PCB Tecnico - Nella progettazione PCB ad alta velocità, come evitare gli effetti negativi causati da fori passanti

In primo luogo, il concetto di base del foro

Attraverso il foro (VIA) è una parte importante del PCB multistrato e il costo dei fori di perforazione di solito rappresenta dal 30% al 40% del costo della produzione di schede PCB. In poche parole, ogni foro su un PCB può essere chiamato foro di passaggio. In termini di funzione, il foro può essere diviso in due categorie: una è utilizzata per il collegamento elettrico tra strati; L'altro è utilizzato per il fissaggio o il posizionamento del dispositivo. In termini di processo, questi fori passanti sono generalmente suddivisi in tre categorie, vale a dire via cieca, via sepolta e via. I fori ciechi si trovano sulla superficie superiore e inferiore del circuito stampato e hanno una certa profondità per collegare il circuito superficiale al circuito interno sottostante. La profondità dei fori di solito non supera un certo rapporto (apertura). I fori sepolti sono fori di collegamento nello strato interno del circuito stampato che non si estendono alla superficie del circuito stampato. I due tipi di fori si trovano nello strato interno del circuito stampato, che è completato dal processo di stampaggio del foro passante prima della laminazione, e diversi strati interni possono essere sovrapposti durante la formazione del foro passante.

Il terzo tipo, chiamato fori passanti, attraversa l'intero circuito e può essere utilizzato per interconnessioni interne o come fori di montaggio e posizionamento per componenti. Poiché il foro passante è più facile da implementare nel processo, il costo è inferiore, quindi la maggior parte dei circuiti stampati sono utilizzati, piuttosto che gli altri due tipi di foro passante. I seguenti fori passanti, senza spiegazioni particolari, sono considerati fori passanti. Dal punto di vista della progettazione, un foro passante è composto principalmente da due parti, una è il foro del trapano nel mezzo e l'altra è l'area del pad intorno al foro del trapano. La dimensione di queste due parti determina la dimensione del foro passante. Ovviamente, nella progettazione di PCB ad alta velocità e ad alta densità, il progettista vuole sempre il foro il più piccolo possibile, questo campione può lasciare più spazio di cablaggio, inoltre, più piccolo è il foro, la sua capacità parassitaria è più piccola, più adatta per il circuito ad alta velocità. Ma la dimensione del foro diminuisce allo stesso tempo porta l'aumento dei costi e la dimensione del foro non può essere ridotta senza limite, è limitata da perforazione (trapano) e placcatura (placcatura) e altra tecnologia: più piccolo il foro, più tempo ci vuole per perforare, più facile è deviare dal centro; Quando la profondità del foro è più di 6 volte il diametro del foro, è impossibile garantire la placcatura uniforme in rame della parete del foro. Ad esempio, se lo spessore (profondità del foro passante) di una normale scheda PCB a 6 strati è 50Mil, il produttore di PCB può fornire un diametro del foro di 8Mil in condizioni normali. Con lo sviluppo della tecnologia di perforazione laser, la dimensione della perforazione può anche essere sempre più piccola. Generalmente, il diametro del foro è inferiore o uguale a 6Mils, lo chiamiamo micro foro. I microfori sono spesso utilizzati nella progettazione HDI (struttura di interconnessione ad alta densità). La tecnologia Microhole consente al foro di essere colpito direttamente sul pad (VIA-in-pad), migliorando notevolmente le prestazioni del circuito e risparmiando spazio di cablaggio.

Il foro passante sulla linea di trasmissione è un punto di rottura della discontinuità di impedenza, che causerà la riflessione del segnale. Generalmente, l'impedenza equivalente del foro passante è circa il 12% inferiore a quella della linea di trasmissione. Ad esempio, l'impedenza della linea di trasmissione 50ohm diminuirà di 6 ohm quando passa attraverso il foro passante (lo specifico è legato alla dimensione del foro passante e allo spessore della piastra, non diminuito). Tuttavia, il riflesso causato dalla discontinuità di impedenza attraverso il foro è in realtà molto piccolo, e il suo coefficiente di riflessione è solo:(44-50)/(44+50)=0,06. I problemi causati dal foro sono più focalizzati sull'influenza della capacità parassitaria e dell'induttanza.

