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Conceptos básicos de los agujeros a través
El agujero es uno de los componentes más importantes de los PCB multicapa. Los costos de perforación suelen representar entre el 30% y el 40% de los costos de producción de pcb. En resumen, cada agujero en el PCB se puede llamar a través del agujero. Funcionalmente, los agujeros a través se pueden dividir en dos categorías: una para la conexión eléctrica entre capas; Otro para fijar o localizar equipos. En términos de tecnología, estos agujeros se dividen generalmente en tres categorías: agujeros ciegos, agujeros enterrados y agujeros a través. Los agujeros ciegos se encuentran en la parte superior e inferior de la placa de circuito impreso, con cierta profundidad. Se utiliza para conectar los circuitos de superficie y los circuitos internos debajo. La profundidad del agujero generalmente no supera una cierta relación (diámetro del agujero). El agujero enterrado se refiere al agujero de conexión en la capa interior de la placa de circuito impreso, que no se extiende a la superficie de la placa de circuito. Los dos tipos de agujeros anteriores se encuentran en la capa interior del pcb. Antes de la laminación, se utiliza el proceso de formación a través del agujero para completar el proceso, que puede superponer varias capas interiores durante el proceso de formación a través del agujero.
El tercer tipo se llama a través del agujero, que atraviesa toda la placa de circuito y se puede utilizar para interconexiones internas o como agujero de posicionamiento de montaje de componentes. Debido a que el agujero es más fácil de lograr y de menor costo, la mayoría de las placas de circuito impreso lo utilizan en lugar de los otros dos. Los agujeros a través mencionados a continuación, si no se especifica, se consideran agujeros a través.
Desde el punto de vista del diseño, el agujero a través consta principalmente de dos partes, una es la perforación en el Medio y la otra es el área de revestimiento alrededor de la perforación. El tamaño de estas dos partes determina el tamaño del agujero. Obviamente, en el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, los diseñadores siempre esperan que cuanto más pequeño sea el agujero, mejor, para que haya más espacio de cableado en la placa de circuito.
Además, cuanto menor sea el agujero, menor será su propia capacidad parasitaria, lo que es más adecuado para circuitos de alta velocidad. Sin embargo, la reducción del tamaño del agujero trae consigo un aumento de los costos, y el tamaño del agujero a través no puede reducirse sin restricciones. Está limitado por la tecnología de perforación y galvanoplastia: cuanto más pequeño es el agujero, más largo es el tiempo de perforación y más fácil es desviarse de la posición central. Además, cuando la profundidad del agujero supera las seis veces el diámetro del agujero, no se puede garantizar un cobre uniforme en la pared del agujero. Por ejemplo, si el grosor (profundidad del agujero) de un PCB ordinario de 6 capas es de 50 milímetros, en circunstancias normales, el diámetro de perforación proporcionado por el fabricante de PCB solo puede alcanzar los 8 milímetros. Con el desarrollo de la tecnología de perforación láser, el tamaño de la perforación también puede ser cada vez más pequeño. Por lo general, los poros con un diámetro inferior o igual a 6 mils se llaman microporos. Los microporos se utilizan generalmente en el diseño de HDI (estructuras de interconexión de alta densidad). La tecnología microporosa permite el estampado directo de agujeros a través de la almohadilla, lo que mejora considerablemente el rendimiento del circuito y ahorra espacio para el cableado.
El agujero es un punto de interrupción de resistencia discontinuo en la línea de transmisión, que puede causar reflexión de la señal. En general, la resistencia equivalente del agujero es aproximadamente un 12% menor que la resistencia equivalente de la línea de transmisión. Por ejemplo, la resistencia de la línea de transmisión de 50 Ohm se reducirá en 6 ohms al pasar por el agujero (esto está relacionado con el tamaño del agujero y el grosor de la placa, pero no con la reducción). Sin embargo, la reflexión causada por la resistencia discontinua del agujero es en realidad muy pequeña, y su coeficiente de reflexión es solo (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06. los problemas causados por el agujero se centran principalmente en la influencia de condensadores parasitarios e inductores.
