Signal and Power Integrity (Syllabus) – Starts on February 26th 2023 !! Hurry up to subscribe
via-stub ? back-drill ? blind-via ? מתי כן ? מתי לא ?
כתב דרור חביב
מרצה בכיר ל- Signal and Power Integrity
החלק שמעביר את הסיגנל בויאה משכבה אחת לשכבה אחרת נקרא ה- Thru-part של הויאה (איור 1). הסטאב הוא חלק בויאה שאיננו נדרש על מנת להעביר את הסיגנל משכבה לשכבה אך הוא קיים בחלק מסוגי הויאות כחלק מתהליך הייצור של הויאה כולה (איור 1).
אז איזה צרות הויאה-סטאב יכול לייצר ? כמו כל סטאב, בתדר הראשון (fr0) שבו אורך הסטאב יהיה שווה לרבע אורך-גל (צבירת פאזה של 90 מעלות) תיווצר התאבכות (רזוננס) שתגרום למרבית ההספק שמתקדם לויאה לחזור חזרה למשדר ולכן מעט מאוד הספק יעבור את הויאה לכיוון המקלט. תופעה זו תתרחש גם בתדרים שהם כפולות אי-זוגיות של fr0 אך התדר שבעיקר יעניין אותנו הוא fr0 כפי שנראה בהמשך. בפיתוח הנושא מוצאים כי fr0 = 1 / (4·TDS) כאשר TDS הינו זמן ההתפשטות בסטאב והוא תלוי בהרבה מאוד פרמטרים גיאומטריים של הסטאב כגון: אורך הסטאב, קוטר הקדח, non-functional pads, גודל אנטי-פד, מקדם דיאלקטרי, כמות המשטחים שהסטאב עובר במבנה שכבות וכו’… כך שכמובן ש TDS ו- fr0 אינם קבועים כלל אלא מאוד תלויים בפרמטרים של הסטאב וכן (לצערינו) לא ניתן לחשבם בצורה פשוטה. החדשות הטובות הם שכל כלי סימולציה שכולל ויאות, אפילו 2/2.5D , יחשב את TDS בלחיצת כפתור ובמהירות ברמת דיוק טובה. לדוגמא באיור 2 מוצג מודל 2.5D של הויאה מאיור 1, ובו TDS מחושב כ- 9 pS ולכן ניתן לחשב בפשטות ש- fr0 יתקבל בתדר של 1/(4·9pS) = 27.8 GHz . באיור 3 ניתן לראות את הפתרון של הויאה ב- 3D Full Wave Solver ושם נראה כי fr0 מתקבל בתדר של 28.4 GHz – מאוד קרוב לחישוב fr0 ב 2.5D !
הדרכים להיפטר מהשפעות ויאה -סטאב הם קודם כל במחשבה תחילה – איזה סיגנלים להוליך באיזו שיכבה. זה לעיתים יפתור את הבעיה וזה חינמי. במידה ולא אז ניתן לבצע קדיחה של הסטאב (back-drill) אבל תהליך זה מייקר את הכרטיס וכן מקטין את שטח העריכה ומגביל את מיקום הרכיבים. במידה וגם זה לא אפשרי אז נדרש לייצר blind או מיקרו-ויאה אך תהליכי ייצור אלו הם יקרים משמעותית.
אבל מתי נדרש באמת להשקיע משאבים של כסף, שטח עריכה, שטח רכיבים כדי להיפטר מהויאה-סטאב ומתי לא ? התשובה היא “כאשר תדר הרזוננס הראשון fr0 נמצא בתוך רוחב הסרט של הסיגנל” – כך שהתשובה תלויה גם בפרמטרים של הסטאב וגם ברוחב הסרט של הסיגנל ולכן לא ניתן לקבוע קריטריון אחיד וגורף. במידה ו- fr0 הוא בתדר בתוך רוחב הסרט של הסיגנל (BWsig) אז הוא יגרום לכך שחלק מההספק של הסיגנל לא יעבור את הויאה (יחזור למשדר), הסיגנל יפגע ויגרמו בעיות signal integrity. כיוון שהסטאב מתחיל להגדיל את ההספק שחוזר (ולהקטין את ההספק שעובר) עוד לפני fr0 נהוג לקחת בעולם הספרתי מרווח בטחון לפעולה תקינה כך ש:
BWsig < 0.5·fr0
( כאשר BWsig= 0.35/Tr,f ; ו– Tr,f הוא המינימאלי מבין זמן העליה/ירידה). בדוגמא של הויאה מאיור 1 ניתן יהיה להעביר סיגנל עם רוחב סרט של כ- 14 GHz עם השפעה מינימאלית של הסטאב על הסיגנל.
האם בזה תם תכנון הויאה ? לצערינו, ממש ממש לא…. בקצבים/תדרים מסויימים ה- Thru part של הויאה הופך מפולג ונדרש לתאם את האימפדנס המקומי שלו כך שיתאים לאימפדנס האופייני של קווי התמסורת שמתחברים לויאה (אפילו אם אפקט הסטאב בויאה זניח). תכנון זה נעשה בעזרת אופטימיזציה של הפרמטרים הגיאומטריים של הויאה ומבוצע הן במישור הזמן (TDR) והן במישור התדר (S parameters).
