PCB Tecnico - Come evitare l'effetto negativo di vias nella progettazione PCB ad alta velocità

Concetto di base di via foro

Via è una delle parti più importanti del PCB multistrato. 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 via. In termini di funzione, vias può essere diviso in due tipi: uno è utilizzato per il collegamento elettrico tra strati; l'altro è destinato a dispositivi di fissaggio o posizionamento. In termini di processo, queste vie sono generalmente divise in tre categorie: via cieca, via sepolta e via. Il foro cieco si trova sulla superficie superiore e inferiore del circuito stampato e ha una certa profondità. È usato per collegare il circuito di superficie e il circuito interno sottostante. La profondità del foro di solito non è più di un certo rapporto (apertura). Foro sepolto si riferisce al foro di collegamento nello strato interno del circuito stampato, che non si estende alla superficie del circuito stampato. I due tipi di fori di cui sopra si trovano nello strato interno del PCB. Prima della laminazione, il processo di stampaggio a foro passante viene utilizzato per completare il processo e diversi strati interni possono essere sovrapposti nel processo di formazione via.

Il terzo tipo è chiamato foro passante, che passa attraverso l'intero circuito stampato e può essere utilizzato per l'interconnessione interna o come foro di posizionamento dell'installazione dei componenti. Poiché il foro passante è più facile da realizzare e il costo è inferiore, la maggior parte dei circuiti stampati lo usano invece degli altri due. Le vie menzionate di seguito, senza istruzioni speciali, sono considerate fori passanti.

Dal punto di vista della progettazione, un foro passante è composto principalmente da due parti, una è il foro centrale del trapano, 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 piccola è la via, meglio è, in modo che ci possa essere più spazio di cablaggio sulla scheda.

Inoltre, più piccola è la via, più piccola è la sua capacità parassitaria, che è più adatta ai circuiti ad alta velocità. Tuttavia, la diminuzione della dimensione del foro porta l'aumento del costo e la dimensione del foro passante non può essere ridotta senza limite. È limitato dalla tecnologia di perforazione e placcatura: più piccolo è il foro, più lungo è il tempo di perforazione e più facile è deviare dalla posizione centrale. Inoltre, quando la profondità del foro è più di 6 volte del diametro del foro, è impossibile garantire la placcatura uniforme di rame sulla parete del foro. Ad esempio, se lo spessore (profondità passante) di un normale PCB a 6 strati è di 50 Mil, in condizioni normali, il diametro del foro di perforazione fornito dal produttore di PCB può raggiungere solo 8 mil. Con lo sviluppo della tecnologia di perforazione laser, la dimensione del foro di perforazione può anche essere sempre più piccola. Generalmente, attraverso il foro con diametro inferiore o uguale a 6mils è chiamato micropore. I micropori sono spesso utilizzati nella progettazione HDI (struttura di interconnessione ad alta densità). La tecnologia microporosa consente ai vias di essere perforati direttamente sul pad, il che migliora notevolmente le prestazioni del circuito e risparmia spazio di cablaggio.

Vias sono punti di interruzione discontinui dell'impedenza sulle linee di trasmissione, che possono causare la riflessione del segnale. In generale, l'impedenza equivalente dei vias è di circa il 12% inferiore a quella delle linee di trasmissione. Ad esempio, l'impedenza delle linee di trasmissione da 50 ohm diminuirà di 6 ohm quando passano attraverso i vias (è legata alla dimensione dei vias e allo spessore delle piastre, ma non alla riduzione). Ma la riflessione causata dalla discontinuità di impedenza di via è in realtà molto piccola, e il suo coefficiente di riflessione è solo (44-50) / (44 + 50) = 0,06, e i problemi causati da via si concentrano principalmente sull'influenza della capacità parassitaria e dell'induttanza.

Capacitanza parassitica e induttanza di via

Se il diametro dell'area della maschera di saldatura di via è D2, il diametro di via pad è D1, lo spessore del PCB è t e la costante dielettrica del substrato è ε, la capacità parassitaria di via è approssimativamente C=1,41 ε TD1 / (d2-d1)

L'influenza principale della capacità parassitaria di via sul circuito è 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 (diametro di perforazione è 10mils), e il diametro della maschera di saldatura è 40mil, allora possiamo approssimativamente calcolare la capacità parassitaria del via dalla formula di cui sopra: C = 1.41x4.4x0.050xx.020 / (0.040-0.020) = 0.31pf. La variazione del tempo di salita causata da questa capacità è: t10-90 = 2.2c (Z0 / 2) = 2.2x0.31x (50 / 2) = 17.05ps

Da questi valori, si può vedere che anche se l'effetto della capacità parassitaria di una singola via non è evidente, se le vie vengono utilizzate ripetutamente per la commutazione dello strato nel cablaggio, verranno utilizzate vie multiple, che dovrebbero essere attentamente considerate nella progettazione. Nella progettazione effettiva, la capacità parassitaria può essere ridotta aumentando la distanza tra via e strato di rame (anti pad) o diminuendo il diametro del pad.

Nella progettazione del circuito digitale ad alta velocità, il danno causato dall'induttanza parassitaria di via è spesso maggiore di quello della capacità parassitaria. La sua induttanza di serie parassitaria indebolirà il contributo della capacità di bypass e l'efficienza di filtraggio 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], 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 poco effetto sull'induttanza, mentre la lunghezza del foro via ha un effetto sull'induttanza. Sempre usando l'esempio precedente, possiamo calcolare l'induttanza via come segue: 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 = π L / t10-90 = 3.19 Ω. Questa impedenza non può essere ignorata quando c'è una corrente ad alta frequenza che passa attraverso. Va notato che la capacità di bypass deve passare attraverso due vie quando si collega lo strato di potenza e lo strato, quindi l'induttanza parassitaria della via sarà raddoppiata.

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 dall'effetto parassitario delle vie, possiamo fare del nostro meglio per fare quanto segue nella progettazione:

1.From i due aspetti di costo e qualità del segnale, scegliere una dimensione ragionevole di via dimensione. Se necessario, si possono prendere in considerazione flaconcini di diverse dimensioni. Ad esempio, per i vias di alimentazione elettrica o di filo di terra, le dimensioni più grandi possono essere utilizzate per ridurre l'impedenza, mentre i vias più piccoli possono essere utilizzati per il cablaggio del segnale. Naturalmente, con la diminuzione della dimensione via, il costo corrispondente aumenterà anche.

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

3.Prova a non cambiare lo strato del cablaggio del segnale sulla scheda PCB, vale a dire, cerca di non utilizzare via inutile.

4. Il perno dell'alimentazione elettrica e della terra dovrebbe essere forato nelle vicinanze, e più breve il cavo tra la via e il perno, meglio. Al fine di ridurre l'induttanza equivalente, si possono considerare più vias in parallelo.

5.Place alcuni vias a terra vicino ai vias del cambiamento dello strato del segnale, in modo da fornire il ciclo vicino per i segnali. Alcuni vias ridondanti di messa a terra possono anche essere posizionati sulla scheda PCB.

6.For PCB ad alta velocità con alta densità, micro via può essere considerato.