PCB Tecnico - Come progettare vias nel routing del circuito stampato PCB?

Cos'è una via?

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, i vias sono generalmente divisi in tre categorie, vale a dire vias ciechi, vias sepolti e fori passanti.

I fori 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 realizzare nel processo e il costo è inferiore, viene utilizzato nella maggior parte dei circuiti stampati invece degli altri due tipi di fori passanti. I seguenti fori, se non diversamente specificato, sono considerati fori passanti.

Composizione dei vias

Dal punto di vista progettuale, una via è composta principalmente da due parti, una è il foro nel mezzo e l'altra è l'area del pad intorno al foro. 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 galvanizzazione: più piccolo è il foro, più tempo ci vuole per perforare. Più a lungo, più facile è deviare dalla posizione centrale; e quando la profondità del foro supera 6 volte il diametro del foro forato, è impossibile 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 minimo di perforazione che i produttori di PCB possono fornire può raggiungere solo 8Mil.

Caratteristiche parassite dei vias

1 Capacità parassita

La via stessa ha una capacità parassitaria di terra. Se è noto che il diametro del foro di isolamento 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, quindi la capacità parassitaria della via è approssimativamente:

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 viene utilizzata una via con un diametro interno di 10Mil e un diametro del pad di 20Mil e la distanza tra il pad e l'area di rame macinata è 32Mil, allora possiamo approssimare la via utilizzando la formula di cui sopra La capacità parassitaria è approssimativamente:

C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,032-0,020)

=0,517pF

La quantità di variazione nel tempo di salita causata da questa parte della capacità è:

T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,517x(55/2)

=31,28 ps

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 evidente, se la via viene utilizzata più volte nella traccia per passare da uno strato all'altro, il progettista dovrebbe comunque considerare attentamente.

Induttanza parassitica

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 semplicemente calcolare l'induttanza parassitaria di una via con la seguente formula:

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.

Tecniche per la progettazione di vie

Attraverso la progettazione nel PCB ad alta velocità della fabbrica di circuiti stampati Attraverso l'analisi di cui sopra delle caratteristiche parassitarie della via, possiamo vedere che nel design del PCB ad alta velocità, vias apparentemente semplici spesso portano molto alla progettazione del circuito. Effetti negativi. Al fine di ridurre gli effetti avversi causati dagli effetti parassitari delle vie, nel disegno si possono fare quanto segue: