Dati PCB - Come evitare l'effetto negativo di via nella progettazione di schede PCB ad alta velocità

1. Concetto di base di via

Attraverso il foro è una parte importante di un Scheda PCB multistrato, e il costo della perforazione di solito rappresenta dal 30% al 40% del costo della produzione di PCB. In breve, Ogni foro su un PCB può essere chiamato un foro passante. Dal punto di vista della funzione, I vias possono essere suddivisi in due categorie: una viene utilizzata come collegamento elettrico tra strati; Secondo, è utilizzato per il fissaggio o il posizionamento di dispositivi. In termini di processo, queste vie sono generalmente suddivise in tre categorie, vale a dire buco cieco, foro sepolto e foro passante. Il foro cieco si trova sulla superficie superiore e inferiore del circuito stampato, e ha una certa profondità. È usato per collegare la linea di superficie e la linea interna inferiore. The depth of the hole usually does not exceed a certain ratio (aperture). Il foro incorporato si riferisce al foro di connessione situato nello strato interno del circuito stampato, che non si estenderà alla superficie del circuito stampato. I due tipi di fori sopra sono situati nello strato interno del circuito stampato. Prima della laminazione, Il processo di formazione del foro passante è utilizzato per completare il foro. Durante il processo di formazione del foro, più strati interni possono essere sovrapposti. Il terzo è chiamato attraverso il foro, che passa attraverso l'intero circuito stampato e può essere utilizzato per l'interconnessione interna o come foro di installazione e posizionamento dei componenti. Perché il foro passante è più facile da realizzare in tecnologia e più basso nel costo, la maggior parte dei circuiti stampati lo usano invece degli altri due tipi di foro passante. Le seguenti vie di, salvo diversa indicazione, sono considerati foro passante. Dal punto di vista progettuale, una via è composta principalmente da due parti: una è il foro centrale del trapano, e l'altro è l'area del pad intorno al foro del trapano. La dimensione di queste due parti determina la dimensione delle vie. Ovviamente, nella progettazione di alta velocità e alta densità Schede PCB, I designer sperano sempre che più piccole sono le vie, meglio è, in modo che più spazio di cablaggio possa essere lasciato sulla scheda. Inoltre, più piccola è la via, minore è la sua capacità parassitaria, che è più adatto per circuiti ad alta velocità. Tuttavia, La riduzione della dimensione del foro comporta anche un aumento dei costi, e le dimensioni dei flaconcini non possono essere ridotte senza limitazioni. È limitato dalla tecnologia di perforazione e galvanizzazione: più piccolo è il foro, più lungo sarà il tempo di perforazione, e più facile è deviare dal centro; E quando la profondità del foro supera 6 volte del diametro di perforazione, è impossibile garantire che la parete del foro possa essere uniformemente placcata in rame. Per esempio, if the thickness (through-hole depth) of a normal 6-layer PCB is 50Mil, poi in condizioni normali, Il diametro del foro fornito dal produttore del PCB può raggiungere solo 8Mil. Con lo sviluppo della tecnologia di perforazione laser, la dimensione della perforazione può anche essere più piccola e più piccola. Generalmente, I vias con un diametro inferiore o uguale a 6Mils sono chiamati micropori. Microholes are often used in HDI (high-density interconnection structure) design. La tecnologia a microfori consente di perforare direttamente i vias sui pad, che migliora notevolmente le prestazioni del circuito e risparmia spazio di cablaggio. I vias sulla linea di trasmissione si comportano come punti di rottura con impedenza discontinua, che causerà la riflessione del segnale. Generalmente, l'impedenza equivalente dei vias è inferiore di circa il 12% a quella delle linee di trasmissione. Per esempio, the impedance of a 50 ohm transmission line will decrease by 6 ohm when it passes through the vias (specifically related to the size of the vias and the thickness of the plates, not the reduction). Tuttavia, il riflesso causato dall'impedenza discontinua delle vie è in realtà molto piccolo, and its reflection coefficient is only (44-50)/(44+50)=0.06. I problemi causati dalle vie sono più concentrati sugli effetti della capacità parassitaria e dell'induttanza.

