串扰和 IBM 在 IPC APEX EXPO 2021 上的结果

2021-06-08

串扰和 IBM 在 IPC APEX EXPO 2021 上的结果

您可(kě)能(néng)不认為(wèi) IBM 是 PCB 行业的主要力量。IBM 大举进军云计算，但并未受到電(diàn)子行业的青睐。然而，这家以其大型机、服務(wù)器、Watson 和 AI 功能(néng)而闻名的公司正在高速设计社區(qū)掀起波澜，他(tā)们最近在 IPC APEX 2021 上展示了他(tā)们的成果。

由三名 IBM 研究人员组成的团队发表的论文(wén)着眼于在具有(yǒu)背钻孔 PTH 通孔的高密度设计中减少层间串扰的方法。该论文(wén)非常有(yǒu)趣，因為(wèi)它通过设计检查了背钻孔 PTH 的两个方面，这两个方面可(kě)能(néng)无法直观地与减少串扰联系起来。然而，在高速互连之间具有(yǒu)极低间距的高密度设计中，我们必须四处寻找以尝试减少信号完整性问题，包括串扰。

当我们查看其对信号完整性的影响时，他(tā)们的结果非常有(yǒu)趣。考虑到这一点，让我们看看这些有(yǒu)趣的结果，并探索它们可(kě)能(néng)如何影响您未来的设计实践。

什么是层间串扰？

在深入了解 IBM 的论文(wén)之前，定义高速 PCB 中的层间串扰非常重要。您可(kě)能(néng)想知道，為(wèi)什么高速 PCB 中的两层之间会发生串扰？我们通常不是在高速 PCB 上的信号层之间放置接地层以防止层间串扰吗？虽然信号层之间的地平面确实提供了隔离，但有(yǒu)时很(hěn)难在每对可(kě)能(néng)的信号层之间放置一个地平面。对于还必须支持高速信号密集布線(xiàn)的高层数设计，您并不总是能(néng)够在每个信号层之间放置接地层。

输入层间串扰。当走線(xiàn)放置在相邻层上时，由于导體(tǐ)之间的耦合，走線(xiàn)之间可(kě)能(néng)存在串扰。这包括相邻层上受控阻抗宽边耦合迹線(xiàn)之间的串扰。对于受控阻抗走線(xiàn)的典型建议是正交布線(xiàn)，因為(wèi)这将消除電(diàn)感串扰，尽管这在布線(xiàn)可(kě)解性方面并不总是实用(yòng)。

宽边耦合

就个人而言，我回避带状線(xiàn)上的正交布線(xiàn)，而只是选择横向分(fēn)离（边缘耦合）或在不同层上。在非常高密度的设计中，您被迫在相邻层上使用(yòng)带状線(xiàn)，因此在走線(xiàn)之间存在宽边或宽边-边缘耦合。这发生在单端走線(xiàn)和差分(fēn)对中；请注意，您将在高速数字路由中处理(lǐ)差分(fēn)对。

宽边差分(fēn)带状線(xiàn)之间的间距定义。

对于宽边耦合差分(fēn)对，相邻层上的差分(fēn)对之间存在特定间距，从而产生零反向层间串扰。事实上，串扰强度并非完全為(wèi)零，但您当然可(kě)以将串扰强度低于 -60 dB。根据法拉第定律，在差分(fēn)对中，发生这种情况是因為(wèi)来自侵略者对的场将完全平行于受害对的横截面，导致零電(diàn)感层间差分(fēn)串扰。

注册错误

由于制造公差，您的差分(fēn)对之间的间距不会完全等于设计值，并且层与层之间会有(yǒu)一些未对准。这称為(wèi)配准错误，它会导致受害对中发生少量串扰。这种配准错误可(kě)能(néng)高达 5 密耳，这是 IBM 研究中调查的一个值。

反向差分(fēn)串扰与相邻层上的差分(fēn)带状線(xiàn)间距。请注意层之间的 4 mil 套准容差。

IBM 论文(wén)中的结果

现在我们可(kě)以进入IBM在层间串扰方面的工作。他(tā)们从两个维度观察层间串扰：PTH 过孔上的层重合不正和反焊盘直径。我们自然会期望减少配准不良对层间串扰的影响最大，但事实证明，调整反焊盘直径对减少层间串扰的影响大于减少配准不良。

层间串扰和可(kě)靠性与未对准

当未对准从 5 mil 降低到 3 mil 时，受害線(xiàn)路上的层间串扰强度降低，这与上面显示的 McMorrow 的结果一致。这个结果的重要之处在于它是通用(yòng)的：更严格的容差会导致整个 PCB 布局中的配准不当和串扰更小(xiǎo)。

该团队发现的更令人惊讶的结果是反焊盘直径变化对相同类型串扰的影响。

反垫直径

对于在背钻 PTH 通孔上进行层转换的走線(xiàn)，发现反焊盘直径也会影响耦合互连之间的层间串扰。在各地通过通孔反衬垫已经知道修改通过和附近跟踪周围的寄生效应，创造一个轻微的阻抗失配，其累积亏损。在 IBM 论文(wén)中，在 10 密耳直径的 PTH 上将反焊盘直径从 30 密耳减小(xiǎo)到 28 密耳也降低了层间串扰。这是帮助您减少串扰的简单设计更改的一个示例，但它依赖于具有(yǒu)精确背钻的 PTH 周围的严格公差，并非所有(yǒu)制造商(shāng)都能(néng)够适应这一点。