Condensadores parasitarios e inductores a través de agujeros
Si el diámetro de la zona de soldadura a través del agujero es d2, el diámetro de la almohadilla a través del agujero es d1, el espesor del PCB es T y la constante dieléctrica del sustrato es mu, la capacidad parasitaria del agujero a través es aproximadamente C = 1,41 mu td1 / (d2 - d1)
El principal impacto de los condensadores parasitarios a través del agujero en el circuito es prolongar el tiempo de subida de la señal y reducir la velocidad del circuito. Por ejemplo, para un PCB de 50 mils de espesor, si el diámetro de la almohadilla a través del agujero es de 20 mils (el diámetro de perforación es de 10 mils) y el diámetro de la máscara de soldadura es de 40 mils, entonces podemos calcular aproximadamente la capacidad parasitaria del agujero a través a través de la fórmula anterior: C = 141x4.4x0.050x0.020 / (0040 - 0020) = 031pf. La variación del tiempo de subida causada por este capacitor es: T10 - 90 = 2,2c (z0 / 2) = 2,2x0,31x (50 / 2) = 17,05ps
A partir de estos valores se puede ver que, aunque el efecto de los condensadores parasitarios de un solo agujero no es obvio, si el agujero se reutiliza en el cableado para el cambio de capa, se utilizarán varios agujeros, lo que debe considerarse cuidadosamente en el diseño. En el diseño real, la capacidad parasitaria se puede reducir aumentando la distancia entre el agujero a través y la capa de cobre (almohadilla inversa) o reduciendo el diámetro de la almohadilla.
En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, el daño causado por la inducción parasitaria a través del agujero es a menudo mayor que el del capacitor parasitario. Su inductor de serie parasitario debilitará la contribución del condensadores de derivación y la eficiencia de filtrado de todo el sistema eléctrico. Podemos usar la siguiente fórmula empírica para calcular simplemente la inducción parasitaria del agujero a través: L = 5,08h [ln (4h / d) + 1], donde l es la inducción del agujero a través, H es la longitud del agujero a través y D es el diámetro del agujero central. Como se puede ver en la fórmula, el diámetro del agujero a través tiene un pequeño impacto en la inducción, mientras que la longitud del agujero a través tiene un impacto en la inducción. Todavía utilizando el ejemplo anterior, podemos calcular la inducción a través del agujero de la siguiente manera: L = 5,08x0,050 [ln (4x0.050 / 0010) + 1] = 1015nh. Si el tiempo de subida de la señal es de 1ns, su resistencia equivalente es: XL = Pi L / T10 - 90 = 3,19 mu. Esta resistencia no puede ser ignorada cuando pasa una corriente de alta frecuencia. Hay que tener en cuenta que al conectar la capa de alimentación y la formación, el capacitor de derivación necesita pasar por dos agujeros a través, por lo que la inducción parasitaria del agujero a través se duplicará.
Cómo usar el agujero
A través del análisis anterior de las características parasitarias del agujero, podemos ver que en el diseño de PCB de alta velocidad, el agujero aparentemente simple a menudo tiene un gran impacto negativo en el diseño del circuito. Para reducir los efectos adversos causados por el efecto parasitario del agujero, podemos tratar de hacer lo siguiente en el diseño:
1. desde el punto de vista del costo y la calidad de la señal, elija un tamaño razonable del agujero a través. Si es necesario, se pueden considerar diferentes tamaños de agujeros a través. Por ejemplo, para los orificios a través de la fuente de alimentación o del cable de tierra se puede utilizar un tamaño mayor para reducir la resistencia, mientras que los orificios más pequeños se pueden utilizar para el cableado de señales. por supuesto, a medida que el tamaño de los orificios disminuye, el costo correspondiente también aumenta.
2. a partir de las dos fórmulas anteriores, se puede concluir que el uso de PCB más delgados favorece la reducción de los dos parámetros parasitarios del agujero.
3. trate de no cambiar la capa de cableado de señal en el tablero de pcb, es decir, trate de no usar agujeros innecesarios.
4. los pines de la fuente de alimentación y el cable de tierra deben perforarse cerca, y cuanto más corto sea el cable entre el agujero y el pin, mejor. Para reducir la inducción equivalente, se pueden considerar varios agujeros a través en paralelo.
5. coloque algunos agujeros de conexión a tierra cerca de los agujeros a través de los cambios en la capa de señal para proporcionar un circuito cerrado para la señal. Algunos agujeros de tierra redundantes incluso se pueden colocar en la placa de pcb.
6. para los PCB de alta velocidad de alta densidad, se pueden considerar microporos.
