Tecnología de PCB - Cómo evitar el efecto negativo del orificio en el diseño de PCB de alta velocidad

1. Concepto básico de orificio

Via es 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 un PCB se puede llamar a través del agujero. En términos funcionales, El orificio se puede dividir en dos tipos: uno se utiliza para la conexión eléctrica entre capas; Otro dispositivo de fijación o localización. En cuanto al proceso, Estos orificios se clasifican generalmente en tres categorías: orificios ciegos, A través de agujeros enterrados y a través de agujeros. Los agujeros ciegos se encuentran en las superficies superior e inferior de la placa de circuito impreso, Y tiene cierta profundidad. Se utiliza para conectar el circuito de superficie inferior y el circuito interno. The depth of the hole is usually not more than a certain ratio (aperture). El agujero enterrado se refiere al agujero de conexión en la capa interna de la placa de circuito impreso., No se extiende a la superficie de la placa de circuito. Los dos tipos de agujeros anteriores se encuentran en la capa interna del PCB. Antes de la laminación, El proceso de formación a través del agujero se utiliza para completar el proceso, Además, en el proceso de formación del orificio, varias capas internas pueden superponerse..

El tercer tipo se llama a través del agujero, que pasa a través de todo el tablero de circuitos y se puede utilizar para la interconexión interna o como un agujero de montaje para el componente. Debido a que el orificio es más fácil de implementar y más barato, la mayoría de las placas de circuitos impresos lo utilizan en lugar de los otros dos. Los orificios mencionados a continuación (sin instrucciones especiales) se consideran orificios.

Desde el punto de vista del diseño, el orificio se compone principalmente de dos partes, una es la perforación intermedia, la otra es la zona de revestimiento alrededor de la perforación. El tamaño de estas dos partes determina el tamaño del orificio. Obviamente, en el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, los diseñadores siempre quieren que el orificio sea lo más pequeño posible para que haya más espacio de cableado en el tablero. Además, cuanto más pequeño es el orificio, menor es la Capacitancia parasitaria, más adecuado es el circuito de alta velocidad. Sin embargo, la reducción del tamaño del agujero da lugar a un aumento de los costos, y el tamaño del orificio no puede reducirse indefinidamente. 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 del Centro. Además, cuando la profundidad del agujero es 6 veces mayor que el diámetro del agujero, es imposible asegurar el recubrimiento uniforme de cobre en la pared del agujero. Por ejemplo, si el espesor de un PCB ordinario de 6 capas (A través de la profundidad del agujero) es de 50 mils, en circunstancias normales, el diámetro del agujero de perforación proporcionado por el fabricante del PCB sólo puede alcanzar los 8 mils. Con el desarrollo de la tecnología de perforación láser, el tamaño de la perforación es cada vez más pequeño. Por lo general, un orificio de diámetro inferior o igual a 6 mils se llama microporos. Los microporos se utilizan generalmente en el diseño de HDI (estructuras de interconexión de alta densidad). La tecnología microporosa permite perforar directamente en la almohadilla, lo que mejora en gran medida el rendimiento del circuito y ahorra espacio de cableado.

PCB de alta velocidad Diseño

El orificio es un punto de ruptura de impedancia discontinua en la línea de transmisión, que puede conducir a la reflexión de la señal. En general, la impedancia equivalente del orificio es aproximadamente un 12% inferior a la de la línea de transmisión. Por ejemplo, la Impedancia de una línea de transmisión de 50 ohmios se reduce en 6 ohmios a través del orificio (esto se relaciona con el tamaño del orificio y el espesor de la placa, pero no con la reducción). Sin embargo, la reflexión causada por la discontinuidad de la impedancia a través del agujero es muy pequeña, y el coeficiente de reflexión es sólo (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06. Los problemas causados por el agujero a través del agujero se centran principalmente en la influencia de la Capacitancia parasitaria y la Inductancia.

2. Capacitancia e Inductancia parasitarias a través de agujeros

Si el diámetro de la máscara de soldadura a través del agujero es D2, el diámetro de la almohadilla de soldadura a través del agujero es D1, el espesor del PCB es T, y la constante dieléctrica del sustrato es Isla μ, la Capacitancia parasitaria del agujero es de aproximadamente C = 141206e μtd1 / (D2 - D1).

