如何設計抗Crosstalk能力強的PCB鍍穿孔

By | 14 2 月, 2022

一個高速PCB通道通常包含晶片SerDes IP、走線、穿層Via、連接器和Cable。其中內層走線對於Crosstalk影響甚微(請參考什麼?Stripline的FEXT為0!Why?),而Via與連接器由於其參考路徑較差的關係,所以耦合干擾比較嚴重。(Cable也不是沒有Crosstalk,只是種類繁雜,這邊先不提)

在PCB裡的Via是垂直結構,因為不像走線有完整的參考路徑,所以Crosstalk往往比較差。所以在系統層級SI設計流程裡,Via的模擬分析將會是第一要務。這邊會試著提出一些常見的結構,來探討一些Via設計的結果。(主要針對10Gbps以下的訊號,所以頻寬控制在20GHz)

Anti-Pad Design

AntiPad指的是訊號的Via為了閃過Power/GND plane避免短路所隔離出的區域,往往會利用隔離的尺寸控制Via的阻抗。不過其實這個尺寸也會影響Crosstalk,因為如果隔離區越大,會造成某些頻率的電磁波沒辦法被鎖在GND的範圍內。從結果來看,40mil的AntiPad造成12GHz這個頻帶有較大的共振,造成Crosstalk變大。

SG Ratio

所謂S:G ratio是指訊號via跟GND via的比例,GND via的數量直接決定了這個Via的頻寬以及抗干擾的能力。從結果來看,多了1個GND via,可以有效地將Crosstalk level從-40dB降到-60dB,總共少了20dB。其實-40dB是大多數FEXT的需求值,也就是說1V的輸入電壓,只會耦合10mV,這算是SI一個比較基本的criteria,所以其實如果是Crosstalk的角度來看,1:1的SG ratio在Anti-pad = 32mil的設計內,已經算是很可以了。

SG Ratio = 1:1GND Via位置相反

除了數量外,GND via的位置也相當重要,如果擺放位置不對也會影響其抗干擾效應。從結果來看,將Via反過來擺放,也就是倆倆訊號Via中間並沒有GND via的情形下,Crosstalk會較差,不過如果通道損耗控制得好,其實這個差值也還是可以被接受。

Via Spacing

我們都清楚解決Crosstalk的方法就是將干擾源移走或是拉遠,所以當Via spacing從90mil拉近至60mil時 (Transition via的正常spacing),Crosstalk就會變差,不過其實仔細看Crosstalk level還是低於-50dB!

結論

10Gbps以下的訊號,Via設計其實是相對較為簡單的,主因是這個頻段範圍,上升時間大概是30-40ps,對阻抗的感受較不明顯,因此不管SG ratio是1:1抑或是1:2,都還不會影響太多。從這些結果看起來,主要可以分成幾個結論:

  1. 在阻抗可接受之下,AntiPad越小對Crosstalk的抗干擾越好,越不容易發生某個頻段急劇增加的結果。
  2. GND via的數量直接影響了Crosstalk的能力,不過-40dB已經是很好的結果,是不是一定要用這麼多的GND via,這就取決於設計者如何抓系統的Margin。
  3. 倆倆訊號Via中間還是擺GND via好,不過如果遇到layout空間不足的情況,其實沒有擺在中間,也不會是個噩夢。
  4. Via spacing就算減至60mil,其Crosstalk level還是可以小於-50dB,代表10Gbps以下的訊號是不太需要擔心Via間距的。

 

P.S. 這些模擬分析並不包含Power integrity帶來的影響,且也還沒有探討為什麼會有那麼大的共振唷!