沒(méi)想到啊，差分線(xiàn)上的自動(dòng)淚滴還有這樣的講究

影響 PCBA 可靠性的主要因素之一是在 PCB 的跡線(xiàn)上使用淚珠。淚珠非常有用，一些制造商可能需要在他們制造的 III 類(lèi)產(chǎn)品中使用淚珠，目的是在鉆孔上擴(kuò)展環(huán)形圈。與可靠性的許多方面一樣，這些考慮因素也涉及信號(hào)完整性領(lǐng)域，尤其是當(dāng)可靠性更高的產(chǎn)品需要更大的數(shù)據(jù)處理能力并以更高的速度運(yùn)行時(shí)。

因?yàn)楦咚俳涌谑褂貌罘謱?duì)運(yùn)行，自然會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題是：

• 你應(yīng)該在差分對(duì)上使用淚珠嗎？

這是我們最近的播客嘉賓之一馬里奧·斯特拉諾（Mario Strano）向我提出的問(wèn)題。這是高速設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)闇I珠本質(zhì)上會(huì)在通孔的輸入端引入輸入阻抗偏差。從概念上講，我認(rèn)為這是一個(gè)很好的問(wèn)題，因?yàn)?PCB 淚珠對(duì)可靠性很重要，它反映了對(duì)淚珠可以改變阻抗的認(rèn)識(shí)。在本文中，我將分解在差分對(duì)上使用淚珠時(shí)存在的問(wèn)題以及這些問(wèn)題如何影響阻抗。

首先，我認(rèn)為重要的是要記住為什么淚珠可能會(huì)放置在差分對(duì)（或任何其他走線(xiàn)）上被路由到通孔中。在制造過(guò)程中，當(dāng)為通孔或其他 NPTH/安裝孔鉆孔時(shí)，鉆頭可能會(huì)在鉆孔命中之間徘徊并稍微錯(cuò)過(guò)其鉆孔目標(biāo)。如果有很多漂移，鉆頭可能會(huì)從通孔中切斷連接跡線(xiàn)或焊盤(pán)，這可能會(huì)在電鍍后留下開(kāi)路連接。

可以使用淚珠來(lái)幫助防止任何可能切斷連接到通孔焊盤(pán)的走線(xiàn)的突破。這里的想法是提供一些額外的銅，以幫助防止在制造過(guò)程中鉆孔的痕跡突破。

淚珠添加到 PCB 中的跡線(xiàn)。

一些 IPC Class 3 制造商會(huì)推薦淚珠，但這會(huì)帶來(lái)高速接口上的信號(hào)完整性問(wèn)題。這些元素如何影響高速信號(hào)，尤其是差分對(duì)？這個(gè)問(wèn)題很重要，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)高速接口使用差分信號(hào)，并且更多高可靠性產(chǎn)品正在采用這些協(xié)議。

信不信由你，我們可以再次從 RF PCB 設(shè)計(jì)實(shí)踐中尋求指導(dǎo)。我們?cè)谶@些差分跡線(xiàn)上有一個(gè)錐形部分，RF 工程師經(jīng)常使用它來(lái)匹配阻抗。事實(shí)上，錐形被用作從微帶到襯底集成波導(dǎo) (SIW) 和接地共面波導(dǎo)的過(guò)渡元件。這些元件提供的阻抗匹配可以是寬帶的，并在具有中等帶寬的射頻信號(hào)的諧振之間提供非常一致的相位響應(yīng)。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)，在檢查淚滴如何影響高速信號(hào)時(shí)，我們必須考慮三個(gè)挑戰(zhàn)：

• 帶寬：所有數(shù)字信號(hào)都有很寬的帶寬（理論上是無(wú)限的）；通道需要將頻率傳輸?shù)?Nyquist 頻率限制。

• 耦合：對(duì)于差分對(duì)，我們有一對(duì)耦合錐度，而不僅僅是一個(gè)單獨(dú)的錐度，耦合取決于走線(xiàn)寬度和間距。

• 錐形速率：淚滴逐漸變細(xì)到通孔焊盤(pán)寬度的速率決定了線(xiàn)對(duì)中一條跡線(xiàn)的單端阻抗變化的速率，從而決定了差分阻抗的變化速率。

• 錐形輪廓：淚珠輪廓是線(xiàn)性的還是彎曲的？這對(duì)于阻抗匹配和傳播也很重要。

由于這三點(diǎn)，要盡量減少淚滴對(duì)差分對(duì)的影響，需要選擇合適的錐度寬度和長(zhǎng)度。但是，由于逐漸變細(xì)到更大的寬度會(huì)降低走線(xiàn)阻抗，因此您需要確保進(jìn)入過(guò)孔的輸入阻抗（僅在高頻下有效）低于錐形之前輸入走線(xiàn)的奇模阻抗。

對(duì)于差分線(xiàn)對(duì)，這意味著您需要控制線(xiàn)對(duì)之間的間距以及沿淚珠的錐度/長(zhǎng)度。讓我們看一下這些要點(diǎn)：

接下來(lái)，我們應(yīng)該問(wèn)，淚珠應(yīng)該使用什么錐度長(zhǎng)度？再次，讓我們回到帶有錐度匹配部分的射頻系統(tǒng)。如果您需要具有一致回波損耗且在高帶寬下沒(méi)有諧振行為的匹配阻抗，則錐度需要提供平滑的阻抗轉(zhuǎn)換，直至達(dá)到所需的帶寬限制。這些錐形的帶寬限制由相變定義，以特定諧振頻率處的相長(zhǎng)干涉為標(biāo)志（見(jiàn)下文）。

