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你應(yīng)該在差動(dòng)對(duì)上滴淚珠嗎？
你應(yīng)該在差動(dòng)對(duì)上滴淚珠嗎？
影響PCBA可靠性的主要因素之一是在PCB的跡線上使用淚珠。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)。
為什么是淚珠？
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）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。
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。
向RF設(shè)計(jì)尋求智慧
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)?span>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，耦合取決于走線寬度和間距。
錐形速率：淚滴逐漸減小到通孔焊盤(pán)寬度的速率決定了線對(duì)中一條跡線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的奇模阻抗。
對(duì)于差分線對(duì)，這意味著您需要控制線對(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)：
錐度長(zhǎng)度
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€錐度的作用類似于高通濾波器，并且它具有一定的電氣長(zhǎng)度，如果與通孔正確匹配，超過(guò)該長(zhǎng)度它將充當(dāng)其自身的一小段傳輸線。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從50 Ohm走線逐漸變細(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)換的線性跡線錐形回波損耗頻譜。
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。
淚珠間距
差分對(duì)中的間距將部分決定該對(duì)中每條跡線的奇模阻抗。如果跡線彼此逐漸變細(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路由到通孔。
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），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。
設(shè)計(jì)規(guī)則
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
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！
可靠性不需要淚珠
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_?？煽啃运璧脑O(shè)計(jì)要求比您為2類或3類產(chǎn)品實(shí)施的要求更保守，并且它們部署在一些最惡劣的環(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。