Leiterplattentechnisch - Wie man den negativen Effekt von Durchkontaktierungen im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design vermeidet

Grundkonzept des Durchgangslochs

Via ist einer der wichtigsten Teile von Multilayer PCB. Die Bohrkosten machen normalerweise 30% bis 40% der Kosten der Leiterplattenproduktion aus. Kurz gesagt, jedes Loch auf einer Leiterplatte kann als Via bezeichnet werden. In Bezug auf die Funktion können Durchkontaktierungen in zwei Arten unterteilt werden: eine wird für die elektrische Verbindung zwischen Schichten verwendet; Die andere ist für die Befestigung oder Positionierung von Vorrichtungen. Prozessbezogen werden diese Vias im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt: blind via, begraben via und durch via. Das tote Loch befindet sich auf der oberen und unteren Oberfläche der Leiterplatte und hat eine bestimmte Tiefe. Es wird verwendet, um den Oberflächenkreis und den inneren Kreis unten zu verbinden. Die Tiefe der Bohrung ist in der Regel nicht mehr als ein bestimmtes Verhältnis (Blende). Begrabenes Loch bezieht sich auf das Verbindungsloch in der inneren Schicht der Leiterplatte, das sich nicht auf die Oberfläche der Leiterplatte erstreckt. Die oben genannten beiden Arten von Löchern befinden sich in der inneren Schicht der Leiterplatte. Vor dem Laminieren wird das Durchgangslochformverfahren verwendet, um den Prozess abzuschließen, und mehrere innere Schichten können im Prozess der Durchformung überlappt werden.

Der dritte Typ wird Durchgangsloch genannt, das die gesamte Leiterplatte durchläuft und für die interne Verbindung oder als Installationspositionierungsloch von Komponenten verwendet werden kann. Da das Durchgangsloch einfacher zu realisieren ist und die Kosten niedriger sind, verwenden die meisten Leiterplatten es anstelle der anderen beiden. Die unten genannten Vias gelten ohne spezielle Anweisungen als Durchgangslöcher.

Vom Design-Standpunkt aus besteht ein Durchgangsloch hauptsächlich aus zwei Teilen, eines ist das mittlere Bohrloch, das andere ist der Pad-Bereich um das Bohrloch. Die Größe dieser beiden Teile bestimmt die Größe des Durchgangs. Offensichtlich hoffen Designer bei Hochgeschwindigkeits- und High-Density-PCB-Design immer, dass je kleiner das Via, desto besser, so dass es mehr Verdrahtungsraum auf der Platine geben kann.

Darüber hinaus ist je kleiner die Via, desto kleiner ist ihre eigene parasitäre Kapazität, die für Hochgeschwindigkeitsschaltungen besser geeignet ist. Die Verringerung der Lochgröße bringt jedoch die Erhöhung der Kosten, und die Größe des Durchgangslochs kann nicht ohne Begrenzung reduziert werden. Sie wird durch Bohr- und Plattierungstechnologie eingeschränkt: Je kleiner das Loch ist, desto länger ist die Bohrzeit und desto einfacher ist es, von der Mittelposition abzuweichen. Wenn die Tiefe des Lochs mehr als 6-mal des Lochdurchmessers ist, ist es unmöglich, die gleichmäßige Kupferbeschichtung an der Lochwand zu garantieren. Zum Beispiel, wenn die Dicke (Durchgangslochtiefe) einer normalen 6-Schicht-Leiterplatte 50 Mil beträgt, kann der Durchmesser des Bohrlochs, der vom Leiterplattenhersteller bereitgestellt wird, unter normalen Bedingungen nur 8 Mil erreichen. Mit der Entwicklung der Laserbohrtechnologie kann die Größe des Bohrlochs auch kleiner und kleiner sein. Im Allgemeinen wird Durchgangsloch mit Durchmesser kleiner oder gleich 6mils Mikropore genannt. Mikroporen werden häufig in HDI (High Density Interconnection Structure) Design verwendet. Durch die mikroporöse Technologie können Vias direkt auf das Pad gestanzt werden, was die Schaltungsleistung erheblich verbessert und Platz für die Verkabelung spart.

Vias sind diskontinuierliche Impedanzanbrechpunkte auf Übertragungsleitungen, die Signalreflexion verursachen können. Im Allgemeinen ist die äquivalente Impedanz von Durchkontaktierungen etwa 12% niedriger als die von Übertragungsleitungen. Zum Beispiel verringert sich die Impedanz von 50-Ohm-Übertragungsleitungen um 6-Ohm beim Durchlaufen durch Durchgänge (es hängt mit der Größe der Durchgänge und der Dicke der Platten zusammen, aber nicht mit der Reduktion). Aber die Reflexion, die durch die Impedanzdiskontinuität des Durchgangs verursacht wird, ist tatsächlich sehr klein, und ihr Reflexionskoeffizient ist nur (44-50) / (44-50) = 0.06, und die Probleme, die durch den Durchgang verursacht werden, konzentrieren sich hauptsächlich auf den Einfluss der parasitären Kapazität und Induktivität.

