PCB Tecnico - L'impatto dei PCB vias sulla trasmissione del segnale

1. Il concetto di base di vias

Via è uno dei componenti importanti del PCB multistrato, e il costo della perforazione di solito rappresenta dal 30% al 40% dei costi di produzione del PCB. In poche parole, ogni foro sul PCB può essere chiamato via. Dal punto di vista funzionale, i vias possono essere suddivisi in due categorie: una viene utilizzata per i collegamenti elettrici tra strati; l'altro è utilizzato per il fissaggio o il posizionamento di dispositivi. In termini di processo, questi vias sono generalmente divisi in tre categorie, vale a dire vias ciechi, vias sepolti e vias attraverso. I vias ciechi si trovano sulla superficie superiore e inferiore del circuito stampato e hanno una certa profondità. Sono utilizzati per collegare la linea superficiale e la linea interna sottostante. La profondità del foro di solito non supera un certo rapporto (apertura). Foro sepolto si riferisce al foro di collegamento situato nello strato interno del circuito stampato, che non si estende alla superficie del circuito stampato.

I due tipi di fori sopra menzionati sono situati nello strato interno del circuito stampato e sono completati da un processo di formatura del foro passante prima della laminazione e diversi strati interni possono essere sovrapposti durante la formazione del via. Il terzo tipo è chiamato un foro passante, che penetra l'intero circuito stampato e può essere utilizzato per l'interconnessione interna o come foro di posizionamento di montaggio del componente. Poiché il foro passante è più facile da implementare nel processo e il costo è inferiore, la maggior parte dei circuiti stampati lo utilizza invece degli altri due tipi di fori passanti. I seguenti fori, se non diversamente specificato, sono considerati fori passanti.

Dal punto di vista della progettazione, una via è composta 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 della via. Ovviamente, nel design PCB ad alta velocità e ad alta densità, i progettisti sperano sempre che più piccolo è il foro passante, meglio è, in modo che possa essere lasciato più spazio di cablaggio sulla scheda. Inoltre, più piccolo è il foro via, la capacità parassitaria propria. Più piccolo è, più adatto ai circuiti ad alta velocità. Tuttavia, la riduzione delle dimensioni dei fori comporta anche un aumento dei costi e le dimensioni dei vias non possono essere ridotte indefinitamente. È limitato da tecnologie di processo come foratura e placcatura: più piccolo è il foro, più foratura Più lungo il foro richiede, più facile è deviare dalla posizione centrale; e quando la profondità del foro supera 6 volte il diametro del foro forato, non si può garantire che la parete del foro possa essere placcata uniformemente con rame. Ad esempio, se lo spessore (attraverso la profondità del foro) di una normale scheda PCB a 6 strati è 50Mil, allora in condizioni normali, il diametro minimo di perforazione fornito dal produttore di PCB può raggiungere solo 8Mil. Con lo sviluppo della tecnologia di perforazione laser, la dimensione del foro può essere sempre più piccola. Generalmente, una via con un diametro inferiore o uguale a 6Mils è chiamata microforo. Le microvie sono spesso utilizzate nei progetti HDI (High Density Interconnect Structure). La tecnologia Microvia consente di perforare direttamente i vias sul pad (Via-in-pad), migliorando notevolmente le prestazioni del circuito e risparmiando spazio di cablaggio.

Vias appaiono come punti di interruzione con impedenza discontinua sulla linea di trasmissione, che causerà riflessi del segnale. Generalmente, l'impedenza equivalente di una via è circa il 12% inferiore a quella di una linea di trasmissione. Ad esempio, l'impedenza di una linea di trasmissione da 50 ohm diminuirà di 6 ohm quando passa attraverso una via (nello specifico, è legata alla dimensione e allo spessore della via, non una riduzione assoluta). Tuttavia, il riflesso causato dall'impedenza discontinua della via è in realtà molto piccolo. Il coefficiente di riflessione è solo: (44-50)/(44+50)=0,06. I problemi causati dalla via sono più concentrati sulla capacità parassitaria e l'induttanza. Impatto.

