Leiterplatte Blog - Parasitische Kapazität und parasitäre Induktivität von Leiterplattenverschlüssen

1. Via

Vias sind einer der wichtigsten Komponenten von mehrschichtigen Leiterplatte, und die Kosten der Bohrungen machen normalerweise 30% bis 40% der Kosten für Leiterplatte Produktion. Einfach ausgedrückt, Jedes Loch auf einer Leiterplatte kann als Via bezeichnet werden. Aus der Perspektive der Funktion, Durchkontaktierungen können in zwei Kategorien unterteilt werden: eine wird für die elektrische Verbindung zwischen Schichten verwendet; das andere dient der Gerätefixierung oder -positionierung. Prozessbezogen, Diese Vias sind im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt, nämlich blinde Durchkontaktierungen, vergrabene Durchkontaktierungen, und durch Vias. Blindlöcher befinden sich auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte, mit einer gewissen Tiefe, für den Anschluss des Oberflächenkreises und des darunterliegenden Innenkreises, and the depth of the hole usually does not exceed a certain ratio (diameter). Begrabene Durchkontaktierungen beziehen sich auf Verbindungslöcher in der inneren Schicht der Leiterplatte, die sich nicht auf die Oberfläche der Leiterplatte erstrecken. Die oben genannten beiden Arten von Löchern befinden sich in der inneren Schicht der Leiterplatte und werden durch den Durchgangslochformungsprozess vor der Laminierung vervollständigt. Während der Bildung des Durchgangslochs, mehrere innere Schichten überlappen können. Der dritte Typ wird Durchgangsloch genannt, das die gesamte Leiterplatte durchdringt und zur internen Verschaltung oder als Montageloch für Bauteile verwendet werden kann. Weil das Durchgangsloch im Prozess einfacher zu realisieren ist und die Kosten niedriger sind, Die meisten Leiterplatten verwenden es anstelle der anderen beiden Arten von Durchgangslöchern. Die unten genannten Durchgangslöcher gelten als Durchgangslöcher, sofern nicht anders angegeben. Aus gestalterischer Sicht, a via besteht hauptsächlich aus zwei Teilen, eins ist das mittlere Loch, und der andere ist der Pad Bereich um das Loch, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Die Größe dieser beiden Teile bestimmt die Größe der. Offensichtlich, in der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits- und High-Density Leiterplattes, Designer hoffen immer, dass je kleiner das Durchgangsloch ist, die bessere, so dass mehr Verdrahtungsraum auf der Platine gelassen werden kann. Darüber hinaus, je kleiner das Durchgangsloch, Je mehr parasitäre Kapazität für sich, desto kleiner ist sie, je besser es für Hochgeschwindigkeitsstrecken geeignet ist. Allerdings, die Verringerung der Lochgröße bringt auch eine Erhöhung der Kosten, und die Größe der Durchkontaktierungen kann nicht unbegrenzt reduziert werden. Sie wird durch Prozesstechnologien wie Bohren und Galvanisieren eingeschränkt: Je kleiner das Loch ist, je länger das Bohren dauert. Je länger es ist, Je einfacher es ist, von der Mittelposition abzuweichen; und wenn die Tiefe des Lochs 6-mal den Durchmesser des gebohrten Lochs übersteigt, Es kann nicht garantiert werden, dass die Lochwand gleichmäßig mit Kupfer beschichtet werden kann. Zum Beispiel, die Dicke einer normalen 6-Schicht Leiterplatte (through hole depth) is about 50Mil, so der Durchmesser des Lochs, der durch die Leiterplatte Hersteller ist sehr klein und kann nur 8Mil erreichen.

2. Parasitische Kapazität von Durchkontaktierungen

Das Loch selbst hat parasitäre Kapazität zum Boden. Wenn bekannt ist, dass der Durchmesser des Isolationslochs des Durchgangs auf der Bodenschicht D2 ist, ist der Durchmesser des Durchgangs D1, die Dicke der Leiterplatte ist T, und die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats ist ε, Dann ist die parasitäre Kapazität des Durchgangslochs ähnlich wie: C=1.41εTD1/(D2-D1) Der Haupteffekt der parasitären Kapazität des Durchgangslochs auf der Schaltung besteht darin, die Anstiegszeit des Signals zu verlängern und die Geschwindigkeit des Schaltkreises zu verringern. Zum Beispiel für eine Leiterplatte mit einer Dicke von 50Mil, wenn ein Durchgangsloch mit einem Innendurchmesser von 10Mil und einem Pad-Durchmesser von 20Mil verwendet wird und der Abstand zwischen dem Pad und dem Boden-Kupferbereich 32Mil ist, können wir das Durchgangsloch durch die obige Formel annähern. Die parasitäre Kapazität beträgt ungefähr: C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF, die Anstiegszeit durch diesen Teil der Kapazität ist: T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2 x0.517x(55/2)=31.28ps. Aus diesen Werten kann man sehen, dass der Effekt des verlangsamen Anstiegs, der durch die parasitäre Kapazität eines einzelnen Durchgangs verursacht wird, zwar nicht sehr offensichtlich ist, der Konstrukteur sorgfältig überlegen sollte, ob das Durchgang zum mehrmaligen Umschalten zwischen Schichten in der Leiterbahn verwendet wird.

