Технология PCB - влияние перерывов печатных плат на передачу сигналов

1.Базовая концепция проходов

Via является одним из важных компонентов многослойной печатных плат,стоимость сверления отверстий обычно составляет три0 - 40% от стоимости изготовления печатной платы. Проще говоря, каждое отверстие на печатной плате можно назвать.С функциональной точки зрения, Разрывы можно разделить на две категории: один предназначен для электрического соединения между слоями; другой является фиксации или размещения устройства.С точки зрения процесса, эти vias обычно делятся на три категории, глухие отверстия, погребенные vias и through vias.Глухие отверстия расположены на верхней и нижней поверхности печатной платы с определенной глубиной. Они используются для соединения поверхностных и нижних внутренних линий. Глубина отверстия обычно не превышает определенного соотношения (апертуры). заглубленное отверстие означает соединительное отверстие, которое не выходит на поверхность платы.

Вышеупомянутые два типа отверстий расположены во внутреннем слое печатной платы, и несколько внутренних слоев могут быть перекрыты при формировании сквозного отверстия. Третий тип называется сквозным отверстием, которое пронизывает всю печатную плату и может быть использовано для внутреннего соединения или в качестве отверстия для позиционирования компонентов.Поскольку сквозное отверстие проще в технологическом процессе,его стоимость ниже, в большинстве печатных плат оно используется вместо двух других типов сквозных отверстий.Следующие отверстия, если не указано иное, считаются сквозными.

с точки зрения конструкции,отверстие для проходки состоит главным образом из двух частей: одной из них является промежуточная скважина, а другой - область вокруг паяльной плиты. размер этих двух частей определяет размер проходного отверстия. Очевидно, что при проектировании высокоскоростного и плотного PCB конструкторы всегда хотят, чтобы проход был меньше, чем лучше, чтобы на платы было больше пространства для проводки. Кроме того, чем меньше отверстие, тем меньше его собственные паразитные емкости. Чем меньше, тем больше подходят высокоскоростные схемы. Однако уменьшение размеров отверстий также влечет за собой увеличение расходов и не может бесконечно сокращаться размеры отверстий. Он ограничен технологией бурения и гальванизации: чем меньше отверстия, тем больше их пробурено, тем больше времени занимает, тем легче отходить от центрального положения; когда глубина отверстия в шесть раз превышает диаметр отверстия, нельзя обеспечить равномерное меднение стенок отверстия. например, если толщина (глубина отверстия) обычной 6 - слойной PCB пластины составляет 50 мили, то производители PCB обычно обеспечивают минимальный диаметр отверстия, который может достигать лишь 8 мили. с развитием технологии лазерной перфорации размер отверстия может быть все меньше и меньше. обычно проходные отверстия диаметром менее или равны 6 милям называются микропористыми. микропористость обычно используется при проектировании HDI (конструкция межсоединений высокой плотности). технология Microvia позволяет непосредственно пробивать отверстие на паяльном диске (отверстие для прохода в сварном диске), что значительно повышает производительность цепи и экономит пространство для прокладки проводов.

Перерывы на линии передачи проявляются как разрывные точки сопротивлений, что приводит к отражению сигнала. обычно эквивалентное сопротивление проходного отверстия примерно на 12% ниже,чем эквивалентное сопротивление передающей линии. например, при прохождении линии передачи 50 ом через отверстие сопротивление будет снижено на 6 ом (конкретно,это связано с размером и толщиной отверстия, а не с абсолютным снижением).Однако на самом деле,отражение, вызванное разрывным сопротивлением отверстия,очень мало. коэффициент отражения составляет только: (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06. проблемы,связанные с проходными отверстиями,в большей степени связаны с паразитной емкостью и индуктивностью. 

2.паразитная емкость и индуктивность через отверстие

само отверстие имеет паразитную емкость. если известно, что проходное отверстие соединяет сварной шаблон пласта диаметром D2, проходной паяльный арочный диаметром D1,толщиной плиты PCB - T, а диэлектрической проницаемостью пластины - МККМ, то паразитная емкость проходного отверстия приблизительно равна: C = "1".