Parasitische Kapazität und Induktivität von

Wenn der Durchmesser des Lötmaskenbereichs D2 ist, ist der Durchmesser des Durchgangs D1, die Dicke der Leiterplatte t und die Dielektrizitätskonstante des Substrats ε ist, ist die parasitäre Kapazität des Durchgangs ungefähr C=1.41 ε TD1 / (d2-d1)

Der Haupteinfluss der parasitären Kapazität des Durchgangs auf die 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 Durchgangspaddurchmesser 20MIL ist (Bohrdurchmesser 10mils) und der Lötmaskendurchmesser 40mil ist, dann können wir ungefähr die parasitäre Kapazität des Durchgangs durch die obige Formel berechnen: C.1.41x4.4x0.050x0.020 / (0.040-0.020) = 0.31pf. Die Anstiegszeit, die durch diese Kapazität verursacht wird, ist: t10-90.2.2c (Z0.2) = 2.2x0.31x (50'2) = 17.05ps

Aus diesen Werten ist ersichtlich, dass, obwohl die Wirkung der parasitären Kapazität eines einzelnen Durchgangs nicht offensichtlich ist, wenn die Durchkontaktierungen wiederholt zum Schichtumschalten in der Verdrahtung verwendet werden, mehrere Durchkontaktierungen verwendet werden, die bei der Konstruktion sorgfältig berücksichtigt werden sollten. Im eigentlichen Design kann die parasitäre Kapazität verringert werden, indem der Abstand zwischen Durchgangs- und Kupferschicht (Antipad) erhöht oder der Durchmesser des Pads verringert wird.

Bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ist der Schaden, der durch parasitäre Induktivität des Durchgangs verursacht wird, oft größer als der der parasitären Kapazität. Seine parasitäre Reiheninduktivität schwächt den Beitrag der Bypass-Kapazität und die Filtereffizienz des gesamten Stromsystems. Wir können die folgende empirische Formel verwenden, um einfach die parasitäre Induktivität eines Via zu berechnen: l.5.08h [ln (4h unterteilt D) + 1], wobei l die Induktivität des Via ist, h die Länge des Via und D der Durchmesser des zentralen Lochs. Aus der Formel ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Durchgangs wenig Einfluss auf die Induktivität hat, während die Länge des Durchgangslochs einen Einfluss auf die Induktivität hat. Anhand des obigen Beispiels können wir die Via-Induktivität wie folgt berechnen: l.5.08x0.050 [ln (4x0.050 und 0.010) + 1] = 1.015nh. Wenn die Anstiegszeit des Signals 1ns ist, dann ist seine äquivalente Impedanz: XL€ L€ t10-90.3.19 Ω. Diese Impedanz kann nicht ignoriert werden, wenn ein Hochfrequenzstrom durchgeht. Es sollte beachtet werden, dass die Bypass-Kapazität beim Verbinden der Leistungsschicht und der Schicht durch zwei Durchgänge gehen muss, so dass die parasitäre Induktivität des Durchgangs verdoppelt wird.

Wie sind Vias anzuwenden?

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

1.From die beiden Aspekte der Kosten- und Signalqualität, wählen Sie eine angemessene Größe der Durchgangsgröße. Bei Bedarf können Vias unterschiedlicher Größe in Betracht gezogen werden. Zum Beispiel für Durchkontaktierungen der Stromversorgung oder des Erdungskabels können größere Größen verwendet werden, um die Impedanz zu reduzieren, während kleinere Durchkontaktierungen für die Signalverdrahtung verwendet werden können.

2.Aus den beiden oben diskutierten Formeln kann geschlossen werden, dass die Verwendung von dünnerer Leiterplatte vorteilhaft ist, um die beiden parasitären Parameter von Via zu reduzieren.

3.Versuchen Sie nicht, die Schicht der Signalverdrahtung auf der Leiterplatte zu ändern, das heißt, versuchen Sie, nicht unnötige Durchgänge zu verwenden.

4.Der Stift der Stromversorgung und des Bodens sollte in der Nähe gebohrt werden, und je kürzer die Leitung zwischen dem Durchgang und dem Stift, desto besser. Um die äquivalente Induktivität zu reduzieren, können mehrere Durchgänge parallel betrachtet werden.

5.Place einige geerdete Durchkontaktierungen in der Nähe der Durchkontaktierungen des Signalschichtwechsels, um eine enge Schleife für Signale bereitzustellen. Einige redundante Erdungsdurchführungen können sogar auf der Leiterplatte platziert werden.

6.For Hochgeschwindigkeits-PCB mit hoher Dichte kann Mikro-Durchgang in Betracht gezogen werden.