Fuimos a una tienda de PCB y les preguntamos: “¿Pueden controlar la impedancia de la traza dentro de 10%?”. Nos responderían con toda confianza “¡No hay problema!” Si presionas un poco y pides 8%, puede que se lo piensen un momento y luego digan: “¡De acuerdo (para las capas internas)!” Si preguntas entonces: “¿Se puede controlar una vía a 10%?” el barquito de la amistad podría... ¡volcar!
La cuestión central: Tolerancia de impedancia de trazas frente a vías
Tanto las trazas como las vías conectan los chips transceptores. Entonces, ¿por qué las trazas pueden mantenerse a 10% y las vías no? Sabemos que las trazas tampoco son fáciles de controlar. Entre los factores que afectan a la impedancia de las trazas están el factor de grabado, el desplazamiento de capas y la rugosidad de la superficie. En el caso de las líneas microstrip, también influyen la máscara de soldadura y el grosor del cobre. Aun así, muchos fabricantes de placas pueden garantizar una tolerancia de impedancia de 10% o incluso 8% para las trazas. En cuanto a las vías, por lo que sé de las tiendas de placas, ninguna promete controlar la impedancia de la vía dentro de 10%. Esto significa que hay muchos factores en las vías que las tiendas de placas no pueden controlar, por lo que no pueden garantizarlo.
De qué trata este artículo
En este artículo presento en primer lugar dos procesos de la vía: el taladrado y el llenado de la vía. Mucha gente sabe que el taladrado es importante, pero ¿hasta qué punto afecta la tolerancia del taladrado al rendimiento de la vía? En cuanto al relleno, muchos piensan que rellenar una vía con resina o máscara de soldadura cambiará el rendimiento de la vía. Comprobaremos estos efectos mediante simulación.
1. El proceso de perforación y su impacto en el rendimiento de la vía
En primer lugar, la perforación. A menudo oímos dos nombres: tamaño del taladro y tamaño del agujero acabado. Si diseñamos un orificio de 8 mil en nuestro archivo de PCB, ¿cree que la fábrica utilizará una broca de 8 mil? Por supuesto que no. Una vía debe conectar trazas de diferentes capas. El orificio debe estar chapado de modo que el cobre pase verticalmente por él. Eso es cobre metalizado. De acuerdo con la norma IPC, el grosor del cobre metalizado tiene unos requisitos fijos, entre 18 µm y 20 µm. Por lo tanto, las fábricas garantizan que el orificio tenga un grosor de 8 mil después del chapado. Ese tamaño final es el agujero acabado. Eso significa que el tamaño original del taladro debe ser superior a 8 mil. ¿Cuánto más grande? ¿10 mil? ¿12 mil? Esta diferencia de tamaño tiene un gran efecto en el rendimiento de la vía.
De acuerdo con las reglas de tolerancia de taladrado de fábrica, un agujero acabado de 0,2 mm (8 mil) utilizará al menos una broca de 0,25 mm (10 mil). Si no se especifica un control más estricto, es posible que la fábrica utilice una broca de 0,3 mm (12 mil). Todo el mundo sabe que una broca más grande produce una impedancia más baja. Pero, ¿cuánto más baja? Nuestros resultados de simulación pueden demostrárselo.
La simulación muestra que las vías de 0,2 mm a 0,3 mm tienen una diferencia de impedancia de más de 5 ohmios.
Si nos fijamos en las pérdidas causadas por la vía, también podemos ver claras diferencias.
Para este proceso de taladrado de una sola vía, la tolerancia de mecanizado por sí sola puede causar más de una oscilación de 10%.
2. Relleno de vías: Simulación y resultados
Ahora sobre el relleno de la vía. Muchos amigos me preguntaron si rellenar una vía afecta al rendimiento de la vía. Yo les decía: “¡Ningún efecto! Ningún efecto”. Me creían, pero seguían teniendo dudas. Así que hice simulaciones para comprobarlo.
La siguiente imagen muestra los modelos de vías rellenas y sin rellenar. El color rojo indica que la vía está rellena de resina o máscara de soldadura.
Comparamos las pérdidas de retorno y de inserción de los dos casos. ¿Por qué sólo hay una línea? Porque las líneas se solapan. ¿Por qué se solapan? Porque no hay ningún efecto. Los resultados son los mismos.
Razón teórica: Por qué no importa el relleno
Cualquiera con algo de teoría de alta velocidad sabe que a mayor velocidad la señal muestra efecto piel. La señal fluye cerca de la pared exterior de la vía. Así que no importa qué dieléctrico está dentro de la vía, el campo electromagnético entre la señal y la referencia no se envuelve en el interior. Si no hay campo en el interior, entonces el material dentro de la vía no tendrá ningún efecto.
