Leiterplatte Blog - Wie man den negativen Effekt des Durchgangs im Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign vermeidet

1. Grundkonzept der

Durchgangsloch ist ein wichtiger Teil einer mehrschichtigen Leiterplatte, und die Bohrkosten machen normalerweise 30% bis 40% der Kosten der Leiterplattenherstellung aus. Kurz gesagt, jedes Loch auf einer Leiterplatte kann als Durchgangsloch bezeichnet werden. Aus der Perspektive der Funktion können Durchkontaktierungen in zwei Kategorien unterteilt werden: eine wird als elektrische Verbindung zwischen Schichten verwendet; Zweitens wird es zum Fixieren oder Positionieren von Vorrichtungen verwendet. In Bezug auf den Prozess werden diese Durchkontaktierungen im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt, nämlich blindes Loch, vergrabenes Loch und Durchgangsloch. Das tote Loch befindet sich auf der oberen und unteren Oberfläche der Leiterplatte und hat eine bestimmte Tiefe. Es wird verwendet, um die Oberflächenlinie und die untere innere Linie zu verbinden. Die Tiefe der Bohrung überschreitet in der Regel nicht ein bestimmtes Verhältnis (Blende). Eingebettetes Loch bezieht sich auf das Verbindungsloch in der inneren Schicht der Leiterplatte, das sich nicht bis zur Oberfläche der Leiterplatte erstreckt. Die beiden oben genannten Arten von Löchern befinden sich in der inneren Schicht der Leiterplatte. Vor der Laminierung wird das Durchgangslochformverfahren verwendet, um das Loch zu vervollständigen. Während des Lochbildungsprozesses können sich mehrere innere Schichten überlappen. Das dritte wird Durchgangsloch genannt, das die gesamte Leiterplatte durchläuft und für die interne Verbindung oder als Installations- und Positionierloch von Komponenten verwendet werden kann. Da das Durchgangsloch in der Technologie einfacher zu realisieren und kostengünstiger ist, verwenden die meisten Leiterplatten es anstelle der anderen beiden Arten von Durchgangsloch. Die folgenden Vias gelten, sofern nicht anders angegeben, als Durchgangsloch. Vom Design-Standpunkt aus besteht ein Durchgang hauptsächlich aus zwei Teilen: Einer ist das mittlere Bohrloch und der andere ist der Pad-Bereich um das Bohrloch. Die Größe dieser beiden Teile bestimmt die Größe der Vias. Natürlich hoffen Designer beim Entwerfen von Leiterplatten mit hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte immer, dass je kleiner die Durchkontaktierungen sind, desto besser, so dass mehr Verdrahtungsraum auf der Platine gelassen werden kann. Darüber hinaus ist je kleiner das Via, desto kleiner seine parasitäre Kapazität, die besser für Hochgeschwindigkeitsschaltungen geeignet ist. Die Verringerung der Lochgröße führt jedoch auch zu Kostensteigerungen, und die Größe der Durchkontaktierungen kann nicht unbegrenzt reduziert werden. Es ist durch Bohr- und Galvaniktechnologie begrenzt: Je kleiner das Loch, desto länger dauert die Bohrzeit und desto einfacher ist es, von der Mitte abzuweichen; Und wenn die Tiefe des Lochs das 6-fache des Bohrdurchmessers überschreitet, ist es unmöglich, sicherzustellen, dass die Lochwand gleichmäßig verkupfert werden kann. Wenn beispielsweise die Dicke (Durchgangslochtiefe) einer normalen 6-Schicht-Leiterplatte 50Mil beträgt, kann der Durchmesser des vom Leiterplattenhersteller bereitgestellten Lochs unter normalen Bedingungen nur 8Mil erreichen. Mit der Entwicklung der Laserbohrtechnologie kann die Größe des Bohrens auch kleiner und kleiner sein. Im Allgemeinen werden Vias mit einem Durchmesser von weniger oder gleich 6Mils als Mikroporen bezeichnet. Mikrolöcher werden häufig im HDI-Design (High-Density Interconnection Structure) verwendet. Die Microhole-Technologie ermöglicht es, Vias direkt auf Pads zu stanzen, was die Schaltungsleistung erheblich verbessert und Platz für die Verdrahtung spart. Die Durchkontaktierungen auf der Übertragungsleitung verhalten sich als Bruchpunkte mit diskontinuierlicher Impedanz, die Signalreflexion verursachen. Im Allgemeinen ist die äquivalente Impedanz der Durchkontaktierungen etwa 12% niedriger als die der Übertragungsleitungen. Zum Beispiel verringert sich die Impedanz einer 50-Ohm-Übertragungsleitung um 6-Ohm, wenn sie durch die Vias geht (speziell bezogen auf die Größe der Vias und die Dicke der Platten, nicht die Reduktion). Allerdings ist die Reflexion, die durch die diskontinuierliche Impedanz von Durchkontaktierungen verursacht wird, tatsächlich sehr gering, und ihr Reflexionskoeffizient ist nur (44-50)/(44+50)=0.06. Die Probleme, die durch Vias verursacht werden, konzentrieren sich stärker auf die Auswirkungen parasitärer Kapazität und Induktivität.

