Progettazione PCB ad alta velocità e tecnologia di back drilling: la soluzione principale per l'integrità del segnale

Riassunto Nei settori delle comunicazioni 5G, dei server di intelligenza artificiale e dei data center ad alta velocità, i fori passanti per PCB (fori metallizzati) e la tecnologia di backdrilling (foratura a profondità controllabile) sono tecnologie chiave per garantire l'integrità del segnale e l'affidabilità del sistema. Questo articolo analizza sistematicamente la strategia di ottimizzazione della progettazione dei fori passanti nei PCB ad alta velocità, i principi fondamentali e il flusso di processo della tecnologia di backdrilling, e combina casi di riferimento di settore e dati di simulazione per fornire agli ingegneri una guida completa dalla teoria alla pratica, aiutando la progettazione di circuiti ad alta densità e alta frequenza a superare i colli di bottiglia prestazionali.

1. PCB ad alta velocità tramite progettazione: dagli effetti parassiti alle strategie di ottimizzazione

1. Caratteristiche elettriche delle vie e sfide dell'integrità del segnale

In quanto canali di collegamento interstrato di PCB multistrato, i via (Via) presentano capacità parassita e induttanza parassita che influiscono significativamente sulla qualità del segnale in scenari ad alta frequenza:

• Formula della capacità parassita:

[ C = 1,41 \cdot \varepsilon_r \cdot T \cdot D_1 / (D_2 – D_1) ] Dove (\varepsilon_r) è la costante dielettrica, (T) è lo spessore della scheda, (D_1) è il diametro del pad e (D_2) è il diametro dell'area di isolamento.

• Formula dell'induttanza parassita:

[ L = 5,08h \left[ \ln(4h/d) + 1 \right] ] La lunghezza del via (h) e l'apertura (d) influenzano direttamente il valore dell'induttanza. L'induttanza di un via con apertura di 10 mil può raggiungere 1,2 nH a 1 GHz, con conseguente mutazione dell'impedenza.

Caso: in un progetto PCIe 4.0, la lunghezza dello stub di via superava i 200 mil, con conseguente chiusura dell'occhiello. Tramite il backdrilling, lo stub è stato mantenuto a meno di 50 mil e l'apertura dell'occhiello è stata aumentata di 40%.

2. Confronto tra tipi di vie e scenari applicabili

Tipo	Caratteristiche strutturali	Vantaggi	Limitazioni
Foro passante	Penetra l'intera tavola	Processo semplice e a basso costo	Tronchetto lungo, scarse prestazioni ad alta frequenza
foro cieco	Collega lo strato superficiale e lo strato interno	Riduce i monconi, adatto per alte densità	Richiede foratura laser, costo elevato
Buco sepolto	Collegamento tra strati interni	Nessun moncone, bassa perdita di segnale	Elevata complessità di produzione

3. Sei regole d'oro per la progettazione di connessioni ad alta velocità

1.Ottimizzazione delle dimensioni:

• Progettazione generale: 0,25 mm/0,51 mm/0,91 mm (area di foratura/pad/isolamento);

• Scheda ad alta densità: 0,20 mm/0,46 mm/0,86 mm, con tecnologia non-through-hole (microvia).

2.Espansione dell'area di isolamento: seguire la regola D1=D2+0,41 per ridurre l'effetto capacità.

3.Strategia di routing a strati: ridurre il numero di modifiche di livello e utilizzare il layout differenziale simmetrico quando necessario.

4.Priorità del pannello sottile: I PCB con spessore ≤1,6 mm possono ridurre i parametri parassiti di oltre 30%.

5.Ottimizzazione potenza/terra: praticare fori nelle vicinanze, lunghezza del cavo <0,5 mm, larghezza della linea ≥2 volte la linea del segnale.

6.Terra tramite array: posizionare i fori GND ogni 0,5 mm nell'area di cambio strato per accorciare il percorso di ritorno.

