Leiterplattentechnisch - Einfluss des Durchgangs im Multilayer PCB Design auf die hochfrequente Signalübertragung

1. Das Grundkonzept der Vias

Via ist einer der wichtigsten Komponenten von Mehrschichtige Leiterplatte, und die Kosten des Bohrens machen normalerweise 30% bis 40% der Kosten der Leiterplattenherstellung aus. Einfach ausgedrückt, Jedes Loch auf der Leiterplatte kann ein via aufgerufen werden. Aus der Sicht der Funktion, Durchkontaktierungen können in zwei Kategorien unterteilt werden: eine wird für elektrische Verbindungen zwischen Schichten verwendet; das andere dient zur Befestigung oder Positionierung von Vorrichtungen. Prozessbezogen, Diese Vias sind im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt, nämlich blinde Durchkontaktierungen, vergrabene Durchkontaktierungen und Durchkontaktierungen. Blind Vias befinden sich auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte und eine gewisse Tiefe haben.

Sie werden verwendet, um die Oberflächenlinie und die darunterliegende innere Linie zu verbinden. Die Tiefe der Bohrung überschreitet in der Regel nicht ein bestimmtes Verhältnis (Blende). Begrabenes Loch bezieht sich auf das Verbindungsloch in der inneren Schicht der Leiterplatte, das sich nicht bis zur Oberfläche der Leiterplatte erstreckt. Die oben genannten beiden Arten von Bohrungen befinden sich in der inneren Schicht der Leiterplatte und werden vor dem Laminieren durch einen Durchgangslochformungsprozess vervollständigt, und während der Bildung des Durchgangs können mehrere innere Schichten überlappt werden.

Der dritte Typ wird als Durchgangsloch bezeichnet, das die gesamte Leiterplatte durchdringt und für die interne Verschaltung oder als Positionierloch für die Bauteilmontage verwendet werden kann. Da das Durchgangsloch im Prozess einfacher zu implementieren ist und die Kosten niedriger sind, verwenden die meisten Leiterplatten es anstelle der anderen beiden Arten von Durchgangslöchern. Die folgenden Durchgangslöcher gelten, sofern nicht anders angegeben, als Durchgangslöcher.

Aus gestalterischer Sicht, a via besteht hauptsächlich aus zwei Teilen, eins ist das Bohrloch in der Mitte, und der andere ist der Pad Bereich um das Bohrloch. Die Größe dieser beiden Teile bestimmt die Größe der. Offensichtlich, in Hochgeschwindigkeit, Leiterplatte mit hoher Dichte Design, 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, die parasitäre Kapazität der eigenen. Je kleiner es ist, je besser es für Hochgeschwindigkeitsstrecken geeignet ist. Allerdings, die Verringerung der Lochgröße führt auch zu einer Erhöhung der Kosten, und die Größe der Durchkontaktierungen kann nicht unbegrenzt reduziert werden. Sie wird durch Prozesstechnologien wie Bohren und Beschichten eingeschränkt: Je kleiner das Loch ist, Je mehr Bohrungen Je länger das Loch dauert, 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, wenn die Dicke einer normalen 6-lagige Leiterplatte(through hole depth) is 50Mil, dann unter normalen Bedingungen, Der minimale Bohrdurchmesser, den der Leiterplattenhersteller bereitstellen kann, kann nur 8Mil erreichen. Mit der Entwicklung der Laserbohrtechnik, Die Größe des Lochs kann kleiner und kleiner sein. Allgemein, Ein Durchgang mit einem Durchmesser kleiner oder gleich 6Mils wird Mikroloch genannt. Microvias are often used in HDI (High Density Interconnect Structure) Designs. Microvia technology allows vias to be directly punched on the pad (Via-in-pad), Das verbessert die Schaltungsleistung erheblich und spart Verdrahtungsplatz.

Vias erscheinen als Breakpoints mit diskontinuierlicher Impedanz auf der Übertragungsleitung, die Signalreflexionen verursachen. Im Allgemeinen ist die äquivalente Impedanz des Durchgangs etwa 12% niedriger als die der Übertragungsleitung. Zum Beispiel verringert sich die Impedanz einer 50-Ohm-Übertragungsleitung um 6-Ohm beim Durchfahren des Durchgangs (insbesondere hängt sie von der Größe und Dicke des Durchgangs ab, nicht von einer absoluten Reduktion). Allerdings ist die Reflexion durch die diskontinuierliche Impedanz des Durchgangs eigentlich sehr gering. Der Reflexionskoeffizient beträgt nur: (44-50)/(44+50)=0.06. Die Probleme, die durch die Via verursacht werden, konzentrieren sich eher auf die parasitäre Kapazität und Induktivität. Aufprall.