3. Parasitische Induktivität von Vias

Ähnlich existiert die parasitäre Induktivität zusammen mit der parasitären Kapazität der Durchkontaktierungen. Bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ist der Schaden, der durch die parasitäre Induktivität von Durchkontaktierungen verursacht wird, oft größer als der Einfluss parasitärer Kapazität. Seine parasitäre Reiheninduktivität schwächt den Beitrag des Bypass-Kondensators und reduziert die Filterwirkung des gesamten Stromsystems. Der Durchmesser des Durchgangs hat wenig Einfluss auf die Induktivität, während die Länge des Durchgangs einen großen Einfluss auf die Induktivität hat. Anhand des obigen Beispiels kann die Induktivität des Durchgangs berechnet werden wie: L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010) 1]=1.015nH. Wenn die Anstiegszeit des Signals 1ns ist, dann ist seine äquivalente Impedanz XL=πL/T10-90=3.19Ω. Diese Impedanz kann nicht mehr ignoriert werden, wenn hochfrequente Ströme durchgehen. Besonderes Augenmerk sollte darauf gerichtet werden, dass der Bypass-Kondensator beim Verbinden der Versorgungsschicht und der Masseschicht zwei Durchgänge durchlaufen muss, damit die parasitäre Induktivität der Durchgänge multipliziert wird.

4. Über Design auf einer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte

Durch die obige Analyse der parasitären Eigenschaften von Durchkontaktierungen können wir sehen, dass beim Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten scheinbar einfache Durchkontaktierungen oft große negative Auswirkungen auf das SchaltungsDesign haben. Um die negativen Auswirkungen, die durch die parasitären Effekte von Vias verursacht werden, zu reduzieren, können Sie versuchen, so viel wie möglich im Design zu tun:

1) Unter Berücksichtigung der Kosten und der Signalqualität wählen Sie eine über die Größe einer angemessenen Größe. Zum Beispiel ist es für ein 6-10-Lagen-Speichermodul-Leiterplattendesign besser, 10/20Mil (Bohr-/Pad)-Durchgänge zu verwenden. Für einige kleine Boards mit hoher Dichte kannst du auch 8/18Mil verwenden. Vias. Unter aktuellen technischen Bedingungen ist es schwierig, kleinere Durchkontaktierungen zu verwenden. Bei Strom- oder Masseverbindungen sollten Sie größere Größen verwenden, um die Impedanz zu reduzieren.

2) Aus den beiden oben beschriebenen Formeln kann geschlossen werden, dass die Verwendung einer dünneren Leiterplatte vorteilhaft ist, um die beiden parasitären Parameter des Durchgangs zu reduzieren.

3) Versuchen Sie, die Schichten der Signalspuren auf der Leiterplatte nicht zu ändern, das heißt, versuchen Sie, keine unnötigen Durchkontaktierungen zu verwenden.

4) Die Stifte des Netzteils und der Masse sollten so nah wie möglich gebohrt werden. Je kürzer die Leitung zwischen der Via und dem Pin, desto besser, da sie die Induktivität erhöhen. Gleichzeitig sollten die Leitungen von Leistung und Masse so dick wie möglich sein, um die Impedanz zu reduzieren.

5) Place some grounded Durchkontaktierungen near the vias where the signal changes layers to provide a close return path for the signal. Es ist sogar möglich, einige redundante Masseverbindungen auf dem Leiterplatte in großen Stückzahlen. Natürlich, Flexibilität ist auch bei der Konstruktion gefragt. Das zuvor besprochene Via-Modell ist der Fall, wenn jede Schicht Pads hat, und manchmal, Wir können die Pads einiger Schichten reduzieren oder sogar entfernen. Besonders bei sehr hoher Durchgangsdichte, Es kann zur Bildung eines Leistungsschalters auf der Kupferschicht führen. Um dieses Problem zu lösen, zusätzlich zur Verschiebung der Position des Via, wir können auch erwägen, die Leiterplatte über die Kupferschicht. Die Padgröße wird reduziert.