Технология PCB - Как избежать негативного воздействия пробоин в высокоскоростном дизайне PCB

Основные понятия отверстия

Перфорация является одним из наиболее важных компонентов многослойного PCB. Затраты на бурение обычно составляют от 30% до 40% себестоимости производства ПХБ. Короче говоря, каждое отверстие в PCB можно назвать сквозным отверстием. Функционально отверстие можно разделить на две категории: один используется для электрического соединения между слоями; Другой используется для стационарного или позиционного оборудования. В технологическом отношении эти перфорации, как правило, делятся на три категории: слепые перфорации, погребенные перфорации и сквозные отверстия. Слепое отверстие расположено в верхней и нижней частях печатной платы и имеет определенную глубину. Он используется для соединения поверхностных и внутренних цепей ниже. Глубина отверстия обычно не превышает определенного соотношения (апертура). Погруженное отверстие относится к соединительному отверстию внутри печатной платы, которое не простирается до поверхности платы. Оба типа отверстий расположены внутри PCB. Перед ламинированием для завершения процесса используется процесс сквозного формования, который может перекрывать несколько внутренних слоев во время сквозного формования.

Третий тип называется сквозным отверстием, которое проходит через всю монтажную плату и может использоваться для внутреннего соединения или в качестве установочного позиционного отверстия для компонентов. Поскольку сквозные отверстия легче реализовать и дешевле, большинство печатных плат используют их вместо двух других. Упомянутые ниже сквозные отверстия считаются сквозными, если они конкретно не указаны.

С точки зрения конструкции отверстие состоит в основном из двух частей, одна из которых представляет собой промежуточное отверстие, а другая - область прокладки вокруг отверстия. Размер этих двух частей определяет размер отверстия. Очевидно, что в высокоскоростном и плотном дизайне PCB дизайнеры всегда хотят, чтобы отверстие было меньше, чем лучше, чтобы на платах было больше места для проводки.

Кроме того, чем меньше сквозное отверстие, тем меньше его собственная паразитная емкость, более подходящая для высокоскоростных схем. Однако уменьшение размера отверстия приводит к увеличению затрат, и размер отверстия не может быть уменьшен без ограничений. Он ограничен технологией бурения и гальванического покрытия: чем меньше отверстие, тем дольше оно пробуривается, тем легче отходит от центрального положения. Кроме того, когда глубина отверстия превышает диаметр отверстия в 6 раз, равномерное медное покрытие на стенке отверстия не гарантируется. Например, если толщина обычного 6 - слойного ПХБ (глубина отверстия) составляет 50 м, то при нормальных условиях диаметр скважины, предлагаемой производителем ПХБ, может достигать только 8 м. С развитием технологии лазерного бурения размер скважины также может быть все меньше и меньше. Обычно отверстия диаметром менее 6 миль называются микроотверстиями. Микротверы обычно используются для проектирования HDI (структуры межсоединений высокой плотности). Технология микропористости позволяет штамповать сквозные отверстия непосредственно на сварном диске, что значительно повышает производительность схемы и экономит пространство для проводки.

Перепористость - это точка останова прерывистого сопротивления линии передачи, которая может привести к отражению сигнала. В целом, эквивалентное сопротивление сквозного отверстия примерно на 12% ниже, чем эквивалентное сопротивление линии передачи. Например, сопротивление линии передачи 50 Ом уменьшается на 6 Ом при прохождении сквозного отверстия (что связано с размером сквозного отверстия и толщиной пластины, но не с уменьшением). Но рефлекс, вызванный разрывом сопротивления сквозного отверстия, на самом деле очень мал, и его коэффициент отражения составляет всего (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06, а проблемы, вызванные сквозным отверстием, в основном сосредоточены на воздействии паразитной емкости и индуктивности.