2, die parasitäre Kapazität und Induktivität des

Die Via selbst hat parasitäre Streumapazitäten. Wenn bekannt ist, dass der Durchmesser der Lötmaske auf der Bodenschicht des Durchgangs D2 ist, der Durchmesser des Durchgangs D1 ist, die Dicke der Leiterplatte T und die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats ε ist, ist die parasitäre Kapazität des Durchgangs ungefähr: C=1.41εTD1/(D2-D1)

Der Haupteffekt der parasitären Kapazität des Durchgangs auf der Schaltung besteht darin, die Anstiegszeit des Signals zu verlängern und die Geschwindigkeit der Schaltung zu verringern. Zum Beispiel für eine Leiterplatte mit einer Dicke von 50Mil, wenn der Durchmesser des Durchgangspads 20Mil ist (Bohrdurchmesser 10Mils) und der Durchmesser der Lötmaske 40Mil ist, Die parasitäre Kapazität ist ungefähr: C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF Die Anstiegszeit, die durch diesen Teil der Kapazität verursacht wird, ist ungefähr: T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0 .31x(50/2)=17.05ps

Aus diesen Werten kann man sehen, dass, obwohl die Wirkung der Anstiegsverzögerung, die durch die parasitäre Kapazität eines einzelnen Durchgangs verursacht wird, nicht sehr offensichtlich ist, wenn das Durchgang mehrfach in der Leiterbahn zum Umschalten zwischen Schichten verwendet wird, mehrere Durchgänge verwendet werden. Das Design muss sorgfältig geprüft werden. Im eigentlichen Design kann die parasitäre Kapazität durch Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Durchgangs- und dem Kupferbereich (Anti-Pad) oder Verringerung des Durchmessers des Pads verringert werden.

Parasitische Kapazitäten existieren sowohl in Vias als auch in parasitären Induktivitäten. Bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ist der Schaden, der durch die parasitären Induktivitäten von Durchkontaktierungen verursacht wird, oft größer als der Einfluss parasitärer Kapazitäten. Seine parasitäre Reiheninduktivität schwächt den Beitrag des Bypass-Kondensators und schwächt die Filterwirkung des gesamten Stromsystems. Wir können die folgende empirische Formel verwenden, um einfach die parasitäre Induktivität eines Via zu berechnen: L=5.08h[ln(4h/d)+1] wobei L die Induktivität des Via bezieht, h die Länge des Via und d ist Der Durchmesser des Mittellochs. Aus der Formel ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Durchgangs einen geringen Einfluss auf die Induktivität hat und die Länge des Durchgangs den größten Einfluss auf die Induktivität hat. Nach wie vor 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 Es ist: XL=πL/T10-90=3.19Ω. Eine solche Impedanz kann nicht mehr ignoriert werden, wenn Hochfrequenzströme passieren. Besonderes Augenmerk sollte darauf gelegt werden, dass der Bypass-Kondensator beim Verbinden der Leistungsebene und der Masseebene zwei Durchgänge durchlaufen muss, damit die parasitäre Induktivität der Durchgänge exponentiell zunimmt.

3, wie man Vias verwendet

Durch die obige Analyse der parasitären Eigenschaften von Vias, das sehen wir in Hochgeschwindigkeits-PCB design, Scheinbar einfache Durchkontaktierungen bringen oft große negative Auswirkungen auf das Schaltungsdesign. Um die negativen Auswirkungen der parasitären Effekte der Vias zu reduzieren, Im Design kann folgendes getan werden:

1.Berücksichtigen Sie sowohl Kosten als auch Signalqualität, wählen Sie eine angemessene Größe über Größe. Bei Bedarf können Sie verschiedene Durchgangsgrößen in Betracht ziehen. Zum Beispiel können Sie bei Strom- oder Masseverschlüssen eine größere Größe zur Reduzierung der Impedanz in Betracht ziehen, und für Signalspuren kleinere Durchschlüsse. Wenn die Größe des Durchgangs abnimmt, steigen natürlich die entsprechenden Kosten.

2. Die beiden oben diskutierten Formeln können geschlossen werden, dass die Verwendung einer dünneren Leiterplatte vorteilhaft ist, um die beiden parasitären Parameter des Durchgangs zu reduzieren.

3. Versuchen Sie nicht, die Schichten der Signalspuren auf dem Leiterplatte, das ist, Versuchen Sie, keine unnötigen Vias zu verwenden.

4. Die Pins der Stromversorgung und des Bodens sollten in der Nähe gebohrt werden, und die Leitung zwischen dem Durchgang und dem Stift sollte so kurz wie möglich sein. Erwägen Sie, mehrere Durchgänge parallel zu bohren, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren.

5. Platzieren Sie einige geerdete Durchkontaktierungen in der Nähe der Durchkontaktierungen der Signalwechselschicht, um den nächsten Rückweg für das Signal bereitzustellen. Sie können sogar einige redundante Masseverschlüsse auf der Leiterplatte platzieren.

6. Für hohe Dichte Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten, Sie können die Verwendung von Micro Vias in Betracht ziehen.