你应该在差动对上滴泪珠吗？

2022-08-16

你应该在差动对上滴泪珠吗？

影响PCBA可(kě)靠性的主要因素之一是在PCB的迹線(xiàn)上使用(yòng)泪珠。泪珠非常有(yǒu)用(yòng)，一些制造商(shāng)可(kě)能(néng)需要在他(tā)们制造的III类产品中使用(yòng)泪珠，目的是在钻孔上扩展环形圈。与可(kě)靠性的许多(duō)方面一样，这些考虑因素也涉及信号完整性领域，尤其是当可(kě)靠性更高的产品需要更大的数据处理(lǐ)能(néng)力并以更高的速度运行时。

為(wèi)什么是泪珠？

首先，我认為(wèi)重要的是要记住為(wèi)什么泪珠可(kě)能(néng)会放置在差分(fēn)对（或任何其他(tā)走線(xiàn)）上被路由到通孔中。在制造过程中，当為(wèi)通孔或其他(tā)NPTH/安装孔钻孔时，钻头可(kě)能(néng)会在钻孔命中之间徘徊并稍微错过其钻孔目标。如果有(yǒu)很(hěn)多(duō)漂移，钻头可(kě)能(néng)会从通孔中切断连接迹線(xiàn)或焊盘，这可(kě)能(néng)会在電(diàn)镀后留下开路连接。

可(kě)以使用(yòng)泪珠来帮助防止任何可(kě)能(néng)切断连接到通孔焊盘的走線(xiàn)的突破。这里的想法是提供一些额外的铜，以帮助防止在制造过程中钻孔的痕迹突破。

泪珠添加到PCB中的迹線(xiàn)。

一些IPC Class 3制造商(shāng)会推荐泪珠，但这会带来高速接口上的信号完整性问题。这些元素如何影响高速信号，尤其是差分(fēn)对？这个问题很(hěn)重要，因為(wèi)标准高速接口使用(yòng)差分(fēn)信号，并且更多(duō)高可(kě)靠性产品正在采用(yòng)这些协议。

向RF设计寻求智慧

信不信由你，我们可(kě)以再次从RF PCB设计实践中寻求指导。我们在这些差分(fēn)迹線(xiàn)上有(yǒu)一个锥形部分(fēn)，RF工程师经常使用(yòng)它来匹配阻抗。事实上，锥形被用(yòng)作从微带到衬底集成波导(SIW)和接地共面波导的过渡元件。这些元件提供的阻抗匹配可(kě)以是宽带的，并在具有(yǒu)中等带宽的射频信号的谐振之间提供非常一致的相位响应。

对于数字信号，在检查泪滴如何影响高速信号时，我们必须考虑三个挑战：

带宽：所有(yǒu)数字信号都有(yǒu)很(hěn)宽的带宽（理(lǐ)论上是无限的）；通道需要将频率传输到Nyquist频率限制。

耦合：对于差分(fēn)对，我们有(yǒu)一对耦合锥度，而不仅仅是一个单独的锥度，耦合取决于走線(xiàn)宽度和间距。

锥形速率：泪滴逐渐减小(xiǎo)到通孔焊盘宽度的速率决定了線(xiàn)对中一条迹線(xiàn)的单端阻抗变化的速率，从而决定了差分(fēn)阻抗的变化速率。

锥形轮廓：泪珠轮廓是線(xiàn)性的还是弯曲的？这对于阻抗匹配和传播也很(hěn)重要。

由于这三点，要尽量减少泪滴对差分(fēn)对的影响，需要选择合适的锥度宽度和長(cháng)度。但是，由于逐渐变细到更大的宽度会降低走線(xiàn)阻抗，因此您需要确保进入过孔的输入阻抗（仅在高频下有(yǒu)效）低于锥形之前输入走線(xiàn)的奇模阻抗。

对于差分(fēn)線(xiàn)对，这意味着您需要控制線(xiàn)对之间的间距以及沿泪珠的锥度/長(cháng)度。让我们看一下这些要点：

锥度長(cháng)度

接下来，我们应该问，泪珠应该使用(yòng)什么锥度長(cháng)度？再次，让我们回到带有(yǒu)锥度匹配部分(fēn)的射频系统。如果您需要具有(yǒu)一致回波损耗且在高带宽下没有(yǒu)谐振行為(wèi)的匹配阻抗，则锥度需要提供平滑的阻抗转换，直至达到所需的带宽限制。这些锥形的带宽限制由相变定义，以特定谐振频率处的相長(cháng)干涉為(wèi)标志(zhì)（见下文(wén)）。