El principal efecto de la Capacitancia parasitaria 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 PCB de 50 mils de espesor, si el diámetro de la almohadilla a través del agujero es de 20 mils (el diámetro del agujero es de 10 mils) y el diámetro de la capa de soldadura es de 40 mils, podemos calcular aproximadamente la Capacitancia parasitaria del agujero a través de la fórmula anterior: C = 1.41x4.4x0050x0020 / (0040 - 0020) = 031pf. La variación del tiempo de subida causada por la Capacitancia es: T10 - 90 = 2,2c (Z0 / 2) = 2,2x0,31x (50 / 2) = 17,05 ps

De estos valores se desprende que, aunque la influencia de la Capacitancia parasitaria de un solo orificio no es obvia, se utilizarán múltiples orificios si el orificio se reutiliza para el cambio de capa en el cableado, lo que debe considerarse cuidadosamente en el diseño. En el diseño práctico, la Capacitancia parasitaria puede reducirse aumentando la distancia entre el orificio y la capa de cobre (almohadilla de respaldo) o reduciendo el diámetro de la almohadilla.

En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, el daño de la Inductancia parasitaria a través del agujero es a menudo mayor que el daño de la Capacitancia parasitaria. Su Inductancia parasitaria en serie debilitará la contribución del condensador de derivación y la eficiencia de filtrado de todo el sistema de energía. La Inductancia parasitaria a través del agujero se puede calcular simplemente usando la siguiente fórmula empírica: L = 5.08h [ln (4H / d) + 1], donde l es la Inductancia a través del agujero, H es la longitud del agujero, D es el diámetro del agujero central. De la fórmula se puede ver que el diámetro del orificio tiene poca influencia en la Inductancia, mientras que la longitud del orificio tiene influencia en la Inductancia. Todavía usando el ejemplo anterior, podemos calcular la Inductancia a través del agujero de la siguiente manera: L = 5.08x0050 [ln (4x0.05 / 0010) + 1] = 1.015nh. Si el tiempo de subida de la señal es de 1 ns, su impedancia equivalente es: XL = 1 L / T 10 - 90 = 3,19 L. Cuando la corriente de alta frecuencia pasa, la impedancia no puede ser ignorada. Tenga en cuenta que al conectar la capa de potencia y la formación, el condensador de derivación debe pasar a través de los dos a través de agujeros, por lo que la Inductancia parasitaria a través de los agujeros se duplicará.

3. Cómo usar a través del agujero

A través del análisis anterior de las características parasitarias del orificio, podemos ver que en el diseño de PCB de alta velocidad, el orificio aparentemente simple a menudo traerá un gran impacto negativo en el diseño del circuito. Con el fin de reducir los efectos adversos causados por el efecto parasitario a través del agujero, podemos hacer lo siguiente en el diseño en la medida de lo posible:

1. Elija el tamaño razonable del agujero a través del costo y la calidad de la señal. Si es necesario, se pueden considerar diferentes tamaños de orificios. Por ejemplo, para los orificios a través de líneas de alimentación o cables de tierra, se pueden utilizar tamaños más grandes para reducir la impedancia, mientras que los orificios más pequeños se pueden utilizar para el cableado de señales. Por supuesto, a medida que disminuye el tamaño del orificio, aumenta el costo correspondiente.

2. De las dos fórmulas discutidas anteriormente, se puede concluir que el uso de PCB más delgado es beneficioso para reducir los dos parámetros parasitarios del orificio.

3. Trate de no cambiar la capa de cableado de la señal en el tablero de PCB, es decir, trate de no utilizar a través de agujeros innecesarios.

4. Los pines de alimentación y puesta a tierra se perforarán en las proximidades, cuanto más corto sea el plomo entre el orificio y el pin, mejor. Para reducir la Inductancia equivalente, se pueden considerar múltiples agujeros paralelos.

5. Coloque algunos agujeros de tierra cerca de los agujeros a través de los cuales la capa de señal cambia para proporcionar un bucle cerrado para la señal. Algunos agujeros de tierra redundantes pueden incluso ser colocados en el PCB.

6. Para PCB de alta densidad y alta velocidad, se pueden considerar microporos.