Teknik PCB - Kesan vias pada penghantaran isyarat frekuensi tinggi

1. Konsep asas vias

Via adalah salah satu komponen penting PCB berbilang lapisan, dan biaya pengeboran biasanya mengandungi 30% hingga 40% biaya penghasilan PCB. Setiap lubang di PCB boleh dipanggil melalui. Dari sudut pandangan fungsi, vias boleh dibahagi ke dua kategori: satu digunakan untuk sambungan elektrik diantara lapisan; yang lain digunakan untuk memperbaiki atau menempatkan peranti. Dalam bentuk proses, vial ini secara umum dibahagi ke tiga kategori, iaitu vial buta, vial terkubur dan melalui vial. Via buta ditempatkan pada permukaan atas dan bawah papan sirkuit cetak dan mempunyai kedalaman tertentu. Mereka digunakan untuk menyambungkan garis permukaan dan garis dalaman di bawah. Kedalaman lubang biasanya tidak melebihi nisbah tertentu (terbuka). Lubang terkubur merujuk ke lubang sambungan yang terletak dalam lapisan dalaman papan sirkuit cetak, yang tidak meneruskan ke permukaan papan sirkuit. Dua jenis lubang yang disebut di atas ditempatkan di lapisan dalaman papan sirkuit, dan disempurnakan oleh proses bentuk lubang melalui sebelum laminasi, dan beberapa lapisan dalaman mungkin ditutup semasa bentuk melalui.

Jenis ketiga dipanggil lubang melalui, yang menembus seluruh papan sirkuit dan boleh digunakan untuk sambungan dalaman atau sebagai lubang pemasangan komponen. Kerana lubang melalui lebih mudah untuk dilaksanakan dalam proses dan biaya lebih rendah, kebanyakan papan sirkuit cetak menggunakannya daripada dua jenis lain melalui lubang. Berikut melalui lubang, kecuali ditentukan sebaliknya, dianggap sebagai melalui lubang.

Via

Dari sudut pandang rancangan, satu melalui kebanyakan terdiri dari dua bahagian, satu ialah lubang bor di tengah, dan yang lain ialah kawasan pad di sekitar lubang bor. Saiz dua bahagian ini menentukan saiz melalui. Jelas sekali, dalam rancangan PCB dengan kelajuan tinggi, densiti tinggi, perancang sentiasa berharap bahawa semakin kecil lubang melalui, semakin baik, sehingga lebih banyak ruang kabel boleh ditinggalkan di papan. Selain itu, semakin kecil lubang melalui, kapasitas parasit sendiri. Semakin kecil ia, semakin sesuai ia untuk sirkuit kelajuan tinggi. Namun, pengurangan saiz lubang juga menyebabkan peningkatan kos, dan saiz botol tidak boleh dikurangkan tanpa batas. Ia dibatasi oleh teknologi proses seperti pengeboran dan plat: semakin kecil lubang, semakin banyak pengeboran semakin lama lubang mengambil, semakin mudah ia untuk melebihi dari kedudukan tengah; dan apabila kedalaman lubang melebihi 6 kali diameter lubang terbongkar, ia tidak boleh dijamin bahawa dinding lubang boleh dilapis secara serentak dengan tembaga. Contohnya, jika tebal papan PCB 6 lapisan normal (melalui kedalaman lubang) adalah 50Mil, maka dalam keadaan normal, diameter pengeboran minimum yang boleh diberikan oleh pembuat PCB hanya boleh mencapai 8Mil. Dengan pengembangan teknologi pengeboran laser, saiz lubang boleh menjadi lebih kecil dan lebih kecil. Secara umum, laluan dengan diameter kurang atau sama dengan 6Mils dipanggil lubang mikro. Microvias sering digunakan dalam reka-reka HDI (Struktur Sambungan Kuasa Tinggi). Teknologi Microvia membolehkan vias ditembak secara langsung pada pad (Via-in-pad), yang meningkatkan prestasi sirkuit dan menyimpan ruang kawat.

Laluan muncul sebagai titik putus dengan impedance yang berhenti pada garis transmisi, yang akan menyebabkan refleksi isyarat. Secara umum, impedance yang sama dengan melalui adalah kira-kira 12% lebih rendah daripada garis penghantaran. Contohnya, penghalang garis transmisi 50 ohm akan menurun 6 ohm apabila melewati melalui (secara khusus, ia berkaitan dengan saiz dan tebal melalui, bukan pengurangan mutlak). Bagaimanapun, refleksi disebabkan oleh impedance berhenti melalui adalah sebenarnya sangat kecil. Koeficien refleksi hanya: (44-50)/(44+50)=0.06. Masalah disebabkan melalui lebih berkonsentrasi pada kapasitas parasit dan induktan. Impak.

