PCB Sinyal Bütünlüğü Stratejileri: Back Drilling ve Stub

Selamlar. Bugün yüksek frekans sinyallerin iletiminde önemli rol oynayan bir kavramdan bahsedeceğiz. Terimimiz Back Drilling işlemi olacak. Back Drilling işlemine konuyu yakınsarken arada farklı kavramları da açıklamamız gerekecek.

PCB yolu üzerindeki bir sinyali bir noktadan başka bir noktaya taşırken sinyal gürültü, crosstalk gibi istenmeyen etkilere maruz kalabilmektedir. İletim hatları üzerindeki sinyallerin frekansları arttıkça sinyalin üzerindeki etkiler ve çevreye olan etkiler artabilmektedir. Dolayısıyla iletim hatları üzerindeki sinyaller iyi kontrol edilmelidir. Dolayısıyla, tasarım ve üretim aşamasında bazı önlemler almamız gerekmektedir ki sinyal bütünlüğünü iyileştirebilelim, koruyabilelim.

Yüksek frekans sinyaller içeren PCB’ler genelde 4 ve üstü PCB bakır folyosu içermektedirler dolayısıyla 4 ve üstü katman olmaktadırlar. Bunun nedeni karakteristik empedansı belli olan sinyaller için referans düzlemini daha rahat oluşturabilmek ve empedans devamlılığını sağlayabilmektir. Bir diğer neden ise, bu tür PCB’ler genelde hat sayısı olarak yoğun olurlar ve genelde daha çok katmana ihtiyaç duyarlar. Tabi ki farklı türlerde iletim hattı konfigürasyonları vardır, farklı şekillerde de karakteristik empedans kontrolü sağlanabilir. Daha sonraki yazılarımda iletim hattı konfigürasyonları üzerine de bahsetmeyi planlamaktayım.

Yavaştan konumuza girelim. İlk önce stub kavramını işleyeceğiz.

STUB NEDİR ?

Stub’lar aslında istenmeyen, sonlandırılmamış bakır kalıntılarıdır. Stub’lar bir yol üzerinde olabilir, via üzerinde olabilir, çeşitli yerlerde olabilir. Ortak özellikleri sinyalin kalitesini negatif yönde etkilemeleridir. Bu yazıda via için geçerli olan stub’lardan bahsedeceğiz.

Bir örnek üzerinden gidelim, daha iyi anlaşılacağını düşünüyorum. 8 katmanlı bir PCB’miz olsun, sinyal yoğunluğu yüksek.

Yukarıdaki resimde coplanar microstrip konfigürasyonunda üst katmandan üst katmana giden iletim hatları görmekteyiz. BGA paket SoC’nin dış bacaklarından çıkıp rahat bir şekilde gitmeleri gereken yere ulaşabilmiş durumdalar. Üst katmanın bir alt katmanında yani 2. katmanda bu sinyaller için bir referans düzlemi bulunmakta ve PCB hammaddesinin cam elyaf sargısı boşluğundan dolayı oluşan empedans devamsızlıkları hesaba katılmazsa bu konfigürasyon ideale yakın olarak kabul edilebilir. Burada herhangi bir stub bulunmuyor. Stub kavramının anlaşılması için iyi örnekten kötü örneğe doğru devam ediyorum.

Yukarıdaki örnekte ise bir başka konfigürasyon görmekteyiz. BGA’nın dış tarafta konumlanan toplarından sinyalleri üst katmandan çıktık önceki örnekte fakat iç toplarına geçtikçe sinyalleri üst katmandan çıkmakta zorlanıyoruz ve via atmak durumunda kalıyoruz. Üst görselde de PCB’nin alt katmanına bakmaktayız. Görselin sol üst köşesinden görüleceği üzere BGA toplarının yanına via atıldı ve sinyaller PCB’nin alt katmanına geçildi. Dolayısıyla üst katmandan üst katmana gitmek yerine, üst katmandan alt katmana inildi, alt katmandan tekrar üst katmana çıkıldı ve sinyalin ulaşacağı noktaya ulaşıldı. Burada dikkat edilmesi gereken nokta sinyal via’dan geçerken sinyal hattının karakteristik empedansı ile örtüşüyor mu örtüşmüyor mu onu değerlendirmek. Eğer örtüşmüyor ise sinyal bütünlüğüne zarar verilecektir. Görselde gördüğümüz kartın da bir üst katmanında yani 7. katmanda yine bir referans düzlemi bulunmaktadır. Sinyal en alt katmandan ilerlerken karakteristik empedansın devamlılığını sağlamak için konumlandırılmıştır. Konumlandırılmaz ise yansımaya yol açıp sinyal bütünlüğünü negatif yönde etkiler. Bu örnekte de herhangi bir stub yoktur.

Gelelim stub örneğimize.

Üstteki görselde sol taraftaki konektörde 13. pini aydınlattım. Örneğimi bu sinyal üzerinden anlatacağım. Sinyal 13. pinden çıktıktan sonra direk via ile alt katmanlara alınıyor.

Üstteki görselde görülebileceği üzere sinyal PCB’nin 3. katmanına indiriliyor ve BGA paket SoC’ye doğru ilerliyor. İşte stub tam olarak bu noktada devreye giriyor.