Паразитная емкость и индуктивность перфорации

Если диаметр зоны сварки через отверстие составляет D2, диаметр сквозного диска - D1, толщина PCB - t, диэлектрическая константа фундамента - мю, то паразитная емкость сквозного отверстия составляет около C = 1,41 мкТД1 / (D2 - D1)

Основным воздействием перфорированной паразитной емкости на схему является увеличение времени подъема сигнала и снижение скорости цепи. Например, для ПХБ толщиной 50 миль, если сварочный диск с сквозным отверстием имеет диаметр 20 миль (диаметр отверстия 10 миль) и диаметр маски сварного материала 40 миль, мы можем приблизительно рассчитать паразитную емкость отверстия по вышеуказанной формуле: C = 1.41 x4.4 x0.050x0.020 / (0.040 - 0.020) = 0.31 pf. Время подъема, вызванное этой емкостью, изменяется следующим образом: t10 - 90 = 2.2c (Z0 / 2) = 2.2x0.31x (50 / 2) = 17.05ps

Из этих значений видно, что, хотя влияние паразитной емкости одного сквозного отверстия не является очевидным, при повторном использовании сквозного отверстия в проводке для переключения слоя используется несколько сквозных отверстий, которые следует тщательно учитывать при проектировании. В практической конструкции паразитная емкость может быть уменьшена путем увеличения расстояния между отверстием и медным слоем (анти - сварочным диском) или уменьшения диаметра сварного диска.

При проектировании высокоскоростных цифровых схем паразитная индуктивность через отверстие часто наносит больше вреда, чем паразитная емкость. Его паразитная последовательная индуктивность ослабит вклад шунтирующей емкости и эффективность фильтрации всей энергосистемы. Мы можем просто рассчитать паразитную индуктивность сквозного отверстия, используя следующую эмпирическую формулу: l = 5.08 h [ln (4h / D) + 1], где l является индуктивностью сквозного отверстия, h - длиной сквозного отверстия, а D - диаметром центрального отверстия. Из формулы видно, что диаметр отверстия оказывает незначительное влияние на индуктивность, а длина отверстия влияет на индуктивность. Продолжая использовать приведенные выше примеры, мы можем рассчитать индуктивность сквозного отверстия следующим образом: l = 5.08x0.050 [ln (4x0.050 / 0.010) + 1] = 1,015nh. Если время подъема сигнала составляет 1ns, его эквивалентное сопротивление составляет: XL = π L / t10 - 90 = 3,19 мкм. При прохождении высокочастотного тока это сопротивление нельзя игнорировать. Следует отметить, что при соединении силового слоя и пласта шунтовая емкость должна проходить через два сквозных отверстия, поэтому паразитная индуктивность сквозного отверстия удваивается.

Как использовать отверстие

Из приведенного выше анализа паразитических свойств перфорации мы видим, что, казалось бы, простые перфорации в высокоскоростной конструкции PCB часто оказывают большое негативное влияние на конструкцию схемы. Чтобы уменьшить негативное воздействие паразитических эффектов сквозных отверстий, мы можем сделать следующие вещи максимально возможными при проектировании:

Выберите разумный размер отверстия с точки зрения как стоимости, так и качества сигнала. При необходимости можно рассмотреть сквозные отверстия разных размеров. Например, для сквозных отверстий источника питания или заземления для уменьшения сопротивления можно использовать больший размер, в то время как меньшие сквозные отверстия могут использоваться для проводки сигнала. Конечно, по мере уменьшения размера сквозных отверстий соответствующие затраты также увеличиваются.

Из этих двух формул можно сделать вывод, что использование более тонкого ПХД способствует снижению двух паразитических параметров сквозного отверстия.

Старайтесь не менять слой сигнальной проводки на панели PCB, то есть старайтесь не использовать ненужные перфорации.

Подключение источника питания и заземления должно быть сверлено поблизости, и чем короче провод между перфорацией и выводом, тем лучше. Для снижения эквивалентной индуктивности можно рассмотреть возможность одновременного подключения нескольких сквозных отверстий.

5. Установка некоторых заземленных проходных отверстий вблизи отверстий, через которые изменяется сигнальный слой, для обеспечения замкнутого контура сигнала. Некоторые избыточные заземленные отверстия могут быть даже размещены на панели PCB.

6. Для высокоскоростных ПХБ высокой плотности можно рассмотреть микросквозные отверстия.