PCB Tecnico - Non lasciare che le vie rovinino l'intera tavola

Via è uno dei componenti importanti del PCB multistrato. Il costo della perforazione di solito rappresenta dal 30% al 40% del costo della produzione di PCB. In poche parole, ogni foro sul PCB può essere chiamato via.

Dal punto di vista della funzione, i vias possono essere suddivisi in due categorie:

Utilizzato come collegamento elettrico tra strati; Utilizzati per il fissaggio o il posizionamento dei dispositivi; In termini di processo, queste vie sono generalmente suddivise in tre categorie:

Via cieca Via sepolta Via cieca Via cieca Foro cieco

Si trova sulle superfici superiori e inferiori del circuito stampato e ha una certa profondità, che viene utilizzata per il collegamento del circuito di superficie e del circuito interno sottostante. La profondità del foro di solito non supera un certo rapporto (apertura).

Buco 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.

Attraverso il foro

Questo tipo di foro penetra l'intero circuito stampato e può essere utilizzato per l'interconnessione interna o come foro di posizionamento dell'installazione 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 progettuale, una via è composta principalmente da due parti:

Foro foratoArea del pannello intorno al foro trapanoLa dimensione di queste due parti determina la dimensione del 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, maggiore è la sua capacità parassitaria. Piccolo, più adatto per 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, lo spessore (attraverso la profondità del foro) di una normale scheda PCB a 6 strati è di circa 50Mil, quindi il diametro più piccolo del foro di perforazione che i produttori di PCB possono fornire 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 micro-foro. Le microvie sono spesso utilizzate nella progettazione 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.

L'effetto dei vias sulla trasmissione del segnale: capacità parassitaria e induttanza parassitaria

Vias appaiono come punti di interruzione con impedenza discontinua sulla linea di trasmissione, che causerà riflessi del segnale. Generalmente, l'impedenza equivalente della via è circa il 12% inferiore a quella della linea di trasmissione. Ad esempio, l'impedenza di una linea di trasmissione da 50 ohm diminuisce di 6 ohm quando passa attraverso la via (nello specifico, è legata alle dimensioni 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.

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, allora la capacità parassitaria della via è approssimativamente la seguente:

C=1,41*ε*T*D1/(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 la dimensione del via utilizzando la formula di cui sopra La capacità parassitaria è approssimativamente:

C=1,41*4,4*0,050*0,020/(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) =2,2*0,31* (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=5,08*h*[ln(4*h/d)+1]

Tra questi: L si riferisce all'induttanza del foro via h è la lunghezza del foro via 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=5,08*0,050*[ln(4x0,050/0,010)+1] =1,015nH

Se il tempo di salita del segnale è 1ns, allora la sua impedenza equivalente è:

XL = 2πL/T=6,37Ω

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.

Come usare i vias

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 delle vie, la progettazione può essere fatta il più possibile: considerando il costo e la qualità del segnale, selezionare una dimensione ragionevole della via. Se necessario, prendere in considerazione l'uso di flaconcini di diverse dimensioni. Ad esempio, per la progettazione PCB del modulo di memoria a 6-10 strati:

È meglio usare 10/20Mil (forato/pad) vias. Per alcune schede ad alta densità di piccole dimensioni, si può anche provare a utilizzare 8/18Mil vias. Nelle attuali condizioni tecniche, è difficile utilizzare vias più piccoli. Per via di alimentazione o messa a terra, è possibile prendere in considerazione l'utilizzo di una dimensione più grande per ridurre l'impedenza. Per tracce di segnale, è possibile utilizzare vie più piccole. Naturalmente, man mano che la dimensione della via diminuisce, il costo corrispondente aumenterà.

Le due formule discusse sopra possono essere concluse che l'uso di un PCB più sottile è vantaggioso per ridurre i due parametri parassitari della via.

Cerca di non cambiare gli strati delle tracce del segnale sulla scheda PCB, cioè cerca di non utilizzare vias inutili.

I perni dell'alimentazione elettrica e del terreno dovrebbero essere perforati nelle vicinanze e i cavi tra i vias e i perni dovrebbero essere il più brevi possibile, perché aumenteranno l'induttanza. Allo stesso tempo, i cavi di potenza e terra dovrebbero essere il più spessi possibile per ridurre l'impedenza. Considerare la foratura di vie multiple in parallelo per ridurre l'induttanza equivalente.

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.

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

Naturalmente, il design deve essere flessibile. Il modello via discusso in precedenza è il caso in cui ci sono pad su ogni strato. A volte, possiamo ridurre o persino rimuovere i pad di alcuni strati. Soprattutto quando la densità dei vias è molto alta, può portare alla formazione di una scanalatura di rottura che separa il loop nello strato di rame. Per risolvere questo problema, oltre a spostare la posizione della via, possiamo anche considerare di posizionare la via sullo strato di rame. La dimensione del tampone è ridotta.