(shí)踐中尋求指導。我們在這些差分跡線(xiàn)上有一個(gè)錐形部分，RF工程師經(jīng)常使用它來(lái)匹配阻抗。事實(shí)上，錐形被用作從微帶到襯底集成波導(SIW)和接地共面波導的過(guò)渡元件。這些元件提供的阻抗匹配可以是寬帶的，并在具有中等帶寬的射頻信號的諧振之間提供非常一致的相位響應。

對于數字信號，在檢查淚滴如何影響高速信號時(shí)，我們必須考慮三個(gè)挑戰：

帶寬：所有數字信號都有很寬的帶寬（理論上是無(wú)限的）；通道需要將頻率傳輸到Nyquist頻率限制。

耦合：對于差分對，我們有一對耦合錐度，而不僅僅是一個(gè)單獨的錐度，耦合取決于走線(xiàn)寬度和間距。

錐形速率：淚滴逐漸減小到通孔焊盤(pán)寬度的速率決定了線(xiàn)對中一條跡線(xiàn)的單端阻抗變化的速率，從而決定了差分阻抗的變化速率。

錐形輪廓：淚珠輪廓是線(xiàn)性的還是彎曲的？這對于阻抗匹配和傳播也很重要。

由于這三點(diǎn)，要盡量減少淚滴對差分對的影響，需要選擇合適的錐度寬度和長(cháng)度。但是，由于逐漸變細到更大的寬度會(huì )降低走線(xiàn)阻抗，因此您需要確保進(jìn)入過(guò)孔的輸入阻抗（僅在高頻下有效）低于錐形之前輸入走線(xiàn)的奇模阻抗。

對于差分線(xiàn)對，這意味著(zhù)您需要控制線(xiàn)對之間的間距以及沿淚珠的錐度/長(cháng)度。讓我們看一下這些要點(diǎn)：

錐度長(cháng)度

接下來(lái)，我們應該問(wèn)，淚珠應該使用什么錐度長(cháng)度？再次，讓我們回到帶有錐度匹配部分的射頻系統。如果您需要具有一致回波損耗且在高帶寬下沒(méi)有諧振行為的匹配阻抗，則錐度需要提供平滑的阻抗轉換，直至達到所需的帶寬限制。這些錐形的帶寬限制由相變定義，以特定諧振頻率處的相長(cháng)干涉為標志（見(jiàn)下文）。

為什么要限制帶寬？這是因為走線(xiàn)錐度的作用類(lèi)似于高通濾波器，并且它具有一定的電氣長(cháng)度，如果與通孔正確匹配，超過(guò)該長(cháng)度它將充當其自身的一小段傳輸線(xiàn)。我們可以通過(guò)（再次）從一般的錐度中獲得一些見(jiàn)解來(lái)看到錐度在哪里成為帶寬限制。下面的示例顯示了微帶走線(xiàn)從50 Ohm走線(xiàn)逐漸變細到40 Ohm輸出，并在Rogers 3003電介質(zhì)上帶有淚珠。我們可以立即看到，當錐度變小時(shí)，帶寬限制會(huì )擴展到更高的頻率。

用于50至40歐姆轉換的線(xiàn)性跡線(xiàn)錐形回波損耗頻譜。

我們只能在特定頻率下完美匹配，但在中頻范圍內，回波損耗頻譜是平坦的。以上還假設錐度的輸出側與過(guò)孔完美匹配，但情況可能并非如此。如果是這樣，回波損耗會(huì )有所不同，并且將受較低頻率下通孔輸入處的反射系數支配。

確定輸入阻抗的解析表達式作為淚滴中錐度率的函數是我將在該主題的第二部分中研究的內容，因此我將其保存以備后用，因為它值得單獨寫(xiě)一篇文章。

淚珠間距

差分對中的間距將部分決定該對中每條跡線(xiàn)的奇模阻抗。如果跡線(xiàn)彼此逐漸變細，則淚滴區域之間減小的間距會(huì )進(jìn)一步降低通向通孔的阻抗。對輸入阻抗（以及因此的 S 參數和通道順應性）的影響將受到間距和錐度長(cháng)度以及錐度角度的影響。

差分對上的淚滴之間的間距路由到通孔。

如果間距已經(jīng)很大，并且您將淚珠應用于差分對而不傾斜它們，則會(huì )出現大于正常的奇模阻抗偏差，因為間距沿錐度的長(cháng)度減小。單端阻抗已經(jīng)沿錐體長(cháng)度減小，但沿錐體長(cháng)度的較小間距將進(jìn)一步降低阻抗。

如果您設計的差分對沒(méi)有太小的間距（右側），并且在您的對下方使用了薄電介質(zhì)（特別是對于微帶線(xiàn)），那么在一對差分過(guò)孔處應用淚珠不會(huì )對阻抗。阻抗已經(jīng)被接地的存在所支配。然后，如果您調整走線(xiàn)的角度，您會(huì )看到與查看通孔對的差分阻抗相比，阻抗偏差較小。

設計規則

基于上面列出的幾點(diǎn)，我們得出以下差分對淚滴的結果：

更大的信號帶寬將需要更小的淚滴錐形距離

嘗試將淚珠部分傾斜以保持邊緣到邊緣的間距不變

最終寬度應與差分過(guò)孔的輸入阻抗匹配

如果可能，淚滴區域應在通孔對的輸入和輸出處對稱(chēng)

不幸的是，在第3點(diǎn)中聲明“應該匹配差分過(guò)孔/焊盤(pán)的輸入阻抗”說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。我知道只有一種方法可以為差分通孔阻抗計算提供任何級別的精度，它從計算通過(guò)一對差分通孔的傳播延遲開(kāi)始。大多數單端通過(guò)阻抗計算器是完全不準確的，并且不會(huì )產(chǎn)生任何與TDR的實(shí)驗結果相匹配的結果，因此從那里開(kāi)始是沒(méi)有意義的。此外，大多數通過(guò)阻抗計算器不是基于寬帶模型，因此它們不會(huì )考慮傳播和模式激勵，因此它們不會(huì )產(chǎn)生在高頻下準確的結果，而這正是您需要高速信號精度的地方！

可靠性不需要淚珠

盡管通常建議使用淚珠來(lái)確?？煽啃?，并且一些制造商原則上會(huì )推薦它們用于任何3類(lèi)產(chǎn)品，但它們并不是可靠性所必需的。例如，在 OpenVPX背板中，您不會(huì )看到任何對淚珠的要求，而且我從未被要求將它們添加到這些背板之一（3U或6U）中。我提出了這個(gè)特殊的開(kāi)放標準，因為其確?？煽啃运璧脑O計要求比您為2類(lèi)或3類(lèi)產(chǎn)品實(shí)施的要求更保守，并且它們部署在一些最?lèi)毫拥沫h(huán)境（軍用航空）中。

就淚滴評估而言，可以使用模擬來(lái)確定錐度長(cháng)度和錐度率何時(shí)太小/太大，以至于它們開(kāi)始影響信號行為。要檢查的關(guān)鍵指標是查看互連淚滴部分的S參數，特別是查看S11（回波損耗）以確定是否存在不可接受的阻抗偏差。一些專(zhuān)門(mén)的電磁求解器（HFSS、SIwave、Simbeor）將半自動(dòng)計算S11，并將淚珠應用于跡線(xiàn)。