為什么要限制帶寬？這是因?yàn)樽呔€(xiàn)錐度就像一個(gè)高通濾波器，并且它具有一定的電氣長(zhǎng)度，如果與通孔正確匹配，它將像它自己的一小段傳輸線(xiàn)一樣工作。我們可以通過(guò)（再次）從一般的錐度中獲得一些見(jiàn)解來(lái)看到錐度在哪里成為帶寬限制。下面的示例顯示了微帶走線(xiàn)從 50 Ohm 走線(xiàn)逐漸變細(xì)到 40 Ohm 輸出，并在 Rogers 3003 電介質(zhì)上帶有淚珠。我們可以立即看到，當(dāng)錐度變小時(shí)，帶寬限制會(huì)擴(kuò)展到更高的頻率。

用于 50 至 40 歐姆轉(zhuǎn)換的線(xiàn)性跡線(xiàn)錐形回波損耗頻譜。

我們只能在特定頻率下完美匹配，但在中頻范圍內(nèi)，回波損耗頻譜是平坦的。以上還假設(shè)錐度的輸出側(cè)與過(guò)孔完美匹配，但情況可能并非如此。如果是這樣，回波損耗會(huì)有所不同，并且將受較低頻率下通孔輸入處的反射系數(shù)支配。

確定輸入阻抗的解析表達(dá)式作為淚滴中錐度率的函數(shù)是我將在該主題的第二部分中研究的內(nèi)容，因此我將其保存以備后用，因?yàn)樗档脝为?dú)寫(xiě)一篇文章。

差分對(duì)中的間距將部分決定該對(duì)中每條跡線(xiàn)的奇模阻抗。如果跡線(xiàn)彼此逐漸變細(xì)，則淚滴區(qū)域之間減小的間距會(huì)進(jìn)一步降低通向通孔的阻抗。對(duì)輸入阻抗（以及因此的 S 參數(shù)和通道順應(yīng)性）的影響將受到間距和錐度長(zhǎng)度以及錐度角度的影響。

差分對(duì)上的淚滴之間的間距走線(xiàn)到通孔。

如果間距已經(jīng)很大，并且您將淚珠應(yīng)用于差分對(duì)而不傾斜它們，則會(huì)出現(xiàn)大于正常的奇模阻抗偏差，因?yàn)殚g距沿錐度的長(zhǎng)度減小。單端阻抗已經(jīng)沿錐體長(zhǎng)度減小，但沿錐體長(zhǎng)度的較小間距將進(jìn)一步降低阻抗。

如果您設(shè)計(jì)的差分對(duì)沒(méi)有太小的間距（右側(cè)），并且在您的對(duì)下方使用了薄電介質(zhì)（特別是對(duì)于微帶線(xiàn)），那么在一對(duì)差分過(guò)孔處應(yīng)用淚珠不會(huì)對(duì)阻抗。阻抗已經(jīng)被接地的存在所支配。然后，如果您調(diào)整走線(xiàn)的角度，您會(huì)看到與查看通孔對(duì)的差分阻抗相比，阻抗偏差較小。

基于上面列出的幾點(diǎn)，我們得出以下差分對(duì)淚滴的結(jié)果：

• 更大的信號(hào)帶寬將需要更小的淚滴錐形距離

• 嘗試將淚珠部分傾斜以保持邊緣到邊緣的間距不變

• 最終寬度應(yīng)與差分過(guò)孔的輸入阻抗匹配

• 如果可能，淚滴區(qū)域應(yīng)在通孔對(duì)的輸入和輸出處對(duì)稱(chēng)

不幸的是，在第 3 點(diǎn)中聲明“應(yīng)該匹配差分過(guò)孔/焊盤(pán)的輸入阻抗”說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。我知道只有一種方法可以為差分通孔阻抗計(jì)算提供任何級(jí)別的精度，它從計(jì)算通過(guò)一對(duì)差分通孔的傳播延遲開(kāi)始。大多數(shù)單端通過(guò)阻抗計(jì)算器是完全不準(zhǔn)確的，并且不會(huì)產(chǎn)生任何與 TDR 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配的結(jié)果，因此從那里開(kāi)始是沒(méi)有意義的。此外，大多數(shù)通過(guò)阻抗計(jì)算器不是基于寬帶模型，因此它們不會(huì)考慮傳播和模式激勵(lì)，因此它們不會(huì)產(chǎn)生在高頻下準(zhǔn)確的結(jié)果，而這正是您需要高速信號(hào)精度的地方！

盡管通常建議使用淚珠來(lái)確保可靠性，并且一些制造商原則上會(huì)推薦它們用于任何 3 類(lèi)產(chǎn)品，但它們并不是可靠性所必需的。例如，在 OpenVPX背板中，您不會(huì)看到任何對(duì)淚珠的要求，而且我從未被要求將它們添加到這些背板之一（3U 或 6U）中。我提出了這個(gè)特殊的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠浯_保可靠性所需的設(shè)計(jì)要求比您為 2 類(lèi)或 3 類(lèi)產(chǎn)品實(shí)施的要求更為保守，并且它們部署在一些最?lèi)毫拥沫h(huán)境（軍用航空）中。

就淚滴評(píng)估而言，可以使用模擬來(lái)確定錐度長(zhǎng)度和錐度率何時(shí)太小/太大，以至于它們開(kāi)始影響信號(hào)行為。要檢查的關(guān)鍵指標(biāo)是查看互連淚滴部分的 S 參數(shù)，特別是查看 S11（回波損耗）以確定是否存在不可接受的阻抗偏差。一些專(zhuān)門(mén)的電磁求解器（HFSS、SIwave、Simbeor）將半自動(dòng)計(jì)算 S11，并將淚珠應(yīng)用于跡線(xiàn)。