Leiterplattentechnisch - Lass nicht zu, dass die Vias das ganze Board ruinieren

Via ist einer der wichtigsten Komponenten von Mehrschichtige Leiterplatte. Die Bohrkosten machen normalerweise 30% bis 40% der Kosten der Leiterplattenherstellung aus. Einfach ausgedrückt, Jedes Loch auf der Leiterplatte kann ein via aufgerufen werden.

Aus Funktionssicht lassen sich Vias in zwei Kategorien unterteilen:

Used as electrical connection between layers;
Used for fixing or positioning of devices;
In terms of process, these vias are generally divided into three categories:

Blind via
Buried via
Through via
Blind hole

It is located on the top and bottom surfaces of the Leiterplatte und hat eine gewisse Tiefe, das für die Verbindung des Oberflächenkreises und des darunterliegenden Innenkreises verwendet wird. The depth of the hole usually does not exceed a certain ratio (aperture).

Begrabenes Loch

Es 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.

Durchgangsloch

Diese Art von Bohrung durchdringt die gesamte Leiterplatte und kann für interne Verschaltung oder als Positionierloch für die Bauteilinstallation verwendet werden. 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 besteht ein via hauptsächlich aus zwei Teilen:

Drill hole
Pad area around the drill hole
The size of these two parts determines the size of the via. 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, je größer seine parasitäre Kapazität. Klein, besser geeignet für Hochgeschwindigkeitsstrukturen. 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, the thickness (through hole depth) of a normal 6-layer Leiterplatte ist etwa 50Mil, So kann der kleinste Bohrlochdurchmesser, den Leiterplattenhersteller bereitstellen können, 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) design. Microvia technology allows vias to be directly punched on the pad (Via-in-pad), Das verbessert die Schaltungsleistung erheblich und spart Verdrahtungsplatz.

Der Effekt von Durchkontaktierungen auf Signalübertragung: parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität

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.

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 ist und die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats ε ist, dann ist die parasitäre Kapazität des Durchgangs ungefähr wie folgt:

C=1.41*ε*T*D1/(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 (der Durchmesser des Lochs 10Mils) und der Durchmesser der Lötmaske 40Mil ist, können wir die Größe des Durchgangs mit der obigen Formel annähern.

C=1.41*4.4*0.050*0.020/(0.040-0.020) =0.31pF

Die Veränderung der Anstiegszeit, die durch diesen Teil der Kapazität verursacht wird, beträgt ungefähr:

T10-90 =2.2C(Z0/2) =2.2*0.31*(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=5,08*h*[ln(4*h/d)+1]

Unter ihnen: L bezieht sich auf die Induktivität des Durchgangslochs h ist die Länge des Durchgangslochs 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. Anhand des obigen Beispiels kann die Induktivität des Durchgangs wie folgt berechnet werden:

L=5.08*0.050*[ln(4x0.050/0.010)+1] =1.015nH

Wenn die Anstiegszeit des Signals 1ns ist, dann ist seine äquivalente Impedanz:

XL€L/T=6.37Ω

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.

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 negativen Auswirkungen der parasitären Effekte der Vias zu reduzieren, kann das Design so weit wie möglich durchgeführt werden: Wählen Sie unter Berücksichtigung der Kosten und Signalqualität eine angemessene Größe des Vias. Falls erforderlich, sollten Sie Vias unterschiedlicher Größe verwenden. Zum Beispiel für das 6-10-Schicht-Speichermodul PCB-Design:

Es ist besser, 10/20Mil (gebohrt/pad) Vias zu verwenden. Bei einigen Leiterplatten mit hoher Dichte können Sie auch 8/18Mil-Durchgänge verwenden. Unter aktuellen technischen Bedingungen ist es schwierig, kleinere Durchkontaktierungen zu verwenden. Bei Strom- oder Masseverbindungen können Sie erwägen, eine größere Größe zu verwenden, um die Impedanz zu reduzieren. Für Signalspuren können kleinere Durchkontaktierungen verwendet werden. Wenn die Größe des Durchgangs abnimmt, steigen natürlich die entsprechenden Kosten.

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.

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

Die Pins der Stromversorgung und der Masse sollten in der Nähe gestanzt werden, und die Leitungen zwischen den Vias und den Pins sollten so kurz wie möglich sein, da sie die Induktivität erhöhen. Gleichzeitig sollten die Strom- und Masseleitungen so dick wie möglich sein, um die Impedanz zu reduzieren. Erwägen Sie, mehrere Durchgänge parallel zu bohren, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren.

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.

For high-density Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten, Sie können die Verwendung von Micro Vias in Betracht ziehen.

Natürlich muss das Design flexibel sein. Das zuvor besprochene Via-Modell ist der Fall, wenn es Pads auf jeder Schicht gibt. Manchmal können wir die Pads einiger Schichten reduzieren oder sogar entfernen. Besonders wenn die Dichte der Durchkontaktierungen sehr hoch ist, kann dies zur Bildung einer Bruchnut führen, die die Schleife in der Kupferschicht trennt. Um dieses Problem zu lösen, können wir neben der Verschiebung der Position des Durchgangs auch erwägen, das Durchgangs auf der Kupferschicht zu platzieren. Die Padgröße wird reduziert.