Leiterplattentechnisch - Im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design, wie man negative Effekte vermeidet, die durch Durchgangslöcher verursacht werden

Zunächst das Grundkonzept des Lochs

Durchgangsloch (VIA) ist ein wichtiger Teil von mehrschichtigen Leiterplatten, und die Kosten für Bohrlöcher machen normalerweise 30% bis 40% der Kosten für die Leiterplattenherstellung aus. Einfach ausgedrückt kann jedes Loch auf einer Leiterplatte als Durchgangsloch bezeichnet werden. In Bezug auf die Funktion kann das Loch in zwei Kategorien unterteilt werden: eine wird für die elektrische Verbindung zwischen Schichten verwendet; Der andere wird zur Gerätefixierung oder Positionierung verwendet. Prozessbezogen werden diese Durchgangslöcher im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt, nämlich blind über, vergraben über und durch. Blindlöcher befinden sich auf der Ober- und Unterseite der PRINTED Leiterplatte und haben eine bestimmte Tiefe zum Verbinden der Oberflächenschaltung mit dem inneren Schaltkreis darunter. Die Tiefe der Löcher überschreitet in der Regel ein bestimmtes Verhältnis (Blende) nicht. Begrabene Löcher sind Verbindungslöcher in der inneren Schicht der Leiterplatte, die sich nicht bis zur Oberfläche der Leiterplatte erstrecken. Die beiden Arten von Löchern befinden sich in der inneren Schicht der Leiterplatte, die durch den Durchgangslochformprozess vor der Laminierung abgeschlossen wird, und mehrere innere Schichten können während der Bildung des Durchgangslochs überlappt werden.

Der dritte Typ, sogenannte Durchgangslöcher, verläuft durch die gesamte Leiterplatte und kann für interne Verbindungen oder als Montage- und Ortungslöcher für Bauteile verwendet werden. Da das Durchgangsloch im Prozess einfacher zu implementieren ist, sind die Kosten niedriger, so dass die meisten Leiterplatten verwendet werden, anstatt die anderen beiden Arten von Durchgangsloch. Die folgenden Durchgangslöcher gelten ohne besondere Erklärung als Durchgangslöcher. Aus Designsicht besteht ein Durchgangsloch hauptsächlich aus zwei Teilen, einer ist das Bohrloch in der Mitte und der andere ist der Pad-Bereich um das Bohrloch. Die Größe dieser beiden Teile bestimmt die Größe des Durchgangslochs. Offensichtlich möchte der Designer bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten mit hoher Dichte das Loch immer so klein wie möglich haben, diese Probe kann mehr Verdrahtungsraum hinterlassen, außerdem ist die eigene parasitäre Kapazität kleiner, besser geeignet für Hochgeschwindigkeitsschaltung. Aber die Lochgröße nimmt gleichzeitig ab, bringt die Kostensteigerung, und die Größe des Lochs kann nicht ohne Begrenzung reduziert werden, es wird durch Bohren (Bohren) und Plattieren (Plattieren) und andere Technologien begrenzt: Je kleiner das Loch, desto länger dauert es zu bohren, desto einfacher ist es, von der Mitte abzuweichen; Wenn die Tiefe des Lochs mehr als das 6-fache des Lochdurchmessers ist, ist es unmöglich, die gleichmäßige Kupferbeschichtung der Lochwand zu gewährleisten. Wenn beispielsweise die Dicke (Durchgangslochtiefe) einer normalen 6-Schicht-Leiterplatte 50Mil ist, kann der Leiterplattenhersteller unter normalen Bedingungen einen Lochdurchmesser von 8Mil bereitstellen. Mit der Entwicklung der Laserbohrtechnologie kann die Größe des Bohrens auch kleiner und kleiner sein. Im Allgemeinen ist der Durchmesser des Lochs kleiner oder gleich 6Mils, wir nennen es Mikroloch. Mikrolöcher werden häufig in HDI (High Density Interconnect Structure) Design verwendet. Die Microhole-Technologie ermöglicht es, das Loch direkt auf das Pad zu schlagen (VIA-in-Pad), was die Schaltungsleistung erheblich verbessert und Platz für die Verkabelung spart.

Das Durchgangsloch auf der Übertragungsleitung ist ein Bruchpunkt der Impedanzkonstinuität, die die Reflexion des Signals verursacht. Im Allgemeinen ist die äquivalente Impedanz des Durchgangslochs etwa 12% niedriger als die der Übertragungsleitung. Zum Beispiel verringert sich die Impedanz der 50ohm Übertragungsleitung um 6 ohm, wenn sie durch das Durchgangsloch geht (das Spezifische hängt mit der Größe des Durchgangslochs und der Plattendicke zusammen, nicht verringert). Allerdings ist die Reflexion, die durch die Unterbrechung der Impedanz durch das Loch verursacht wird, tatsächlich sehr klein, und ihr Reflexionskoeffizient ist nur:(44-50)/(44+50)=0.06. Die Probleme, die durch das Loch verursacht werden, konzentrieren sich mehr auf den Einfluss der parasitären Kapazität und Induktivität.

