تصميم PCB عالي السرعة وتقنية الحفر الخلفي: الحل الأساسي لسلامة الإشارة

ملخص في مجالات اتصالات الجيل الخامس، وخوادم الذكاء الاصطناعي، ومراكز البيانات عالية السرعة، تُعدّ فتحات الثقوب المعدنية في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) وتقنية الحفر الخلفي (الحفر العميق القابل للتحكم) تقنياتٍ أساسية لضمان سلامة الإشارة وموثوقية النظام. تُحلل هذه المقالة بشكل منهجي استراتيجية تحسين تصميم فتحات الثقوب في لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة، والمبادئ الأساسية وسير عملية تقنية الحفر الخلفي، وتجمع بين دراسات حالة معيارية في الصناعة وبيانات المحاكاة لتزويد المهندسين بدليل شامل من النظرية إلى التطبيق، مما يُساعد تصميم الدوائر عالية الكثافة والتردد على تجاوز اختناقات الأداء.

1. تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة: من التأثيرات الطفيلية إلى استراتيجيات التحسين

1. الخصائص الكهربائية للمسارات الكهربائية وتحديات سلامة الإشارة

باعتبارها قنوات اتصال بين طبقات لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات، فإن الفتحات (Via) لها سعة طفيلية ومحاثة طفيلية تؤثر بشكل كبير على جودة الإشارة في السيناريوهات عالية التردد:

• صيغة السعة الطفيلية:

[ C = 1.41 \cdot \varepsilon_r \cdot T \cdot D_1 / (D_2 – D_1) ] حيث (\varepsilon_r) هو الثابت العازل، و(T) هو سمك اللوحة، و(D_1) هو قطر الوسادة، و(D_2) هو قطر منطقة العزل.

• صيغة المحاثة الطفيلية:

[L = 5.08h \left[ \ln(4h/d) + 1 \right] ] يؤثر طول فتحة العدسة (h) والفتحة (d) بشكل مباشر على قيمة المحاثة. يمكن أن تصل محاثة فتحة عدسة بطول 10 مل إلى 1.2nH عند تردد 1 جيجاهرتز، مما يؤدي إلى طفرة في المعاوقة.

الحالة: في تصميم PCIe 4.0، تجاوز طول طرف التوصيل 200 مل، مما أدى إلى إغلاق فتحة التوصيل. باستخدام تقنية الحفر العكسي، تم ضبط طول طرف التوصيل إلى أقل من 50 مل، وزادت فتحة التوصيل بمقدار 40%.

2. مقارنة أنواع الطرق والسيناريوهات القابلة للتطبيق

3. ست قواعد ذهبية للسرعة العالية عبر التصميم

1.تحسين الحجم:

• التصميم العام: 0.25 مم/0.51 مم/0.91 مم (منطقة الحفر/الوسادة/العزل)؛

• لوح عالي الكثافة: 0.20 مم/0.46 مم/0.86 مم، مع تقنية عدم وجود ثقب (ميكروفيا).

2.توسيع منطقة العزل:اتبع قاعدة D1=D2+0.41 لتقليل تأثير السعة.

3.استراتيجية توجيه الطبقة: تقليل عدد تغييرات الطبقة، واستخدام التناظر التفاضلي عبر التخطيط عند الضرورة.

4.أولوية اللوحة الرقيقة:يمكن لـ PCBs ذات سمك ≤1.6 مم تقليل المعلمات الطفيلية بما يزيد عن 30%.

5.تحسين الطاقة/الأرض: قم بحفر ثقوب قريبة، وطول الرصاص <0.5 مم، وعرض الخط ≥2 مرات خط الإشارة.

6.الأرض عبر المصفوفة:ضع فتحات GND كل 0.5 مم في منطقة تغيير الطبقة لتقصير مسار العودة.

2. عملية الحفر الخلفي: الحل الأمثل للتخلص من تأثير العقب

1. مبدأ تقنية الحفر الخلفي والمعلمات الأساسية

الحفر الخلفي (Back Drilling) يزيل أعمدة النحاس غير المستخدمة (الأعمدة) من الثقوب العميقة من خلال الحفر الثانوي.

تشمل المؤشرات الفنية الرئيسية ما يلي:

• طول المتبقي من الجذع (قيمة B): 50-150 ميكرومتر، لكل زيادة قدرها 10 ميكرومتر في المتبقي، تزداد خسارة الإشارة بمقدار 0.5 ديسيبل عند 10 جيجاهرتز.

