Благотворное влияние структур с высокой плотностью соединений (HDI) на целостность высокочастотных сигналов. Часть 3

автор Хэппи Хольден (Happy Holden) |

Перекрестные помехи между двумя или более сетями

Миниатюризация HDI обеспечивает более короткую длину межсоединений, и если используется материал с более низкой диэлектрической постоянной, то перекрестные помехи в HDI подложке уменьшаются. Богатин приводит следующий пример: «Типичная ширина линии в HDI технологии составляет 3 мил (75 микрон). Рис.3 показывает характеристику импеданса 3-мил дорожек для различной толщины диэлектрика. Толщина диэлектрика будет меньше для меньшей диэлектрической постоянной. Это значит, что система из материала с более низкой диэлектрической постоянной либо даст в результате меньшие перекрестные помехи на то же пространство, либо дорожки могут быть смещены ближе друг к другу и тогда получится то же количество перекрестных помех» [3].

 

Богатин продолжает: «Изменение в конечном коэффициенте перекрестных помех с разделением на две 50-Ом микрополосковые дорожки показано на Рис.4. В двух изученных ситуациях ширина линии составляла 3 мил, а толщина диэлектрика была подобрана таким образом, чтобы для двух различных диэлектрических постоянных линия импеданса была одинаковой. Из этих трех кривых можно увидеть, что, если шаг маршрутизации связан с перекрестными помехами, только более низкая диэлектрическая постоянная материала системы HDI может позволить плате уменьшиться до 28%. Для связанных длин, меньших длины насыщения, величина шума напряжения на передающем конце будет масштабироваться с длиной. Длина насыщения будет зависеть от времени нарастания. Для времени нарастания в 1 наносекунду длина насыщения с эффективной диэлектрической постоянной в 2,5 составляет около 7,6 дюймов, что будет включать много дорожек в маленьком устройстве карты. Относительный связанный шум на передающем конце будет выражаться следующей формулой [2]:

Рис. 3: Характеристика импеданса материалов с более низкой диэлектрической постоянной.

Перекрестные помехи в HDI подложках снижаются за счет более коротких связанных длин и за счет более низкой диэлектрической постоянной практически на 50%. Более короткие длины дорожек меньше излучают, а дорожки с более тонким диэлектриком также излучают меньше. Пример на Рис.5 показывает, что чем короче связанная длина, тем меньше обоюдная индуктивность (Lm), а чем тоньше дорожки, тем меньше обоюдная емкость (Cm). Более того, чем тоньше расстояние до референтной панели, тем ниже будут перекрестные помехи на передающем конец, или такие же перекрестные помехи на более длинную связанную длину. С сокращением длины в 2 раза и уменьшением толщины диэлектрика в 2 раза по сравнению с традиционными платами, поле излучения HDI сигнальных петель может быть снижено в 4 раза, что составляет 12 dB.

Одновременные коммутационные помехи и рельсы напряжения

Действительная эффективность электрической схемы меняется в зависимости от времени нарастания сигналов. Так как большинство этих HDI плат имеют дело с высокоскоростными компьютерными шинами и телекоммуникационными сигналами, они очень чувствительны к помехам и отражению сигнала. Одновременные коммутационные помехи (SSN) – наиболее сложный тип помех для контроля. Коммутационные помехи возникают из-за мгновенного спроса на ток при включении и выключении устройства. Любое падение напряжения будет негативно влиять на компоненты, распределение питания по плате и на то, как устройства соединяются с землей. Сохранение индуктивности распределения питания и заземления ни низком уровне и низкой индуктивности на соединениях с землей снижают данный тип коммутационных помех или «скачок земли». Концептуально это снижение выглядит в виде следующей формулы:

Для управления одновременными коммутационными помехами (SSN) нужно сфокусироваться на:

1.      Минимизации di/dt;

2.      Хороший выбор развязывающей емкости

3.      Качественное управление индуктивностью

Снижение Leffective может быть достигнуто методами HDI. Использование корпусов с поверхностной решеткой вместо корпусов с периферийными выводами – это один из вариантов. Другой – наблюдение за тем, как земля распределяется на корпусах с периферийными выводами. Увеличение количества выводов питания/заземления на корпусах и использование панели питания/заземления в корпусе (даже плавающая панель) тоже может помочь. Однако, главной проблемой является финальный проект ПП. Около 70% BGA и QFP индуктивности связано с разрывами маршрутизации на печатной плате или на возвратном пути заземления. Выбор микроотверстий теперь предоставляет преимущество. Простые модели отверстий ПП на Рис.6 показывают, что меньшее по размеру микроотверстие имеет около 1/10 индуктивности и емкости от этих же параметров сквозного отверстия.

Рис. 4: Коэффициент перекрестных помех на передающем конце (Источник: Eric Bogatin[3]).

Рис. 5: Перекрестные помехи и длина (Источник: Buchanan[6]).

Рис. 6: Сравнение отверстий.

Источник: Журнал The PCB Magazine Октябрь 2017

Назад