Parasitische Kapazität und Induktivität durch das Loch

Die parasitäre Streukapazität existiert im Loch selbst. Wenn der Durchmesser der Schweißwiderstandszone des Lochs auf der Legeschicht D2 ist, ist der Durchmesser des Schweißpads D1, die Dicke der Leiterplatte ist T, und die Dielektrizitätskonstante des Substrats ist ε, die parasitäre Kapazität des Lochs ist ungefähr C=1.41εTD1/(D2-D1).

Die Hauptwirkung der parasitären Kapazität auf die Schaltung besteht darin, die Signalanstiegszeit zu verlängern und die Schaltungsgeschwindigkeit zu reduzieren. Zum Beispiel für eine Leiterplatte mit einer Dicke von 50Mil, wenn der Durchmesser des Durchgangslochpads 20Mil ist (der Durchmesser des Bohrlochs 10Mils) und der Durchmesser des Lötblocks 40Mil ist, können wir die parasitäre Kapazität des Durchgangslochs durch die obige Formel approximieren: C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF Die Anstiegszeit, die durch den Kondensator verursacht wird, ist ungefähr: 0-90=2.2C(2/2=31x=3150).

Aus diesen Werten kann man sehen, dass, obwohl der Effekt der parasitären Kapazität eines einzelnen Lochs bei aufsteigender Verzögerung und Verlangsamung nicht offensichtlich ist, wenn mehrere Löcher für Schicht-zu-Schicht Schalten in der Verkabelung verwendet werden, mehrere Löcher verwendet werden und sorgfältig in der Konstruktion berücksichtigt werden sollten. Im praktischen Design kann die parasitäre Kapazität reduziert werden, indem der Abstand zwischen dem Loch und der Kupferverlegungszone (Anti-Pad) erhöht oder der Durchmesser des Pads verringert wird.

Bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ist die parasitäre Induktivität des Durchgangslochs schädlicher als die der parasitären Kapazität. Seine parasitäre Reiheninduktivität schwächt den Beitrag der Bypass-Kapazität und verringert die Filterwirkung des gesamten Stromsystems. Wir können einfach die parasitäre Induktivität einer Durchgangslochapproximation mit der folgenden empirischen Formel berechnen: L=5,08h[ln(4h/d)+1] wobei L die Induktivität des Durchgangslochs bezieht, h die Länge des Durchgangslochs und D der Durchmesser des zentralen Lochs ist. Aus der Gleichung kann man sehen, dass der Durchmesser des Lochs wenig Einfluss auf die Induktivität hat, aber die Länge des Lochs einen Einfluss auf die Induktivität hat. Anhand des obigen Beispiels kann die Induktivität aus dem Loch als L=5.08x0.050[ln(4x050/0.010)+1]= 1.015nh berechnet werden. Wenn die Signalanstiegszeit 1ns beträgt, dann ist die äquivalente Impedanzgröße XL=πL/T10-90=3.19 Ï­ Diese Impedanz kann bei Vorhandensein von Hochfrequenzstrom nicht ignoriert werden. Insbesondere muss der Bypass-Kondensator zwei Löcher durchlaufen, um die Versorgungsschicht mit der Formation zu verbinden, wodurch die parasitäre Induktivität des Lochs verdoppelt wird.

Drei, wie man das Loch benutzt

Durch die obige Analyse der parasitären Eigenschaften der Durchgangslöcher können wir sehen, dass im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design die scheinbar einfachen Durchgangslöcher oft große negative Auswirkungen auf das Schaltungsdesign haben. Um die negativen Auswirkungen der parasitären Wirkung des Lochs zu reduzieren, können wir versuchen, wie folgt in der Konstruktion zu tun:

1. Unter Berücksichtigung der Kosten und Signalqualität wird eine angemessene Lochgröße ausgewählt. Wenn nötig, sollten Sie verschiedene Löcher in Betracht ziehen. Zum Beispiel sollten Sie bei Strom- oder Erdungskabeln größere Größen verwenden, um die Impedanz zu reduzieren, und für die Signalverdrahtung kleinere Löcher verwenden. Wenn die Lochgröße abnimmt, steigen natürlich die entsprechenden Kosten.

2. Die beiden oben diskutierten Formeln zeigen, dass die Verwendung dünnerer Leiterplatten hilft, die beiden parasitären Parameter der Perforationen zu reduzieren.

3. Die Signalverdrahtung auf der Leiterplatte sollte nicht so weit wie möglich Schichten wechseln, das heißt, verwenden Sie keine unnötigen Löcher so weit wie möglich.

4. Die Stifte der Stromversorgung und des Bodens sollten in das nächste Loch gebohrt werden, und die Leitung zwischen dem Loch und den Stiften sollte so kurz wie möglich sein. Mehrere Durchgangslöcher können parallel betrachtet werden, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren.

5. Einige Erdlöcher werden in der Nähe der Signalschichtenlöcher platziert, um eine enge Schleife für das Signal bereitzustellen. Sie können sogar einige zusätzliche Erdlöcher in die Leiterplatte setzen.

6. Für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte mit höherer Dichte können Mikrolöcher in Betracht gezogen werden.