Технология PCB - влияние перерывов на передачу сигналов

фёрст, the basic concept of vias

Via is one of the important components of multilayer PCB, стоимость сверления скважин обычно составляет три0 - 40% от стоимости производства PCB. Simply put, Каждая лунка на PCB может называться. From the point of view of function, Перерывы можно разделить на две категории: одну для электрического соединения между слоями; другое устройство для фиксации или локации. In terms of process, Эти проходные отверстия обычно делятся на три категории, namely, глухое отверстие, buried vias and through vias. слепая дыра находится на верхней и нижней поверхности печатной платы с определенной глубиной. They are used to connect the surface line and the underlying inner line. The depth of the hole usually does not exceed a certain ratio (aperture). Buried hole refers to the connection hole located in the inner layer of the printed circuit board, не растянутая на поверхность платы. The above-mentioned two types of holes are located in the inner layer of the circuit board, технология формования через отверстие перед слоем, and several inner layers may be overlapped during the formation of the via. Третий тип называется сквозное отверстие, which penetrates the entire circuit board and can be used for internal interconnection or as a component mounting positioning hole. Потому что проход отверстия легче в процессе, стоимость ниже, Большинство печатных плат используют его, а не два других отверстия. The via holes mentioned below, если не предусмотрено иное, are considered as via holes.

с точки зрения конструкции, a via is mainly composed of two parts, одна скважина посередине, and the other is the pad area around the drill hole. размер этих двух частей определяет размер проходного отверстия. Obviously, высокая скорость, high-density PCB design, дизайнер всегда хотел, чтобы проход был меньше, лучше, лучше, so that more wiring space can be left on the board. Кроме того, the smaller the via hole, собственный паразитный емкость. The smaller it is, Чем больше он подходит для высокоскоростных схем. However, уменьшение размеров отверстий также приводит к увеличению затрат, and the size of vias cannot be reduced indefinitely. Он ограничен технологией бурения и гальванизации: чем меньше отверстие, Чем больше скважин, тем больше их время, the easier it is to deviate from the center position; and when the depth of the hole exceeds 6 times the diameter of the drilled hole, нельзя обеспечить равномерное меднение стенки отверстия. например, if the thickness (through hole depth) of a normal 6-layer PCB board is 50Mil, потом в нормальных условиях, изготовитель PCB предлагает минимальный диаметр отверстия только до 8 мм. с развитием технологии лазерной перфорации, the size of the hole can be smaller and smaller. В общем, a via with a diameter less than or equal to 6Mils is called a microhole. Microvias are often used in HDI (High Density Interconnect Structure) design. Microvia technology allows vias to be directly punched on the pad (Via-in-pad), это значительно повышает производительность цепи и экономит пространство для проводки.

Vias appear as breakpoints with discontinuous impedance on the transmission line, Это вызывает отражение сигнала. Generally, эквивалентное сопротивление проходного отверстия примерно на 12% ниже эквивалентного сопротивления линии передачи. например, the impedance of a 50 ohm transmission line will decrease by 6 ohms when passing through the via (specifically, Он связан с размерами и толщиной проходного отверстия, not an absolute reduction). However, отражение, вызванное разрывным импедансом проходного отверстия, на самом деле очень мало, and its reflection coefficient is only: (44-50)/(44+50)=0.06. проблемы, возникающие в результате проходного отверстия, в большей степени сконцентрированы на паразитной емкости и индуктивности. Impact.

второй, the parasitic capacitance and inductance of the via

The via itself has parasitic stray capacitance. если известно, что проходное отверстие соединяет пласт со сварным шаблоном диаметром D2, the diameter of the via pad is D1, толщина панели PCB для T, диэлектрическая постоянная на подложке описанных пластин, the parasitic capacitance of the via is approximately: C=1.41%/(D2-D1)

The main effect of the parasitic capacitance of the via hole on the circuit is to extend the rise time of the signal and reduce the speed of the circuit. например, for a PCB board with a thickness of 50Mil, if the diameter of the via pad is 20Mil (the diameter of the hole is 10Mils), and the diameter of the solder mask is 40Mil, then we can approximate the size of the via using the above formula The parasitic capacitance is roughly:

C=1.41x4.4x0.0500x0.020/(0.040 - 0.020)=0.31pF

The rise time change caused by this part of the capacitance is roughly:

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

It can be seen from these values that although the effect of the rise delay caused by the parasitic capacitance of a single via is not very obvious, если в дорожке несколько раз использовалось отверстие для переключения между слоями, Использовать несколько пропусков , The design must be carefully considered. В настоящем проекте, the parasitic capacitance can be reduced by increasing the distance between the via hole and the copper area (Anti-pad) or reducing the diameter of the pad.

паразитная емкость и паразитная индуктивность. In the design of high-speed digital circuits, паразитная индуктивность через отверстие часто создает больше вреда, чем эффект паразитной емкости. Its parasitic series inductance will weaken the contribution of the bypass capacitor and weaken the filtering effect of the entire power system. We can use the following empirical formula to simply calculate the parasitic inductance of a via:

L=5.08h[ln(4h/d)+1]

Where L refers to the inductance of the via, H длина проходного отверстия, and d is the diameter of the center hole. из формулы видно, что диаметр отверстия мало влияет на индуктивность, and the length of the via has the greatest influence on the inductance. все еще используется этот пример, the inductance of the via can be calculated as:

L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH

If the rise time of the signal is 1ns, then its equivalent impedance is: XL=ÏL/T10 - 90 = 3.19 ©. Such impedance can no longer be ignored when high-frequency current passes. при соединении слоя питания и пласта особое внимание должно уделяться проходу через два отверстия обходного конденсатора, Поэтому паразитная индуктивность через отверстие удвоится.

Third, how to use vias

Through the above analysis of the parasitic characteristics of vias, мы видим это при проектировании высокоскоростной PCB, seemingly simple vias often bring great negative effects to circuit design. в целях уменьшения негативного воздействия паразитного эффекта, the following can be done in the design:

1. одновременно учитывать стоимость и качество сигнала, выбрать рациональный размер по размеру. В случае необходимости, you can consider using different sizes of vias. например, for power or ground vias, Вы можете рассмотреть возможность использования больших размеров, чтобы уменьшить сопротивление, сопровождение сигналов, you can use smaller vias. Конечно, as the size of the via decreases, соответствующие затраты будут расти.

2. Две Обсуждавшиеся выше формулы позволяют сделать вывод о том, что использование более тонкой PCB способствует снижению двух паразитных параметров отверстия.

3. Try not to change the layers of the signal traces on the PCB board, То есть, try not to use unnecessary vias.

4. The pins of the power supply and the ground should be drilled nearby, провод между отверстиями и выводами должен быть как можно короче. рассмотреть возможность параллельного объединения нескольких проходных отверстий для уменьшения эквивалентной индуктивности.

5. Place some grounded vias near the vias of the signal layer to provide the closest return to the signal. даже на PCB можно разместить избыточное заземление.

6. For high-speed PCB boards with higher density, Вы можете рассмотреть возможность использования микропроходного отверстия.