Tecnología de PCB - Influencia del orificio en la transmisión de la señal

First, the basic concept of vias

Via is one of the important components of multilayer PCB, Los costos de perforación suelen representar entre el 3.0% y el 4.0% de los costos de fabricación de PCB. En resumen, Cada agujero en un PCB se puede llamar a través del agujero. Desde el punto de vista funcional, 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:, Es decir,, Agujero ciego, A través del agujero enterrado y a través del agujero. El agujero ciego se encuentra en la superficie superior e inferior de la placa de circuito impreso y tiene cierta profundidad.. Se utilizan para conectar la línea de superficie y la línea interna de la Fundación. The depth of the hole usually does not exceed a certain ratio (aperture). Un agujero enterrado es un agujero de conexión situado en la capa interna de una placa de circuito impreso., No se extiende a la superficie de la placa de circuito. Los dos tipos de agujeros se encuentran en la capa interna de la placa de circuito, Y el proceso de formación a través del agujero se completa antes de la laminación, Además, en el proceso de formación del orificio, varias capas internas pueden superponerse.. El tercer tipo se llama a través del agujero, Penetra a través de todo el tablero y puede ser utilizado para la interconexión interna o como un agujero de montaje de componentes. Debido a que el orificio es más fácil de realizar en el proceso, el costo es menor, La mayoría de las placas de circuitos impresos lo utilizan en lugar de los otros dos a través de agujeros. A través del agujero mencionado a continuación, Salvo disposición en contrario, Se considera un orificio.

Desde el punto de vista del diseño, El orificio se compone principalmente de dos partes:, Uno es un agujero en el Medio., La otra es la zona acolchada alrededor del agujero de perforación. El tamaño de estas dos partes determina el tamaño del orificio. Visiblemente, Alta velocidad, Diseño de PCB de alta densidad, Los diseñadores siempre quieren que el orificio sea más pequeño, Mejor, Para dejar más espacio de cableado en el tablero. Además, Cuanto más pequeño es el orificio, Capacitancia parasitaria. Cuanto más pequeño es, Más adecuado para circuitos de alta velocidad. Sin embargo,, La disminución del tamaño del agujero también conduce a un aumento de los costos, Y el tamaño del orificio no puede reducirse infinitamente. Está limitado por técnicas de perforación y galvanoplastia: cuanto más pequeño es el agujero, Cuanto más agujeros perforados, más tiempo de perforación, Cuanto más fácil es desviarse de la posición central; Cuando la profundidad del agujero supere seis veces el diámetro del agujero, No se puede garantizar un recubrimiento uniforme de cobre en la pared del agujero. Por ejemplo:, if the thickness (through hole depth) of a normal 6.-layer PCB board is 5.0Mil, Y luego en circunstancias normales, El diámetro mínimo de perforación proporcionado por el fabricante de PCB sólo puede alcanzar los 8 milímetros. Con el desarrollo de la tecnología de perforación láser, El tamaño del agujero puede ser cada vez más pequeño. Normalmente, Un orificio de diámetro inferior o igual a 6 mils se llama microporosa.. Microvias are often used in HDI (High Density Interconnect Structure) design. Microvia technology allows vias to be directly punched on the pad (Via-in-pad), Esto mejora en gran medida el rendimiento del circuito y ahorra espacio de cableado.

A través del agujero se muestra como el punto de interrupción de la impedancia discontinua de la línea de transmisión, Esto dará lugar a un reflejo de la señal. Normalmente, La impedancia equivalente del orificio es aproximadamente un 12.% inferior a la de la línea de transmisión.. Por ejemplo:, the impedance of a 50 ohm transmission line will decrease by 6 ohms when passing through the via (specifically, Está relacionado con el tamaño y el espesor del orificio, not an absolute reduction). Sin embargo,, La reflexión causada por la impedancia discontinua del orificio es en realidad muy pequeña, and its reflection coefficient is only: (44-50)/(44+50)=0.06. Los problemas causados por el orificio se centran más en la Capacitancia parasitaria y la Inductancia.. Influencia.