2, kapasitas parasit dan induktan melalui

Melalui dirinya sendiri mempunyai kapasitas parasit tersesat. Jika diketahui bahawa diameter topeng solder pada lapisan tanah melalui adalah D2, diameter pad melalui adalah D1, tebal papan PCB adalah T, dan konstan dielektrik substrat papan adalah ε, kapasitas parasit melalui adalah kira-kira: C=1.41εTD1/(D2-D1)

Kesan utama kapasitas parasit melalui litar adalah untuk memperpanjang masa naik isyarat dan mengurangkan kelajuan litar. Contohnya, untuk PCB dengan tebal 50Mil, jika diameter pad melalui adalah 20Mil (diameter pengeboran adalah 10Mil), dan diameter topeng askar adalah 40Mil, Kemudian kita boleh kira-kira saiz melalui menggunakan formula di atas Kapensiti parasit adalah kira-kira: C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF Perubahan masa naik disebabkan oleh bahagian ini kapasitasi adalah kira-kira: T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps

Dari nilai-nilai ini, ia boleh dilihat bahawa walaupun kesan keterlaluan meningkat disebabkan oleh kapasitasi parasit satu melalui tidak terlalu jelas, jika melalui digunakan berbilang kali dalam jejak untuk bertukar antara lapisan, vias berbilang akan digunakan. Design mesti dipertimbangkan dengan hati-hati. Dalam rancangan sebenar, kapasitas parasit boleh dikurangkan dengan meningkatkan jarak antara melalui dan kawasan tembaga (Anti-pad) atau mengurangkan diameter pad.

Kapensiensi parasit wujud dalam botol dan induksi parasit. Dalam rancangan sirkuit digital kelajuan tinggi, kerosakan disebabkan oleh induksi parasit vias sering lebih besar daripada kesan kapasitas parasit. Induktansi seri parasitik akan lemahkan kontribusi kondensator bypass dan lemahkan kesan penapisan seluruh sistem kuasa. Kita boleh guna formula empirik berikut untuk menghitung induktan parasit melalui: L=5.08h[ln(4h/d)+1] di mana L merujuk kepada induktan melalui, h ialah panjang melalui, dan d ialah diameter lubang tengah. Ia boleh dilihat dari formula bahawa diameter melalui mempunyai pengaruh kecil pada induktan, dan panjang melalui mempunyai pengaruh terbesar pada induktan. Masih menggunakan contoh di atas, induktansi laluan boleh dihitung sebagai: L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH Jika masa naik isyarat adalah 1ns, maka impedance yang sama Ia adalah: XL=Ï-L/T10-90=3.19Ω. Impedansi seperti ini tidak boleh lagi diabaikan apabila arus frekuensi tinggi berlalu. Perhatian istimewa perlu diberikan kepada fakta bahawa kapasitator bypass perlu melewati dua vias apabila menyambung pesawat kuasa dan pesawat tanah, sehingga induktan parasit vias akan meningkat secara eksponensial.

Kapensiensi parasitik dan induktan vias

Tiga, bagaimana untuk menggunakan vias

Melalui analisis atas ciri-ciri parasit vias, kita boleh melihat bahawa dalam rekaan PCB kelajuan tinggi, kelihatannya vias sederhana sering membawa kesan negatif besar pada rekaan sirkuit. Untuk mengurangi kesan negatif yang disebabkan oleh kesan parasit vias, perkara berikut boleh dilakukan dalam rancangan:

1. Mengingat kualiti kosong dan isyarat, pilih saiz yang masuk akal melalui saiz. Jika diperlukan, anda boleh pertimbangkan menggunakan saiz yang berbeza vias. Contohnya, untuk saluran kuasa atau tanah, and a boleh pertimbangkan menggunakan saiz yang lebih besar untuk mengurangi impedance, dan untuk jejak isyarat, anda boleh menggunakan saluran yang lebih kecil. Sudah tentu, sebagaimana saiz melalui menurun, biaya yang sepadan akan meningkat.

   
   

2. Dua formula yang dibincangkan di atas boleh dikatakan bahawa penggunaan PCB yang lebih tipis adalah bermanfaat untuk mengurangi dua parameter parasit melalui.3. Cuba jangan ubah lapisan jejak isyarat pada papan PCB, iaitu, cuba jangan guna vias yang tidak diperlukan.4. Pin bekalan kuasa dan tanah seharusnya dibuang dekat, dan pemimpin antara melalui dan pin seharusnya sebagai pendek yang mungkin. Pertimbangkan pengeboran vial berbilang secara selari untuk mengurangi induktan yang sama.5. Letakkan beberapa butang mendarat dekat butang bagi lapisan perubahan isyarat untuk menyediakan laluan kembalian terdekat bagi isyarat. Anda bahkan boleh meletakkan beberapa vial tanah yang berlebihan pada PCB.6. Untuk papan PCB kelajuan tinggi, anda boleh pertimbangkan menggunakan vial mikro.