2. Processo di foratura posteriore: la soluzione definitiva per eliminare l'effetto moncone

1. Principio della tecnologia di perforazione posteriore e parametri del nucleo

La foratura posteriore (Back Drilling) rimuove i pilastri di rame inutilizzati (Stub) dei fori passanti mediante una foratura secondaria.

Gli indicatori tecnici chiave includono:

• Lunghezza residua dello stub (valore B): 50-150μm, per ogni aumento di 10μm del residuo, la perdita del segnale aumenta di 0,5dB a 10GHz.

• Tolleranza di apertura: ±0,05 mm, è richiesta una perforatrice CNC ad alta precisione.

• Controllo della profondità: utilizzando la tecnologia di rilevamento della microcorrente, la precisione del posizionamento raggiunge ±5μm.

Flusso di processo:

Foratura primaria → 2. Sigillatura galvanica → 3. Produzione del modello dello strato esterno → 4. Posizionamento della foratura posteriore → 5. Foratura secondaria → 6. Lavaggio con acqua e rimozione dei trucioli.

2. Quattro principali vantaggi della tecnologia di backdrilling

• Integrità del segnale migliorata:

•ridurre la riflessione e la risonanza：e ridurre il tasso di errore di bit (BER) a meno di 10⁻¹².

• Efficacia dei costi: sostituire i requisiti dei fori ciechi e interrati 50% e ridurre la complessità della laminazione.

• Soppressione EMI: riduce il rumore irradiato di 6-8 dB e supera la certificazione FCC Classe B.

• Dflessibilità di progettazione: supporta scenari ad altissima velocità come i moduli ottici PAM4 112G.

3. Casi applicativi industriali

• Stazione base di comunicazione:La scheda Huawei 5G AAU utilizza la tecnologia back drilling per controllare lo stub entro 80 μm e la perdita di inserzione è <0,3 dB/mm a 28 GHz.

• Centro dati:La scheda carrier GPU NVIDIA A100 è ottimizzata tramite backdrilling e la velocità del segnale PCIe 5.0 è aumentata a 32 GT/s.

• Aerospaziale:Il PCB del satellite Lockheed Martin utilizza materiali a bassa perdita e perforazione posteriore per garantire la stabilità del segnale anche a temperature estreme.

III. Verifica della simulazione e tendenze tecnologiche future

1. Simulazione guidata tramite ottimizzazione

• Raccomandazione sugli utensili:

• Ansys HFSS: analisi del campo elettromagnetico a onda intera dei parametri della via S e della distribuzione del campo;

• Cadence Sigrity: verifica della continuità dell'impedenza tramite riflessione nel dominio del tempo (TDR).

• Caso: un progetto DDR5 ha rilevato il clock tramite deviazione del ritardo tramite simulazione e il jitter è stato ridotto da 15 ps a 8 ps dopo l'ottimizzazione.

2. Frontiere e sfide tecnologiche

• Materiali ad altissima frequenza:La costante dielettrica (Dk) delle schede della serie Rogers RO4500 è pari a 3,0, il che può ridurre la capacità di 30%.

• Foratura posteriore laser: La precisione è stata migliorata a ±10μm, supportando l'elaborazione di aperture da 0,1 mm.

• Integrazione di imballaggi 3D: TSV tramite tecnologia Silicon Via combinata con la perforazione posteriore del PCB per ottenere un packaging integrato eterogeneo.

Riepilogo

Nell'era digitale ad alta velocità, la progettazione delle vie e il processo di back drilling sono le leve fondamentali per il progresso delle prestazioni dei PCB. Grazie al controllo accurato dei parametri parassiti, all'ottimizzazione della lunghezza degli stub e alla combinazione di strumenti di simulazione avanzati (come Keysight ADS), gli ingegneri possono risolvere i problemi di integrità del segnale di tecnologie all'avanguardia come 112G PAM4 e DDR6. In futuro, con l'innovazione dei materiali e gli aggiornamenti di processo (come SevenpcbaGrazie alla soluzione di foratura posteriore a livello nano, i PCB continueranno a evolversi verso frequenze più elevate e una maggiore integrazione.