為(wèi)什么要限制带宽？这是因為(wèi)走線(xiàn)锥度的作用(yòng)类似于高通滤波器，并且它具有(yǒu)一定的電(diàn)气長(cháng)度，如果与通孔正确匹配，超过该長(cháng)度它将充当其自身的一小(xiǎo)段传输線(xiàn)。我们可(kě)以通过（再次）从一般的锥度中获得一些见解来看到锥度在哪里成為(wèi)带宽限制。下面的示例显示了微带走線(xiàn)从50 Ohm走線(xiàn)逐渐变细到40 Ohm输出，并在Rogers 3003電(diàn)介质上带有(yǒu)泪珠。我们可(kě)以立即看到，当锥度变小(xiǎo)时，带宽限制会扩展到更高的频率。

用(yòng)于50至40欧姆转换的線(xiàn)性迹線(xiàn)锥形回波损耗频谱。

我们只能(néng)在特定频率下完美匹配，但在中频范围内，回波损耗频谱是平坦的。以上还假设锥度的输出侧与过孔完美匹配，但情况可(kě)能(néng)并非如此。如果是这样，回波损耗会有(yǒu)所不同，并且将受较低频率下通孔输入处的反射系数支配。

确定输入阻抗的解析表达式作為(wèi)泪滴中锥度率的函数是我将在该主题的第二部分(fēn)中研究的内容，因此我将其保存以备后用(yòng)，因為(wèi)它值得单独写一篇文(wén)章。

泪珠间距

差分(fēn)对中的间距将部分(fēn)决定该对中每条迹線(xiàn)的奇模阻抗。如果迹線(xiàn)彼此逐渐变细，则泪滴區(qū)域之间减小(xiǎo)的间距会进一步降低通向通孔的阻抗。对输入阻抗（以及因此的 S 参数和通道顺应性）的影响将受到间距和锥度長(cháng)度以及锥度角度的影响。

差分(fēn)对上的泪滴之间的间距路由到通孔。

如果间距已经很(hěn)大，并且您将泪珠应用(yòng)于差分(fēn)对而不倾斜它们，则会出现大于正常的奇模阻抗偏差，因為(wèi)间距沿锥度的長(cháng)度减小(xiǎo)。单端阻抗已经沿锥體(tǐ)長(cháng)度减小(xiǎo)，但沿锥體(tǐ)長(cháng)度的较小(xiǎo)间距将进一步降低阻抗。

如果您设计的差分(fēn)对没有(yǒu)太小(xiǎo)的间距（右侧），并且在您的对下方使用(yòng)了薄電(diàn)介质（特别是对于微带線(xiàn)），那么在一对差分(fēn)过孔处应用(yòng)泪珠不会对阻抗。阻抗已经被接地的存在所支配。然后，如果您调整走線(xiàn)的角度，您会看到与查看通孔对的差分(fēn)阻抗相比，阻抗偏差较小(xiǎo)。

设计规则

基于上面列出的几点，我们得出以下差分(fēn)对泪滴的结果：

更大的信号带宽将需要更小(xiǎo)的泪滴锥形距离

尝试将泪珠部分(fēn)倾斜以保持边缘到边缘的间距不变

最终宽度应与差分(fēn)过孔的输入阻抗匹配

如果可(kě)能(néng)，泪滴區(qū)域应在通孔对的输入和输出处对称

不幸的是，在第3点中声明“应该匹配差分(fēn)过孔/焊盘的输入阻抗”说起来容易做起来难。我知道只有(yǒu)一种方法可(kě)以為(wèi)差分(fēn)通孔阻抗计算提供任何级别的精度，它从计算通过一对差分(fēn)通孔的传播延迟开始。大多(duō)数单端通过阻抗计算器是完全不准确的，并且不会产生任何与TDR的实验结果相匹配的结果，因此从那里开始是没有(yǒu)意义的。此外，大多(duō)数通过阻抗计算器不是基于宽带模型，因此它们不会考虑传播和模式激励，因此它们不会产生在高频下准确的结果，而这正是您需要高速信号精度的地方！

可(kě)靠性不需要泪珠

尽管通常建议使用(yòng)泪珠来确保可(kě)靠性，并且一些制造商(shāng)原则上会推荐它们用(yòng)于任何3类产品，但它们并不是可(kě)靠性所必需的。例如，在 OpenVPX背板中，您不会看到任何对泪珠的要求，而且我从未被要求将它们添加到这些背板之一（3U或6U）中。我提出了这个特殊的开放标准，因為(wèi)其确保可(kě)靠性所需的设计要求比您為(wèi)2类或3类产品实施的要求更保守，并且它们部署在一些最恶劣的环境（军用(yòng)航空）中。

就泪滴评估而言，可(kě)以使用(yòng)模拟来确定锥度長(cháng)度和锥度率何时太小(xiǎo)/太大，以至于它们开始影响信号行為(wèi)。要检查的关键指标是查看互连泪滴部分(fēn)的S参数，特别是查看S11（回波损耗）以确定是否存在不可(kě)接受的阻抗偏差。一些专门的電(diàn)磁求解器（HFSS、SIwave、Simbeor）将半自动计算S11，并将泪珠应用(yòng)于迹線(xiàn)。