Capacità e induttanza parassitica attraverso il foro

La capacità parassitaria randagio esiste nel buco stesso. Se il diametro della zona di resistenza alla saldatura del foro sullo strato di posa è D2, il diametro del pad di saldatura è D1, lo spessore della scheda PCB è T e la costante dielettrica del substrato è ε, la capacità parassitaria del foro è approssimativamente C=1.41εTD1/(D2-D1).

L'effetto principale della capacità parassitaria sul circuito è quello di prolungare il tempo di aumento del segnale e ridurre la velocità del circuito. Ad esempio, per una scheda PCB con uno spessore di 50Mil, se il diametro del pad del foro passante è 20Mil (il diametro del foro è 10Mils) e il diametro del blocco di saldatura è 40Mil, possiamo approssimare la capacità parassitaria del foro passante dalla formula sopra: C=1.41x4.4x0.050xx.020/(0.040-0.020)=0.31pF Il cambiamento del tempo di aumento causato dal condensatore è approssimativamente: T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.050ps

Da questi valori, si può vedere che anche se l'effetto della capacità parassita di un singolo foro nel ritardo ascendente e nel rallentamento non è evidente, se più fori sono utilizzati per la commutazione strato-strato nel cablaggio, più fori saranno utilizzati e dovrebbero essere attentamente considerati nella progettazione. Nella progettazione pratica, la capacità parassitaria può essere ridotta aumentando la distanza tra il foro e la zona di posa in rame (anti-pad) o riducendo il diametro del pad.

Nella progettazione del circuito digitale ad alta velocità, l'induttanza parassitaria del foro passante è più dannosa di quella della capacità parassitaria. La sua induttanza di serie parassitaria indebolirà il contributo della capacità di bypass e ridurrà l'efficacia di filtraggio dell'intero sistema di alimentazione. Possiamo semplicemente calcolare l'induttanza parassitaria di un'approssimazione del foro passante usando la seguente formula empirica: L=5,08h[ln(4h/d)+1] dove L si riferisce all'induttanza del foro passante, h è la lunghezza del foro passante e D è il diametro del foro centrale. Si può vedere dall'equazione che il diametro del foro ha poco effetto sull'induttanza, ma la lunghezza del foro ha un effetto sull'induttanza. Utilizzando nuovamente l'esempio precedente, l'induttanza fuori dal foro può essere calcolata come L=5.08x0.050[ln(4x050/0.010)+1]= 1.015nh. Se il tempo di aumento del segnale è 1ns, allora la dimensione equivalente dell'impedenza è XL=πL/T10-90=3,19 ρ. Questa impedenza non può essere ignorata in presenza di corrente ad alta frequenza. In particolare, il condensatore bypass deve passare attraverso due fori per collegare lo strato di alimentazione alla formazione, raddoppiando così l'induttanza parassitaria del foro.

Tre, come usare il buco

Attraverso l'analisi di cui sopra delle caratteristiche parassitarie dei fori passanti, possiamo vedere che nella progettazione PCB ad alta velocità, i fori passanti apparentemente semplici spesso portano grandi effetti negativi alla progettazione del circuito. Al fine di ridurre gli effetti avversi dell'effetto parassitario del foro, possiamo provare a fare come segue nel disegno:

1. considerando il costo e la qualità del segnale, una dimensione ragionevole del foro è selezionata. Se necessario, prendere in considerazione l'utilizzo di diverse dimensioni di fori. Ad esempio, per i cavi di alimentazione o di terra, prendere in considerazione l'utilizzo di dimensioni più grandi per ridurre l'impedenza, e per il cablaggio del segnale utilizzare fori più piccoli. Naturalmente, man mano che la dimensione del foro diminuisce, il costo corrispondente aumenterà.

2. Le due formule discusse sopra mostrano che l'uso di schede PCB più sottili aiuta a ridurre i due parametri parassitari delle perforazioni.

3. Il cablaggio del segnale sulla scheda PCB non dovrebbe cambiare gli strati per quanto possibile, vale a dire, non utilizzare fori inutili per quanto possibile.

4. I perni dell'alimentazione elettrica e del terreno dovrebbero essere forati nel foro più vicino e il cavo tra il foro e i perni dovrebbe essere il più breve possibile. I fori passanti multipli possono essere considerati in parallelo per ridurre l'induttanza equivalente.

5. Alcuni fori di terra sono posizionati vicino ai fori di stratificazione del segnale per fornire un anello stretto per il segnale. Puoi anche mettere alcuni fori di terra extra nel PCB.

6. per scheda PCB ad alta velocità con densità più elevata, i micro-fori possono essere considerati.