2. Capacità parassitica e induttanza di via

C'è una capacità parassitaria randagio nella via stessa. Se è noto che il diametro dell'area della maschera di saldatura della via sul pavimento è D2, il diametro del pad via è D1, lo spessore del PCB è T e la costante dielettrica del substrato della scheda è ε, La capacità parassitaria di TD1/(D2-D1) via influenzerà principalmente il circuito prolungando il tempo di aumento del segnale e riducendo la velocità del circuito. Ad esempio, per un PCB con uno spessore di 50Mil, se il diametro del pad via è 20Mil (diametro di perforazione è 10Mils) e il diametro dell'area della maschera di saldatura è 40mil, Possiamo approssimativamente calcolare la capacità parassitaria della via attraverso la formula di cui sopra: C=1.41x4.4 x 0.050 x 0.020/(0.040-0.020)=0.31pF Il cambiamento del tempo di salita causato da questa parte della capacità è approssimativamente T10-90=2.2C (Z0/2)=2.2x0.31x (50/2)=17.05ps. Da questi valori si può vedere che anche se l'effetto del ritardo di risalita causato dalla capacità parassitaria di una singola via non è molto evidente, se la via viene utilizzata per la commutazione tra strati per molte volte nel routing, verranno utilizzate vie multiple, che dovrebbero essere attentamente considerate nella progettazione. Nella progettazione pratica, la capacità parassitaria può essere ridotta aumentando la distanza tra via e l'area rivestita in rame o riducendo il diametro del pad. Nei vias esistono capacità e induttanza parassitica. Nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, l'induttanza parassitaria dei vias spesso porta più danno della capacità parassitaria. La sua induttanza di serie parassitaria indebolirà il contributo del condensatore di bypass e l'efficacia di filtraggio dell'intero sistema di alimentazione. Possiamo usare la seguente formula empirica per calcolare semplicemente l'induttanza parassitaria approssimativa di una via: L=5,08h [ln (4h/d)+1] dove L è l'induttanza della via, h è la lunghezza della via e d è il diametro del foro centrale. Si può vedere dalla formula che il diametro della via ha poca influenza sull'induttanza, mentre la lunghezza della via ha poca influenza sull'induttanza. Utilizzando l'esempio precedente, si può calcolare che l'induttanza della via è: L=5.08x0.050 [ln (4x0.050/0.010)+1]=1.015nH Se il tempo di salita del segnale è 1ns, l'impedenza equivalente è XL=π L/T10-90=3.19 Ω. Tale impedenza non può essere ignorata quando c'è corrente ad alta frequenza che passa attraverso. In particolare, il condensatore bypass deve passare attraverso due vie quando si collega lo strato di potenza e lo strato, in modo che l'induttanza parassitaria dei vie sarà moltiplicata.

3. Come usare i flaconcini

Attraverso l'analisi di cui sopra delle caratteristiche parassitarie dei vias, possiamo vedere che nella progettazione PCB ad alta velocità, vias apparentemente semplici spesso portano grandi effetti negativi alla progettazione del circuito. Al fine di ridurre gli effetti avversi causati dall'effetto parassitario dei vias, possono essere adottate le seguenti misure nella progettazione:

1) Considerando il costo e la qualità del segnale, viene selezionata la dimensione ragionevole dei vias. Se necessario, può prendere in considerazione l'uso di flaconcini di diverse dimensioni. Ad esempio, per l'alimentazione elettrica o via cavo di massa, è possibile prendere in considerazione l'utilizzo di dimensioni più grandi per ridurre l'impedenza, mentre per il cablaggio del segnale, è possibile utilizzare via più piccole. Naturalmente, con la riduzione della dimensione via, il costo corrispondente aumenterà.

2) Dalle due formule discusse sopra, si può concludere che l'uso di PCB più sottile è vantaggioso per ridurre i due parametri parassitari dei vias.

3) Il cablaggio del segnale sul PCB non deve cambiare gli strati il più possibile, vale a dire, i vias inutili non devono essere utilizzati il più possibile.

4) I perni dell'alimentazione elettrica e della terra devono essere perforati nelle vicinanze e il cavo tra la via e il perno deve essere il più breve possibile. I flaconcini multipli possono essere forati in parallelo per ridurre l'induttanza equivalente.

5) Posizionare alcuni vias a terra vicino ai vias per il cambiamento dello strato di segnale, in modo da fornire vicino circuito per i segnali. Puoi anche posizionare alcuni vias ridondanti di messa a terra sul PCB.

6) For high-speed Schede PCB ad alta densità, si possono prendere in considerazione micro vias.