Благотворное влияние структур с высокой плотностью соединений (HDI) на целостность высокочастотных сигналов. Часть 2

автор Автор: Хэппи Хольден (Happy Holden), I-CONNECT007 |

Подробнее о целостности сигнала и HDI электрической эффективности .Информация для этого раздела была предоставлена такими экспертами, как доктор Эрик Богатин (Dr. Eric Bogatin) [2,3] и доктор Поль Франзон (Dr. Paul Franzon) из Университета Северной Каролины [4]. (Для дополнительной информации используйте ссылку на работы Д-ра Богатина, указанную в ссылках 2 и 3).

Улучшение целостности сигнала без сомнения доступно всем, кто не жалеет времени на уважение к Материл Природе. Вклад плат HDI можно обозначить пословицей «Меньше и ближе всегда лучше!». Да, именно миниатюризация – это главный вклад плат HDI! Улучшение целостности сигнала для HDI происходит их трех явлений: снижение помех, снижение EMI отражения и улучшение распространения сигнала и более низкое затухание.

 

Снижение помех

Четыре категории помех описывают различные эффекты (Таблица 1) [2].

  1. Качество сигнала одной сети и его возвратный путь (накладывание на полезный сигнал из-за отражений)
  2. Перекрестные помехи между двумя или более сетями (помехи пульсируют из-за переключения на соседних линиях)
  3. Коммутационные помехи (помехи на линиях/панелях заземления и питания)
  4. EMI

Каждая их этих четырех категорий имеет свои причины (Рис.2). Определив причину в каждой категории проблем, можно определить и внедрить решения по разработке и технологии [3].

Помехи могут возникать из множества источников в схеме платы, таких как:

  • Изменение ширины дорожки
  • Разрывы панелей
  • Разрывы в панелях питания/заземления
  • Антиплощадки отверстий (открытые зоны в панелях питания или заземления для просверленных отверстий таким образом, что нарушается контакт)
  • Недостаточные возможности панелей
  • Избыточные тупиковые отрезки, разветвленные или раздвоенные дорожки
  • Каркас выводов компонента
  • Ненадлежащий импеданс и сети выводов
  • Спаривание между сигналами
  • Разные нагрузки и логические семьи

Качество сигнала одной сети и его возвратный путь

HDI – это производственная технология миниатюризации, которая имеет два главных преимущества: меньшая подложка и улучшенная целостность сигнала. Меньшая подложка получается из-за более короткой длины межсоединения, меньших отверстий, более тонким диэлектрикам из материалов с более низкой диэлектрической постоянной. Эти вещи также улучшают и целостность сигнала.

*С HDI устройства могут находиться так близко друг к другу (как с точки зрения поверхности, так и при использовании вторичной или задней стороны соединения), что сигнал может не понадобится прекращать. «Межсоединения с задержкой времени менее 20% времени нарастания сигнала могут не завершаться [2]». Длина соединения выражается как:

Где:
t – время нарастания сигнала в нсек
er – диэлектрическая постоянная материала [2].

Для времени нарастания в 1 нсек для FR-4 это всего лишь 1,14 дюймов.

Возвратный путь сигнала также важен, как и сам путь сигнала, и он существует в любом случае, обеспечили ли вы его или нет. Возвратный путь сигнала оказывает влияние на индуктивность, емкость и сопротивление, испытываемые сигналом. Возвратный ток сигнала будет искать путь с минимальной энергией, который имеет наименьший импеданс. Для низких частот этот путь будет иметь наименьшее сопротивление; для высоких частот этот путь будет минимизировать петлю тока. При более высоких частотах индуктивность доминирует над сопротивлением, поэтому возвратный путь следует сигнальному пути даже если он встречает более высокое сопротивление.

 

 

Рис. 2: Четыре категории SI проблем (Источник: Eric Bogatin [3]).
1. Качество сигнала одной сети: отражения и искривления из-за разрывов импеданса в сигнальном или возвратном пути.
2. Перекрестные помехи между различными сетями: с идеальными возвратными путями и без (SSO)
3. Нарушение рельса в распределительной сети питания или заземления
4. EMI от компонента или системы

Таблица 2: HDI материалы и их электрические характеристики.

Низкая электрическая постоянная получается в результате использования многих новых HDI материалов. Многие из этих материалов не являются армированными стекловолокном, поэтому имеют более низкие диэлектрические постоянные, чем покрытия с армированием стекловолокном. Многих из этих диэлектриков являются жидкими, такие как эпоксид с высоким Tg или полиимид, или фото диэлектрические смолы (PDR). Некоторые материалы – это тонкие, вакуумно-покрытые диэлектрики с высоким содержанием термопластиков. Однако, все эти материалы тонкие – это помогает сократить задержки в электропроводке и снизить помехи. Некоторые из этих новых материалов и их электрические характеристики показаны в Таблице 2. Относительные издержки основываются на высоких объемах использования в Азии, включая дилерские наценки.

Рис.3 показывает характеристики импеданса для мелко шагового микрополоскового HDI (дорожки 3 мил) с двумя диэлектриками с Dk равными 3,5 и 4,5. Более низкая Dk позволяет толщине диэлектрика быть тоньше на примерно от одного до половины мил.

Источник: Журнал The PCB Magazine Октябрь 2017

 

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

Назад