Высокоскоростная разработка печатных плат и технология обратного сверления: основное решение для обеспечения целостности сигнала

Аннотация В областях связи 5G, серверов искусственного интеллекта и высокоскоростных центров обработки данных переходные отверстия на печатных платах (металлизированные отверстия) и технология обратного сверления (сверление с контролируемой глубиной) являются ключевыми технологиями для обеспечения целостности сигнала и надежности системы. В этой статье систематически анализируется стратегия оптимизации проектирования переходных отверстий в высокоскоростных печатных платах, основные принципы и технологический процесс технологии обратного сверления, а также объединяются отраслевые эталонные случаи и данные моделирования, чтобы предоставить инженерам полное руководство от теории к практике, помогая проектированию схем высокой плотности и высокой частоты преодолевать узкие места производительности.

1. Высокоскоростная печатная плата с конструкцией: от паразитных эффектов к стратегиям оптимизации

1. Электрические характеристики переходных отверстий и проблемы целостности сигнала

Как каналы межслойной связи многослойных печатных плат, переходные отверстия (Via) имеют паразитную емкость и паразитную индуктивность, которые существенно влияют на качество сигнала в высокочастотных сценариях:

• Формула паразитной емкости:

[ C = 1,41 \cdot \varepsilon_r \cdot T \cdot D_1 / (D_2 – D_1) ] Где (\varepsilon_r) — диэлектрическая проницаемость, (T) — толщина платы, (D_1) — диаметр контактной площадки, а (D_2) — диаметр области изоляции.

• Формула паразитной индуктивности:

[ L = 5.08h \left[ \ln(4h/d) + 1 \right] ] Длина отверстия (h) и апертура (d) напрямую влияют на значение индуктивности. Индуктивность отверстия 10mil может достигать 1.2nH на частоте 1GHz, что приводит к мутации импеданса.

Случай: В конструкции PCIe 4.0 длина заглушки переходного отверстия превысила 200 мил, что привело к закрытию глазка. С помощью обратного сверления заглушка была уменьшена до менее 50 мил, а отверстие глазка было увеличено на 40%.

2. Сравнение типов переходных отверстий и применимых сценариев

Тип	Конструктивные особенности	Преимущества	Ограничения
Сквозное отверстие	Проникает через всю доску	Низкая стоимость, простой процесс	Длинный шлейф, плохие высокочастотные характеристики
Глухое отверстие	Соединяет поверхностный слой и внутренний слой	Уменьшает количество пней, подходит для высокой плотности	Требуется лазерное сверление, высокая стоимость
Зарытая яма	Связь между внутренними слоями	Без заглушки, низкая потеря сигнала	Высокая сложность производства

3. Шесть золотых правил проектирования высокоскоростных переходных отверстий

1.Оптимизация размера:

• Общая конструкция: 0,25 мм/0,51 мм/0,91 мм (сверление/прокладка/зона изоляции);

• Плата высокой плотности: 0,20 мм/0,46 мм/0,86 мм, с технологией несквозных отверстий (микроотверстий).

2.Расширение зоны изоляции: следуйте правилу D1=D2+0,41, чтобы уменьшить эффект емкости.

3.Стратегия маршрутизации слоев: сократите количество смен слоев и при необходимости используйте дифференциальную симметричную компоновку переходных отверстий.

4.Приоритет тонкой платы: Печатные платы толщиной ≤1,6 мм могут снизить паразитные параметры более чем на 30%.

5.Оптимизация питания/заземления: просверлите отверстия поблизости, длина вывода <0,5 мм, ширина линии ≥2 раза больше сигнальной линии.

6.Заземление через массив: размещайте переходные отверстия GND через каждые 0,5 мм в области смены слоев, чтобы сократить обратный путь.

2. Процесс обратного сверления: оптимальное решение для устранения эффекта «заглушки»

1. Принцип технологии обратного бурения и параметры керна

Обратное сверление (обратное сверление) удаляет неиспользуемые медные столбики (заглушки) сквозных отверстий посредством вторичного сверления.

Ключевые технические индикаторы включают в себя:

• Остаточная длина заглушки (значение B): 50-150 мкм, на каждые 10 мкм увеличения остаточного значения потеря сигнала увеличивается на 0,5 дБ при 10 ГГц.

• Допуск апертуры: ±0,05 мм, требуется высокоточный сверлильный станок с ЧПУ.

• Контроль глубины: благодаря технологии микротокового зондирования точность позиционирования достигает ±5 мкм.

Поток процесса:

Первичное сверление → 2. Гальваническое уплотнение → 3. Изготовление шаблона внешнего слоя → 4. Позиционирование обратного сверления → 5. Вторичное сверление → 6. Промывка водой и удаление стружки.

2. Четыре основных преимущества технологии обратного бурения

• Улучшенная целостность сигнала:

•уменьшить отражение и резонанс：и снизить частоту ошибок по битам (BER) до уровня ниже 10⁻¹².

• Экономическая эффективность: заменить 50% требований к глухим и скрытым отверстиям и снизить сложность ламинирования.

• подавление электромагнитных помех: снижает излучаемый шум на 6–8 дБ и проходит сертификацию FCC класса B.

• Дгибкость дизайна: поддержка сверхскоростных сценариев, таких как оптические модули 112G PAM4.

3. Примеры применения в промышленности

• Базовая станция связи: Плата Huawei 5G AAU использует технологию обратного сверления для контроля шлейфа в пределах 80 мкм, а вносимые потери составляют <0,3 дБ/мм при 28 ГГц.

• Центр обработки данных: Плата-носитель графического процессора NVIDIA A100 оптимизирована путем обратного сверления, а скорость сигнала PCIe 5.0 увеличена до 32 ГТ/с.

• Аэрокосмическая промышленность: Спутниковая печатная плата Lockheed Martin использует сверление отверстий и материалы с низкими потерями для обеспечения стабильности сигнала при экстремальных температурах.

III. Проверка моделирования и будущие тенденции технологий

1. Моделирование посредством оптимизации

• Рекомендации по выбору инструмента:

• Ansys HFSS: Полноволновой анализ электромагнитного поля через S-параметры и распределение поля;

• Cadence Sigrity: проверка непрерывности импеданса с помощью отражения во временной области (TDR).

• Случай: конструкция DDR5 нашла тактовую частоту через отклонение задержки посредством моделирования, и джиттер был уменьшен с 15 пс до 8 пс после оптимизации.

2. Технологические границы и проблемы

• Сверхвысокочастотные материалы: Диэлектрическая проницаемость (Dk) плат серии Rogers RO4500 составляет всего 3,0, что позволяет снизить емкость переходного отверстия на 30%.

• Лазерное обратное сверление: Точность улучшена до ±10 мкм, поддерживается обработка апертуры 0,1 мм.

• Интеграция 3D-упаковки: Технология TSV через кремниевые отверстия в сочетании с обратной стороной печатной платы для достижения гетерогенной интегрированной упаковки.

Краткое содержание

В высокоскоростную цифровую эпоху проектирование переходных отверстий и процесс обратного сверления являются основными рычагами для прорывов в производительности печатных плат. Благодаря точному контролю паразитных параметров, оптимизации длины выводов и объединению передовых инструментов моделирования (таких как Keysight ADS), инженеры могут решить проблемы целостности сигнала передовых технологий, таких как 112G PAM4 и DDR6. В будущем, с инновационными материалами и модернизацией процессов (таких как Sevenpcba(решение для обратного сверления на наноуровне) печатные платы продолжат развиваться в сторону более высоких частот и более высокой интеграции.