Segundo, the parasitic capacitance and inductance of the via

The via itself has parasitic stray capacitance. Si se conoce el diámetro de la máscara de soldadura en la formación a través del agujero D2, El diámetro de la almohadilla a través del agujero es D1, El espesor de la placa de PCB es T, La constante dieléctrica del sustrato es de 1 μ, La Capacitancia parasitaria del orificio es aproximadamente: C = 1.41 μ td1/(D2-D1)

The main effect of the parasitic capacitance of the via hole on the circuit is to extend the rise time of the signal and reduce the speed of the circuit. Por ejemplo:, Para placas de PCB de 50 milímetros de espesor, if the diameter of the via pad is 20Mil (the diameter of the hole is 10Mils), Máscara de soldadura de 40 milímetros de diámetro, then we can approximate the size of the via using the above formula The parasitic capacitance is roughly:

C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040 - 0.020)=0.31pF

The rise time change caused by this part of the capacitance is roughly:

T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps

It can be seen from these values that although the effect of the rise delay caused by the parasitic capacitance of a single via is not very obvious, Cambiar entre capas si los agujeros se utilizan más de una vez en el rastreo, Se utilizarán múltiples orificios, El diseño debe ser considerado cuidadosamente. En el diseño real, the parasitic capacitance can be reduced by increasing the distance between the via hole and the copper area (Anti-pad) or reducing the diameter of the pad.

Capacitancia parasitaria e Inductancia en el orificio. En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, El daño causado por la Inductancia parasitaria a través del agujero es generalmente mayor que el efecto de la Capacitancia parasitaria.. Su Inductancia parasitaria en serie debilitará la contribución del condensador de derivación y debilitará el efecto de filtrado de todo el sistema de potencia.. We can use the following empirical formula to simply calculate the parasitic inductance of a via:

L=5.08h[ln(4h/d)+1]

Where L refers to the inductance of the via, H es la longitud del orificio, D es el diámetro del agujero central. De la fórmula se puede ver que el diámetro del orificio tiene poca influencia en la Inductancia., La longitud del orificio tiene la mayor influencia en la Inductancia.. Utilice el ejemplo anterior, the inductance of the via can be calculated as:

L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH

If the rise time of the signal is 1ns, Entonces su impedancia equivalente es: XL = 1/T10 - 90 = 3.19 ©. Cuando la corriente de alta frecuencia pasa, esta impedancia ya no puede ser ignorada.. Debe prestarse especial atención a la necesidad de que el condensador de derivación pase a través de dos orificios al conectar la capa de alimentación y la capa de tierra., Duplicar la Inductancia parasitaria del orificio.

Tercero, how to use vias

Through the above analysis of the parasitic characteristics of vias, Podemos ver esto en el diseño de PCB de alta velocidad, Los orificios aparentemente simples a menudo tienen un gran impacto negativo en el diseño del circuito. Para reducir los efectos adversos causados por el efecto parasitario del orificio, the following can be done in the design:

1. Considerar el costo y la calidad de la señal, Seleccionar un tamaño razonable por tamaño. Cuando sea necesario, Puede considerar el uso de diferentes tamaños de orificios. Por ejemplo:, Para una fuente de alimentación o un orificio de puesta a tierra, Usted puede considerar el uso de tamaños más grandes para reducir la Impedancia, Y para trazas de señales, Puede utilizar un orificio más pequeño. Por supuesto., Con la disminución del tamaño del orificio, Los costes correspondientes aumentarán.

2. Las dos fórmulas discutidas anteriormente pueden llegar a la conclusión de que el uso de PCB más delgados puede ayudar a reducir los dos parámetros parasitarios del orificio.

3. Trate de no cambiar la capa de trazas de señal en el PCB, Eso es, Trate de no usar a través de agujeros innecesarios.

4. La fuente de alimentación y los pines del suelo deben perforarse cerca, El plomo entre el orificio y el pin debe ser lo más corto posible. Considerar la reproducción paralela de múltiples a través de agujeros para reducir la Inductancia equivalente.

5. Coloque algunos agujeros de tierra cerca de los agujeros a través de la capa de señal para proporcionar el retorno más cercano a la señal. Incluso puede colocar algunos agujeros de tierra redundantes en el PCB.

6. PCB de alta velocidad para densidades más altas, Puede considerar el uso de microporos.