паразитная емкость пропускания через отверстие оказывает основное влияние на цепь, удлиняя время нарастания сигнала и снижая скорость цепи. например, для PCB толщиной 50 мили, если диаметр проходного паяльного диска составляет 20 мили (диаметр отверстия - 10 мили),а для сопротивленных пластин - 40 мили, то можно приблизить паразитные емкости для проходного отверстия к вышеуказанной формуле примерно следующим образом:

C = "1".41x4. 4x0. 050x0. 020 / (0040-0.020) = 0.31pF

Величина изменения времени нарастания, вызванная этой частью емкости, приблизительно равна:

T10 - 90 = 2.2C (Z0 / 2) = 2,2x0. 31x (50 / 2) = 17.05ps

Из этих значений можно отметить, что, хотя влияние паразитной емкости одного прохода на задержку подъема не очевидно, если проход используется несколько раз в трассе для переключения между слоями, конструкция требует тщательного рассмотрения. В реальной конструкции паразитная емкость может быть уменьшена путем увеличения расстояния между проходом и медной площадкой (Anti-pad) или уменьшения диаметра площадки.

в перерыве есть паразитная емкость и паразитная индуктивность. при проектировании высокоскоростных цифровых схем вредность паразитной индуктивности через отверстия часто превышает воздействие паразитных емкостей. его паразитная последовательная индуктивность ослабит вклад блокированной емкости и эффективность фильтрации всей энергосистемы. Мы можем просто рассчитать паразитную индуктивность дыр, используя следующую эмпирическую формулу:

L = "5".08h[ln(4h/d)+1]

среди них L - индуктивность проходного отверстия, h - длина проходного отверстия, d - диаметр центрального отверстия. из формулы видно, что диаметр проходного отверстия меньше влияет на индуктивность, а длина проходного отверстия больше всего влияет на индуктивность. все же, используя вышеуказанные примеры, можно рассчитать индуктивность отверстия как L = "5". 050 [ln (4x0.050 / 0.010) + 1]

если время нарастания сигнала составляет 1 НС, то эквивалентное сопротивление составляет: XL = восприимчивость.

когда ток высокой частоты проходит, это сопротивление больше не может быть проигнорировано. особое внимание следует обратить на то, что при соединении поверхностей электропитания и пластов блокирующие конденсаторы должны проходить через два отверстия, с тем чтобы паразитная индуктивность через них удвоилась.

3.как использовать прокладки

Благодаря приведенному выше анализу паразитных характеристик виа, мы можем увидеть следующее. при проектировании высокоскоростных печатных плат, казалось бы, простое сквозное отверстие часто оказывает огромное негативное влияние на дизайн схемы. Для того чтобы уменьшить негативное влияние паразитных эффектов, вызванных сквозными отверстиями, при проектировании можно сделать следующее:

Учитывая стоимость и качество сигнала, выберите разумный размер.При необходимости можно рассмотреть возможность использования различных размеров разрывов. Например, сквозное отверстие для питания или заземления можно использовать большего размера для снижения импеданса, для сопутствующих сигналов можно использовать меньшие сквозные отверстия.Конечно,при уменьшении размера отверстия соответствующая стоимость увеличивается.

Из двух формул, рассмотренных выше,можно использовать разбавитель панели PCB для уменьшения двух паразитных параметров сквозного отверстия.

Старайтесь не менять слои сигнальных трасс на панели печатной платы,То есть старайтесь не использовать лишние разводы.

кабели питания и заземления должны быть сверлены в непосредственной близости, а провода между отверстиями и штырями должны быть как можно короче. рассмотреть возможность параллельного бурения нескольких отверстий,чтобы уменьшить эквивалентную индуктивность.

прокладка нескольких заземленных отверстий вблизи отверстий в сигнальном слое, с тем чтобы дать сигнал в ближайшем будущем.даже в PCB можно было бы поместить несколько лишних заземленных отверстий.

Для высокоплотных высокоскоростных панельных печатных плат вы можете рассмотреть возможность использования микроотверстий.