Технология PCB - Как справиться с перфорацией в многослойном PCB?

Перфорация является одним из наиболее важных компонентов многослойной печатной пластины. Затраты на бурение обычно составляют от 30% до 40% себестоимости производства ПХБ.Короче говоря,каждое отверстие в PCB можно назвать перфорацией.

Функционально перфорации можно разделить на два типа: один используется для электрического соединения между слоями; Другой используется в стационарных или позиционных устройствах. С технологической точки зрения эти перфорации обычно делятся на три категории: слепые перфорации, погребенные перфорации и сквозные отверстия. Слепые отверстия расположены на верхней и нижней поверхностях печатных плат и имеют 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.

Третий называется сквозным отверстием, которое проходит через всю монтажную плату и может использоваться для внутреннего межсоединения или в качестве установочного позиционного отверстия для компонентов. Поскольку сквозное отверстие легче реализовать и дешевле, большинство печатных плат используют его вместо двух других. Упомянутые ниже перфорации (без специального описания) считаются сквозными отверстиями.

С точки зрения конструкции отверстие состоит в основном из двух частей, одна из которых представляет собой промежуточную скважину, а другая - область прокладки вокруг скважины. Размер этих двух частей определяет размер отверстия. Очевидно, что в высокоскоростном и плотном дизайне PCB дизайнеры всегда хотят, чтобы чем меньше отверстие, тем лучше, чтобы на доске было больше места для проводки. Кроме того, чем меньше перфорация, тем меньше ее 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,невозможно гарантировать равномерное медное покрытие на стенке отверстия. Например, если толщина нормального 6 - слойного PCB (глубина отверстия) составляет 50 м, при нормальных условиях диаметр скважины, предоставляемой производителем PCB, 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 перфорировать отверстие непосредственно на сварном диске, что значительно улучшает производительность схемы и экономит пространство для проводки.

Многоуровневый PCB

Перепористость - это точка останова прерывистого сопротивления линии передачи, которая может вызвать отражение сигнала. Как правило, эквивалентное сопротивление перфорации примерно на 12% ниже, чем эквивалентное сопротивление линии передачи. Например, сопротивление линии передачи 50 Ом уменьшается на 6 Ом при прохождении через отверстие (что связано с размером отверстия и толщиной пластины, но не с уменьшением). Но рефлекс, вызванный разрывом сопротивления перфорации, на самом деле очень мал, и его коэффициент отражения составляет всего (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06, в то время как проблемы, вызванные перфорацией, в основном сосредоточены на воздействии паразитных конденсаторов и индуктивности.

Паразитическая емкость и индуктивность перфорации

Если диаметр зоны сварки с перфорацией D2, диаметр перфорированного диска D1, толщина PCB t и диэлектрическая константа фундамента Isla мкг, то паразитная емкость перфорации составляет около C = 1.41 Isla мкTD1 / (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 диаметр перфорированного диска составляет 20 миль (диаметр отверстия - 10 миль), а диаметр шаблона сварного материала - 40 миль, Затем мы можем вычислить паразитную емкость перфорации с помощью аппроксимации верхнего порядка: C = 1.41x4.4x0.050x0.020 / (0.040 - 0.020) = 0.31pf. 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 паразитных конденсаторов отдельных перфораций не является очевидным, при повторном использовании перфорации в проводке для переключения слоя используется несколько перфораций, 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 опасность перфорации паразитной индуктивности часто больше, чем опасность паразитной емкости. Его паразитная последовательная индуктивность ослабляет вклад байпасной емкости и эффективность фильтрации всей энергосистемы. Мы можем просто рассчитать паразитную индуктивность перфорации, используя следующую эмпирическую формулу: l = 5.08 h [ln (4h / D) + 1], где l является индуктивностью перфорации, h - длиной перфорации, а D - диаметром центрального отверстия. Из формулы видно, что диаметр перфорации мало влияет на индуктивность, а длина перфорации влияет на индуктивность. Используя приведенный выше пример, мы можем рассчитать индуктивность перфорации следующим образом: l = 5.08x0.050 [ln (4x0.050 / 0.010) + 1] = 1015nh. Если время подъема сигнала составляет 1ns, его эквивалентное сопротивление: XL = l / t10 - 90 = 3.19. При прохождении высокочастотного тока это сопротивление нельзя игнорировать. Следует отметить, что при соединении энергетического слоя и пласта шунтовая емкость должна проходить через два перфорации, поэтому паразитная индуктивность перфорации 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 паразитического эффекта перфорации, мы можем попытаться сделать следующие вещи при проектировании:

Выберите разумный размер перфорации как с точки зрения стоимости, так и качества сигнала. При необходимости можно рассмотреть пробоины разных размеров. Например, для перфорации источника питания или заземления для уменьшения сопротивления могут использоваться большие размеры, в то время как меньшие перфорации могут использоваться для сигнальной проводки. Конечно, по мере уменьшения размера перфорации соответствующие затраты будут увеличиваться.

Из двух формул, рассмотренных выше, можно сделать вывод, что использование более тонкого ПХД способствует снижению двух паразитических параметров перфорации.

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

Подключатели питания и заземления должны быть сверлены поблизости, и чем короче провод между перфорацией и выводом, тем лучше. Чтобы уменьшить эквивалентную индуктивность, можно рассмотреть несколько параллельных перфораций.

5. Установка некоторых заземленных перфораций вблизи перфорации изменения сигнального слоя для обеспечения замкнутого контура сигнала. Некоторые избыточные заземленные отверстия могут быть даже размещены на панели PCB.

Для высокоскоростных ПХБ высокой плотности можно рассмотреть микроперфорации.