Üstteki görselde aynı sinyal için yandan kesit bir görsel hazırladım. Gördüğünüz gibi sinyal 1. katmandan giriyor ve Through-Hole via’nın 3. katmanından çıkıyor. Via, Through-hole olduğundan dolayı via’nın kartın altına doğru giden alanı stub olarak adlandırılıyor.

Dolayısı ile via stub dediğimiz kalıntı sonlandırılmamış bir bakır parçadan oluşuyor. Bu da stub’ın olduğu alanda yansımaya sebep oluyor ve manyetik olarak istenmeyen bir gürültüye maruz kalıyoruz. Bu durum da bizim EMC performansımızı negatif yönde etkileyen bir durum oluşturuyor. Sinyal bütünlüğümüzü oldukça kötü bir şekilde etkiliyor. Sinyal frekansı arttıkça etkisi de artıyor. 

Buradan via stub’ın sinyal kalitesine ne kadar etki ettiğini anlayabiliriz. Back Drilling işlemini anlattıktan sonra da bazı simülasyon sonuçları paylaşacağım.

Stub’ı ortadan kaldırmak için back drilling işlemi uygulanmaktadır.

BACK DRILLING NEDİR ?

Back Drilling işlemi, Through Hole via’nın stub olan noktasının tersine delinerek sonlandırılmamış metal kısmının alınmasına denir.

Üstteki görselde via stub kalmış bir örnek görmekteyiz. Görselden de anlaşılacağı üzere via’nın çapını kapsayacak hatta annular ring’in çapını kapsayacak şekilde via matkap ucu ile delinmektedir. Bu işlemin sonucunda da stub ortadan kalkmaktadır.

Resimde ayrıca ilginç bir nokta görülmektedir. PCB üreticiler back drilling işlemi yaparken genellikle stub’ın tamamını almazlar. Çok küçük de olsa bir miktar kalmaktadır. Bu da esas sinyali etkileme kaygısından dolayı oluşmaktadır. Kalan ufak miktarda stub çok büyük bir etki yaratmamaktadır, en azından benim şuana kadar gördüğüm örneklerde 🙂

Peki, tamam. Akıllara bir soru gelmiş olabilir. Back Drilling yerine Blind Via kullanalım, blind via da bir sinyali dış katmandan iç katmana taşımak için kullanılmıyor mu ?

Blind via nedir bilmiyor iseniz önceki yazılarımda via konusunu okumanızı tavsiye ederim.

NEDEN BACK DRILLING DİYE BİR İŞLEM VAR BLIND VIA VARKEN ?

Cevap oldukça basit: Maliyet. PCB bakır folyoları ve prepregler birleştirilirken blind via’lar delinir ondan sonra birleştirilir. Dolayısıyla, sürecin ortasında ekstra bir işlem anlamına gelmektedir blind via’lar. Dolayısı ile maliyeti arttıran bir olgudur. Maliyet gözetildiğinde yüksek kapasitede bir üretim yapılacaksa Back Drill işlemi tercih edilmektedir çoğu zaman.

BACK DRILLING ETKİLERİ

Yazımın başlarında bazı simülasyon sonuçları paylaşacağımı söylemiştim. Birkaç makaleden bulduğum sonuçlar aşağıdadır.

Görselin görülebilirlik derecesi çok iyi olmasa da anlaşılabilmektedir (makalede de böyle idi). Bu görseli aldığım makalede çalışmaya yapan kişiler simülasyon yapıyor ve sinyalin kaybını ölçüyorlar. Görselden de görülebileceği üzere 2.4 GHz frekansından çıkan bir çizgi çekilmiş. Çalışmayı yapan kişiler Back Drilling işleminin 2.4 GHz’den ötesinde sorun yaratmaya başladığı sonucuna varmışlar.

Bir diğer görsel ise yukarıdadır. Farklı bir çalışmaya aittir. Bu çalışmada ise yaklaşık 1 GHz’den sonra sorun olduğu sonucuna varılmıştır. Bu iki çalışma arasında muhtemelen simülasyondaki parametreler farklıdır. Aynı şey elimizdeki somut PCB’ler için de geçerlidir. PCB’nin hammaddesi, örgü yüzdesi, dielektrik katsayısı, via’nın özellikleri gibi birçok özellik bu grafiklerdeki karakteristiği oldukça değiştirebilir.

Yukarıdaki görselde ise Back Drilling yapılmamış bir PCB’nin o bölgedeki manyetik alanının Back Drilling yapılmış bir PCB ile karşılaştırılması verilmiştir.

Bu yazıdan şu sonuç çıkmaktadır: İletim hatlarının frekansı gün geçtikçe artmaktadır çünkü teknoloji gelişmektedir ve daha fazla veri göndermeye ihtiyacımız olmaktadır. Dolayısı ile, iletim hatlarını düzenlerken nelerin sorun çıkarabileceğini bilip ona göre bir tedbir almalıyız. Görmekteyiz ki via’da kalan stub bile ne büyük etkiler yapabilmektedir.

Sonraki yazılarda görüşmek dileğiyle.