Leiterplattentechnisch - Der Effekt von PCB durch Loch auf Signalübertragung

Durchgangsloch ist eine der wichtigen Komponenten von mehrschichtigen Leiterplatten, und die Kosten für Bohrlöcher machen normalerweise 30% bis 40% der Leiterplattenherstellungskosten aus. Einfach ausgedrückt kann jedes Loch auf einer Leiterplatte als Durchgangsloch bezeichnet werden.

Der Effekt von PCB durch Loch auf Signalübertragung

Durchgangsloch (VIA) ist ein wichtiger Teil der mehrschichtigen Leiterplatte, und die Kosten für das Bohren von Löchern 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, genannt Durchgangslöcher, verläuft durch die gesamte Leiterplatte und kann für interne Verbindungen oder als Montage- und Lokalisierungslöcher für Komponenten 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.

Eine parasitäre Kapazität durch das Loch

Das Durchgangsloch selbst hat parasitäre Kapazität zum Boden. Wenn der Durchmesser des Isolationslochs auf der Pflasterschicht D2 ist, ist der Durchmesser des Durchgangslochs D1, die Dicke der Leiterplatte T und die Dielektrizitätskonstante des Substrats ε ist, ist die parasitäre Kapazität des Durchgangslochs ungefähr wie folgt: Die parasitäre Kapazität des C=1.41εTD1/ (d2-D1) Lochs 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 Innendurchmesser des Lochs 10Mil ist, der Durchmesser des Pads 20Mil und der Abstand zwischen dem Pad und dem Kupferboden 32Mil ist, können wir die parasitäre Kapazität des Lochs approximieren, indem wir die obige Formel verwenden: C=1.41x4.4x0.050x0.020/ (0.032-0.020) =0.517pF, die Anstiegszeit Variation, die durch diesen Teil der Kapazität verursacht wird, ist: T10-90=2.2C (Z2.517pF). Aus diesen Werten ist klar, dass, obwohl der Effekt der parasitären Kapazität eines einzelnen Lochs auf die Anstiegsverzögerung nicht offensichtlich ist, Designer vorsichtig sein sollten, wenn mehrere Löcher für die Schicht-zu-Schicht-Umschaltung verwendet werden.

Durch das Loch parasitäre Induktivität

Bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ist die parasitäre Induktivität des Lochs oft schädlicher als die parasitäre 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 Formel berechnen:L=5.08h [ln (4h/d) +1] wobei L sich auf die Durchgangslochinduktivität bezieht, ist es die Länge des Durchgangslochs und D ist der Durchmesser des zentralen Lochs. Es kann aus der Gleichung gesehen werden, dass der Durchmesser des Lochs wenig Einfluss auf die Induktivität hat, aber die Länge des Lochs hat einen Einfluss auf die Induktivität. Mit Hilfe des obigen Beispiels kann die Induktivität aus dem Loch als L=5.08x0.050 [ln (4x0.050/0.010) +1] = 1.015nh berechnet werden. Wenn die Anstiegszeit des Signals 1ns ist, 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 durch zwei Löcher gehen, um die Versorgungsschicht mit der Bildung zu verbinden, wodurch die parasitäre Induktivität des Lochs verdoppelt wird.

Der Effekt von PCB durch Loch auf Signalübertragung

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.From die Kosten und Signalqualität zweier Aspekte, wählen Sie eine angemessene Größe des Lochs. Zum Beispiel für 6-10 Schichten des MEMORY Modul PCB Designs, ist es besser, 10/20mil (Bohren/Pad) durch das Loch zu wählen, für einige hohe Dichte kleine Größenplatte, können Sie auch versuchen, 8/18mil durch das Loch zu verwenden. Mit der aktuellen Technologie wäre es schwierig, kleinere Löcher zu verwenden. Für Stromversorgung oder Erdungskabel durch Löcher kann in Betracht gezogen werden, eine größere Größe zu verwenden, um die Impedanz zu reduzieren.

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

3.Die Pins der Stromversorgung und des Bodens sollten in der Nähe gebohrt werden. Je kürzer die Leitung zwischen den Stiften und den Löchern, desto besser,weil sie zu einer Erhöhung der Induktivität führen. Gleichzeitig sollten die Strom- und Masseleitungen so dick wie möglich sein, um die Impedanz zu reduzieren.

4.Die Signalverdrahtung auf der Leiterplatte sollte die Schicht nicht so weit wie möglich verändern, das heißt, versuchen Sie, keine unnötigen Löcher zu verwenden.

5.Platzieren Sie einige Erdungslöcher in der Nähe der Löcher der Signalschichtänderung, um eine enge Schleife für das Signal bereitzustellen. Sie können sogar viele zusätzliche Erdlöcher auf die Leiterplatte setzen. Natürlich müssen Sie in Ihrem Design flexibel sein. Das oben beschriebene Durchgangslochmodell ist eine Situation, in der es Pads in jeder Schicht gibt. Manchmal können wir Pads in einigen Schichten reduzieren oder sogar entfernen. Besonders im Fall der Lochdichte ist sehr groß, kann es zur Bildung einer abgeschnittenen Schaltungsnut in der Kupferschicht führen, um ein solches Problem zu lösen, zusätzlich zur Bewegung der Position des Lochs, können wir auch das Loch in der Kupferschicht betrachten, um die Größe des Pads zu verringern.

Im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design ist die volle Berücksichtigung und angemessene Kontrolle der Auswirkung des Durchgangslochs der Schlüssel, um stabile und zuverlässige Schaltungsleistung sicherzustellen. Durch kontinuierliche technologische Innovation und Designoptimierung können wir effizienteres und zuverlässigeres High-Speed-Schaltungsdesign erreichen.