2. Parasitische Kapazität und Induktivität von

Es gibt parasitäre Streumapazitäten in der Via selbst. Wenn bekannt ist, dass der Durchmesser des Lötmaskenbereichs des Durchgangs auf dem Boden D2 ist, der Durchmesser des Durchgangs D1 ist, die Dicke der Leiterplatte T ist und die dielektrische Konstante des Leiterplattensubstrats ε ist, Dann ist die parasitäre Kapazität des Durchgangs ungefähr C=1.41 ε Die parasitäre Kapazität von TD1/(D2-D1) über beeinflusst hauptsächlich die Schaltung, indem sie die Signalanstiegszeit verlängert und die Schaltungsgeschwindigkeit verringert. Zum Beispiel für eine Leiterplatte mit einer Dicke von 50Mil, wenn der Durchgangspaddurchmesser 20Mil ist (Bohrdurchmesser 10Mils) und der Lötmaskenflächendurchmesser 40Mil ist, Wir können die parasitäre Kapazität des Vias ungefähr durch die obige Formel berechnen: C=1.41x4.4 x 0.050 x 0.020/(0.040-0.020)=0.31pF Die Anstiegszeit, die durch diesen Teil der Kapazität verursacht wird, beträgt ungefähr T10-90=2.2C (Z0/2)=2.2x0.31x (50/2)=17.05ps. Aus diesen Werten kann man sehen, dass der Effekt der Anstiegsverzögerung, die durch die parasitäre Kapazität eines Vias verursacht wird, nicht über eine einzelne ist. Es ist sehr offensichtlich, dass, wenn das Via für die Zwischenschichtschaltung für viele Male im Routing verwendet wird, mehrere Vias verwendet werden, die bei der Konstruktion sorgfältig berücksichtigt werden sollten. Im praktischen Design kann die parasitäre Kapazität verringert werden, indem der Abstand zwischen Durchgangs- und kupferplattierter Fläche erhöht oder der Durchmesser des Pads verringert wird. Parasitische Kapazität und Induktivität existieren in Vias. Beim Design von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen verursacht die parasitäre Induktivität von Durchkontaktierungen oft mehr Schaden als die parasitäre Kapazität. Seine parasitäre Reiheninduktivität schwächt den Beitrag des Bypass-Kondensators und die Filterwirkung des gesamten Stromversorgungssystems. Wir können die folgende empirische Formel verwenden, um einfach die ungefähre parasitäre Induktivität eines Via zu berechnen: L=5,08h [ln (4h/d)+1] wobei L die Induktivität des Via ist, h die Länge des Via und d der Durchmesser des zentralen Bohrlochs. Aus der Formel ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Durchgangs wenig Einfluss auf die Induktivität hat, während die Länge des Durchgangs wenig Einfluss auf die Induktivität hat. Anhand des obigen Beispiels kann berechnet werden, dass die Induktivität des Durchgangs ist: L=5.08x0.050 [ln (4x0.050/0.010)+1]=1.015nH Wenn die Anstiegszeit des Signals 1ns ist, ist die äquivalente Impedanz XL=π L/T10-90=3.19 Ω. Eine solche Impedanz kann nicht ignoriert werden, wenn Hochfrequenzstrom durchgeht. Insbesondere muss der Bypass-Kondensator beim Verbinden der Leistungsschicht und der Schicht zwei Durchgänge durchlaufen, so dass die parasitäre Induktivität der Durchgänge multipliziert wird.

3. Wie sind Vias anzuwenden?

Durch die obige Analyse der parasitären Eigenschaften von Durchkontaktierungen können wir sehen, dass scheinbar einfache Durchkontaktierungen im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design oft große negative Auswirkungen auf das Schaltungsdesign haben. Um die schädlichen Auswirkungen, die durch die parasitäre Wirkung von Vias verursacht werden, zu reduzieren, können folgende Maßnahmen im Design getroffen werden:

1) In Anbetracht der Kosten und Signalqualität wird die angemessene Größe der Durchkontaktierungen ausgewählt. Bei Bedarf können Sie Vias unterschiedlicher Größe verwenden. Zum Beispiel können Sie bei Stromversorgungs- oder Erdungskabeldurchgängen größere Größen verwenden, um die Impedanz zu reduzieren, während Sie für die Signalverdrahtung kleinere Durchgänge verwenden können. Mit der Reduzierung der Durchgangsgröße steigen natürlich die entsprechenden Kosten.

2) Aus den beiden oben besprochenen Formeln kann geschlossen werden, dass die Verwendung dünnerer PCB vorteilhaft ist, um die beiden parasitären Parameter von Vias zu reduzieren.

3) Die Signalverdrahtung auf der Leiterplatte soll die Schichten nicht so weit wie möglich verändern, das heißt, unnötige Durchkontaktierungen sollten nicht so viel wie möglich verwendet werden.

4) Die Stifte der Stromversorgung und der Masse müssen in der Nähe gestanzt werden, und die Leitung zwischen dem Durchgang und dem Stift muss so kurz wie möglich sein. Mehrere Durchgänge können parallel gebohrt werden, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren.

5) Platzieren Sie einige geerdete Durchkontaktierungen in der Nähe der Durchkontaktierungen für Signalschichtwechsel, um Nahschaltung für Signale bereitzustellen. Sie können sogar einige redundante Erdungsvias auf der Leiterplatte platzieren.

6) Für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten mit hoher Dichte können Mikrodurchgänge in Betracht gezogen werden.