• تحمل الفتحة: ±0.05 مم، مطلوب آلة حفر CNC عالية الدقة.

• التحكم في العمق:باستخدام تكنولوجيا استشعار التيار الصغير، تصل دقة تحديد المواقع إلى ±5 ميكرومتر.

سير العملية:

1. الحفر الأساسي → 2. ختم الطلاء الكهربائي → 3. إنتاج نمط الطبقة الخارجية → 4. تحديد موضع الحفر الخلفي → 5. الحفر الثانوي → 6. الغسيل بالماء وإزالة الرقائق.

2. أربع مزايا رئيسية لتقنية الحفر الخلفي

• تحسين سلامة الإشارة:

•تقليل الانعكاس والرنين:وخفض معدل خطأ البت (BER) إلى أقل من 10⁻¹².

• فعالية التكلفة:استبدال 50% لمتطلبات الحفرة العمياء والمدفونة وتقليل تعقيد التصفيح.

• قمع التداخل الكهرومغناطيسي:تقليل الضوضاء المشعة بمقدار 6-8 ديسيبل، والحصول على شهادة FCC Class B.

• دمرونة التصميم:يدعم سيناريوهات السرعة الفائقة مثل وحدات PAM4 الضوئية 112G.

3. حالات تطبيق الصناعة

• محطة قاعدة الاتصالات:تستخدم لوحة Huawei 5G AAU تقنية الحفر الخلفي للتحكم في الجزء الخلفي في حدود 80 ميكرومتر وخسارة الإدخال <0.3dB/mm@28GHz.

• مركز البيانات:تم تحسين لوحة حاملة وحدة معالجة الرسوميات NVIDIA A100 من خلال الحفر الخلفي، وتم زيادة معدل إشارة PCIe 5.0 إلى 32GT/s.

• الفضاء الجوي:تستخدم لوحة الدوائر المطبوعة الخاصة بالأقمار الصناعية من شركة Lockheed Martin تقنية الحفر الخلفي + مواد منخفضة الخسارة لضمان استقرار الإشارة في درجات الحرارة القصوى.

ثالثًا. التحقق من المحاكاة واتجاهات التكنولوجيا المستقبلية

1. يعتمد على المحاكاة من خلال التحسين

• توصية الأداة:

• Ansys HFSS: تحليل المجال الكهرومغناطيسي للموجة الكاملة لمعلمات التقاطع S وتوزيع المجال؛

• Cadence Sigrity: التحقق من استمرارية المعاوقة من خلال انعكاس المجال الزمني (TDR).

• الحالة: وجد تصميم DDR5 الساعة عبر انحراف التأخير من خلال المحاكاة، وتم تقليل الارتعاش من 15 بيكو ثانية إلى 8 بيكو ثانية بعد التحسين.

2. حدود التكنولوجيا والتحديات

• المواد ذات التردد العالي جدًا:الثابت العازل (Dk) للوحات سلسلة Rogers RO4500 منخفض إلى 3.0، والذي يمكن أن يقلل عبر السعة بمقدار 30%.

• الحفر الخلفي بالليزر:تم تحسين الدقة إلى ±10 ميكرومتر، مما يدعم معالجة فتحة 0.1 مم.

• تكامل التغليف ثلاثي الأبعاد:TSV من خلال السيليكون من خلال التكنولوجيا المدمجة مع الحفر الخلفي للوحة الدوائر المطبوعة لتحقيق التعبئة والتغليف المتكاملة غير المتجانسة.

ملخص

في عصر الرقمنة عالي السرعة، يُعد التصميم وعمليات الحفر العكسي ركائز أساسية لتحقيق إنجازات في أداء لوحات الدوائر المطبوعة. من خلال التحكم الدقيق في المعلمات الطفيلية، وتحسين طول الجذع، والجمع بين أدوات المحاكاة المتقدمة (مثل إعلانات Keysightيستطيع المهندسون حل مشاكل سلامة الإشارة في أحدث التقنيات مثل 112G PAM4 وDDR6. في المستقبل، مع ابتكار المواد وترقيات العمليات (مثل سيفين بي سي بي ايه(مع حلول الحفر الخلفي على مستوى النانو)، ستستمر لوحات الدوائر المطبوعة في التطور نحو ترددات أعلى وتكامل أعلى.