Leiterplattentechnisch - Die Wirkung von Durchkontaktierungen auf die Signalübertragung

Erstens ist das Grundkonzept der Durchgangsstraße eine der wichtigen Komponenten der mehrschichtigen Leiterplatte, und die Bohrkosten machen normalerweise 30% bis 40% der Leiterplattenherstellungskosten aus. Einfach ausgedrückt kann jedes Loch auf der Leiterplatte als Via bezeichnet werden. Aus der Sicht der Funktion können Durchkontaktierungen in zwei Kategorien unterteilt werden: eine wird für die elektrische Verbindung zwischen Schichten verwendet; das andere dient zur Befestigung oder Positionierung von Vorrichtungen. Im Hinblick auf den Prozess werden diese Vias im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt, nämlich blinde Vias, begrabene Vias und Durchgangsvias. Blind Vias befinden sich auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte und haben eine bestimmte Tiefe. 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 unten genannten Durchgangslöcher gelten, sofern nicht anders angegeben, als Durchgangslöcher.

Aus Designsicht besteht ein Durchgang 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 Durchgangs. Offensichtlich hoffen Designer bei Hochgeschwindigkeits- und High-Density-PCB-Design immer, dass je kleiner das Durchgangsloch ist, desto besser, so dass mehr Verdrahtungsraum auf der Platine gelassen werden kann. Je kleiner das Durchgangsloch ist, desto größer ist die eigene parasitäre Kapazität. Je kleiner es ist, desto besser eignet es sich für Hochgeschwindigkeitsstrukturen. Die Verringerung der Lochgröße führt jedoch auch zu einem Kostenanstieg, und die Größe der Durchkontaktierungen kann nicht unbegrenzt reduziert werden. Es ist durch Prozesstechnologien wie Bohren und Beschichten begrenzt: Je kleiner das Loch, desto mehr Bohrungen Je länger das Loch dauert, desto einfacher ist es, von der Mittelposition abzuweichen; Und wenn die Tiefe des Lochs das 6-fache des Durchmessers des gebohrten Lochs überschreitet, kann nicht garantiert werden, dass die Lochwand gleichmäßig mit Kupfer überzogen werden kann. Wenn beispielsweise die Dicke (Durchgangstiefe) einer normalen 6-Lagen-Leiterplatte 50Mil beträgt, kann der vom Leiterplattenhersteller bereitgestellte Mindestbohrdurchmesser unter normalen Bedingungen nur 8Mil erreichen. Mit der Entwicklung der Laserbohrtechnologie kann die Größe des Lochs kleiner und kleiner sein. Im Allgemeinen wird ein Durchgang mit einem Durchmesser kleiner oder gleich 6Mils als Mikroloch bezeichnet. Microvias werden häufig in HDI (High Density Interconnect Structure) Design verwendet. Durch die Microvia-Technologie können Vias direkt auf das Pad gestanzt werden (Via-in-Pad), was die Schaltungsleistung erheblich verbessert und Platz für die Verkabelung spart. Vias erscheinen als Breakpoints mit diskontinuierlicher Impedanz auf der Übertragungsleitung, die Signalreflexionen verursachen. Im Allgemeinen ist die äquivalente Impedanz eines Durchgangs etwa 12% niedriger als die einer 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, die durch die diskontinuierliche Impedanz des Durchgangs verursacht wird, tatsächlich sehr gering, und ihr Reflexionskoeffizient beträgt nur: (44-50)/(44+50)=0.06. Die Probleme, die durch die Via verursacht werden, konzentrieren sich eher auf parasitäre Kapazität und Induktivität. Aufprall.

Zweitens weist die parasitäre Kapazität und Induktivität des Via selbst parasitäre Streumapazitanz auf. Wenn bekannt ist, dass der Durchmesser der Lötmaske auf der Bodenschicht des Durchgangs D2 ist, ist der Durchmesser des Durchgangs D1, die Dicke der Leiterplatte ist T und die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats ist ε, Die parasitäre Kapazität des Durchgangs ist ungefähr: C=1.41εTD1/(D2-D1) Der Haupteffekt der parasitären Kapazität des Durchgangslochs 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, 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 der Effekt der Anstiegsverzögerung, die durch die parasitäre Kapazität einer einzelnen Kapazität verursacht wird, nicht über eine einzelne Kapazität ist. sehr offensichtlich, wenn das Via mehrfach in der Spur verwendet wird, um zwischen Schichten zu wechseln, werden mehrere Vias verwendet, das Design muss sorgfältig geprüft werden. Im eigentlichen Design kann die parasitäre Kapazität verringert werden, indem der Abstand zwischen dem Durchgangsloch und dem Kupferbereich (Anti-Pad) erhöht oder der Durchmesser des Pads verringert wird. Parasitische Kapazitäten existieren sowohl in Vias als auch in parasitären Induktivitäten. Beim Design von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen ist der Schaden, der durch die parasitären Induktivitäten von Durchkontaktierungen verursacht wird, oft größer als der Einfluss parasitärer Kapazität. 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] Wo L sich auf die Induktivität des Via bezieht, ist 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 beträgt, dann ist seine äquivalente Impedanz: XL=πL/T10-90=3.19Ω. Eine solche Impedanz kann nicht mehr ignoriert werden, wenn Hochfrequenzstrom fließt. Besonderes Augenmerk sollte auf die Tatsache gelegt werden, dass der Bypass-Kondensator beim Verbinden der Leistungsschicht und der Masseschicht zwei Durchgänge durchlaufen muss, damit sich die parasitäre Induktivität des Durchgangs verdoppelt.

Drittens, wie man Vias verwendet Durch die obige Analyse der parasitären Eigenschaften von Vias können wir sehen, dass im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design scheinbar einfache Vias oft große negative Auswirkungen auf das Schaltungsdesign haben. Um die negativen Auswirkungen, die durch die parasitären Effekte der Vias verursacht werden, zu reduzieren, kann im Design Folgendes getan werden: 1. Unter Berücksichtigung der Kosten und der Signalqualität wählen Sie eine angemessene Größe über Größe. Bei Bedarf können Sie verschiedene Durchgangsgrößen in Betracht ziehen. Beispielsweise 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, die Schichten der Signalspuren auf der Leiterplatte nicht zu ändern, das heißt, versuchen Sie, keine unnötigen Durchkontaktierungen 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. Überlegen Sie, mehrere Vias parallel zu spielen, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren. 5. Platzieren Sie einige geerdete Durchkontaktierungen in der Nähe der Durchkontaktierungen der Signalschicht, um die nächste Rückkehr zum Signal bereitzustellen. Sie können sogar einige redundante Masseverschlüsse auf der Leiterplatte platzieren. 6. Für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten mit höherer Dichte können Sie Mikrodurchgänge in Betracht ziehen.