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

In primo luogo, 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 della funzione, vias può essere suddiviso in due categorie: una viene utilizzata per il collegamento elettrico 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 attraverso vias. 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 usano invece degli altri due tipi di fori passanti. I fori passanti indicati di seguito, salvo 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 della dimensione del foro 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 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. 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 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, e il suo 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.

Secondo, la capacità parassitaria e l'induttanza della via stessa ha una capacità parassitaria. 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 approssimativamente: C=1.41εTD1/(D2-D1) L'effetto principale della capacità parassitaria del foro di via sul circuito è di estendere il tempo di salita del segnale e ridurre la velocità del circuito. Ad esempio, per una scheda 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, La capacità parassitaria è approssimativamente: C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF Il cambiamento del tempo di aumento causato da questa parte della capacità è approssimativamente: T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps Si può vedere da questi valori che anche se l'effetto del ritardo di aumento causato dalla capacità parassitaria di una singola via non è Molto ovvio, 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 il foro passante e l'area di 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 della capacità parassitaria. 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] Dove 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 passa la corrente ad alta frequenza. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata al fatto che il condensatore bypass deve passare attraverso due vie quando si collega lo strato di potenza e lo strato di terra, in modo che l'induttanza parassitaria della via raddoppierà.

In terzo luogo, come utilizzare i vias Attraverso l'analisi di cui sopra delle caratteristiche parassitarie dei vias, possiamo vedere che nella progettazione PCB ad alta velocità, i vias apparentemente semplici spesso portano grandi effetti negativi alla progettazione dei circuiti. Al fine di ridurre gli effetti avversi causati dagli effetti parassitari dei vias, si può fare quanto segue nella progettazione: 1. Considerando sia il costo che la qualità del segnale, selezionare 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 concluse che l'utilizzo di un 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. Considera di riprodurre più vie in parallelo per ridurre l'induttanza equivalente. 5. Posizionare alcuni vias a terra vicino ai vias dello strato di segnale per fornire il ritorno più vicino al segnale. È anche possibile posizionare alcuni vias di terra ridondanti sul PCB. 6. Per schede PCB ad alta velocità con densità più elevata, è possibile prendere in considerazione l'uso di micro vias.