2, la capacità parassitaria e l'induttanza della via

La via stessa ha una capacità parassitaria randagio. Se è noto che il diametro della maschera di saldatura sullo strato di terra della via è D2, il diametro del pad via è D1, lo spessore della scheda PCB è T e la costante dielettrica del substrato della scheda è ε, la capacità parassitaria della via è approssimata a: C="1".41εTD1/(D2-D1)

L'effetto principale della capacità parassitaria della via sul circuito è quello di estendere il tempo di salita del segnale e ridurre la velocità del circuito. Ad esempio, per un PCB con uno spessore di 50Mil, se il diametro del pad via è 20Mil (il diametro del foro è 10Mils), e il diametro della maschera di saldatura è 40Mil, allora possiamo approssimare il foro passante dalla formula di cui sopra La capacità parassitaria è approssimativamente:

C="1".41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF

La quantità di variazione nel tempo di salita causata 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 più volte nella traccia per passare da uno strato all'altro, verranno utilizzate più vie., Il disegno deve essere attentamente considerato. Nella progettazione effettiva, la capacità parassitaria può essere ridotta aumentando la distanza tra la via e l'area in rame (Anti-pad) o riducendo il diametro del pad.

Le capacità parassitarie esistono in vias così come nelle induttanze parassitarie. Nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, il danno causato dalle induttanze parassitarie dei vias è spesso maggiore dell'impatto delle capacità parassitarie. La sua induttanza di serie parassitaria indebolirà il contributo del condensatore bypass e indebolirà l'effetto filtrante dell'intero sistema di alimentazione. Possiamo usare la seguente formula empirica per calcolare semplicemente l'induttanza parassitaria di una via:

L="5".08h[ln(4h/d)+1]

Quando L si riferisce all'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 una piccola influenza sull'induttanza e la lunghezza della via ha la maggiore influenza sull'induttanza. Sempre usando l'esempio precedente, l'induttanza della via può essere calcolata come: L="5".08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH

Se il tempo di salita del segnale è 1ns, allora la sua impedenza equivalente è: XL=πL/T10-90=3.19Ω.

Tale impedenza non può più essere ignorata quando passano le correnti ad alta frequenza. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata al fatto che il condensatore bypass deve passare attraverso due vie quando si collega il piano di potenza e il piano di terra, in modo che l'induttanza parassitaria dei vie aumenterà esponenzialmente.

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 dagli effetti parassitari dei vias, nel disegno si possono fare quanto segue:

1. Considerando sia il costo che la qualità del segnale, scegliere una dimensione ragionevole tramite dimensione. Se necessario, può prendere in considerazione l'uso di diverse dimensioni di vias. Ad esempio, per via di alimentazione o messa a terra, è possibile prendere in considerazione l'utilizzo di una dimensione più grande per ridurre l'impedenza, e per tracce di segnale, è possibile utilizzare via più piccole. Naturalmente, man mano che la dimensione della via diminuisce, il costo corrispondente aumenterà.

2. Le due formule discusse sopra possono essere derivate, l'uso di una scheda PCB più sottile è utile per ridurre i due parametri parassitari della via.

3. Cercate di non cambiare gli strati delle tracce del segnale sulla scheda PCB, cioè cercate di non utilizzare vias inutili.

4. I perni dell'alimentazione elettrica e del terreno dovrebbero essere forati nelle vicinanze e il cavo tra la via e il perno dovrebbe essere il più breve possibile. Considerare la foratura di vie multiple in parallelo per ridurre l'induttanza equivalente.

5. Posizionare alcuni vias a terra vicino ai vias dello strato di cambio del segnale per fornire il percorso di ritorno più vicino per il segnale. È anche possibile posizionare alcuni vias di terra ridondanti sul PCB.

6. Per schede PCB ad alta densità ad alta velocità, è possibile considerare l'utilizzo di micro vias.