Công nghệ PCB - Đừng để lỗ thủng làm hỏng toàn bộ bảng

Quá lỗ là một trong những thành phần quan trọng của PCB nhiều lớp. Chi phí khoan thường chiếm từ 30 đến 40% chi phí sản xuất PCB. Nói một cách đơn giản, mỗi lỗ trên PCB có thể được gọi là lỗ thông qua.

Từ quan điểm chức năng, thông qua lỗ có thể được chia thành hai loại:

Được sử dụng như một kết nối điện giữa các lớp; để sửa chữa hoặc định vị thiết bị; Về quy trình, các lỗ thông qua này thường được chia thành ba loại:

Cầu chôn mù thông qua lỗ mù

Nó nằm ở mặt trên và dưới của bảng mạch in và có độ sâu nhất định để kết nối các mạch bề mặt với các mạch bên trong bên dưới. Độ sâu của lỗ thường không vượt quá một tỷ lệ nhất định (khẩu độ).

hố chôn

Nó đề cập đến các lỗ kết nối nằm ở lớp bên trong của bảng mạch in và không mở rộng đến bề mặt của bảng. Hai loại lỗ trên nằm ở lớp bên trong của bảng mạch và được hoàn thành bằng quá trình hình thành lỗ thông qua trước khi cán, trong đó một số lớp bên trong có thể chồng chéo lên nhau trong quá trình hình thành lỗ thông qua.

Thông qua lỗ

Các lỗ như vậy chạy qua toàn bộ bảng và có thể được sử dụng để kết nối nội bộ hoặc để gắn các lỗ định vị như các phần tử. Vì lỗ thông qua dễ thực hiện hơn trong quá trình và ít tốn kém hơn, hầu hết các bảng mạch in sử dụng nó thay vì hai loại lỗ thông qua khác. Các lỗ thông sau đây được coi là lỗ thông trừ khi có quy định khác.

Từ quan điểm thiết kế, overhole chủ yếu bao gồm hai phần:

Kích thước của hai phần của khu vực pad xung quanh lỗ khoan xác định kích thước của lỗ thông qua. Rõ ràng, trong thiết kế PCB tốc độ cao, mật độ cao, các nhà thiết kế luôn muốn thông qua lỗ càng nhỏ càng tốt, để lại nhiều không gian cáp hơn trên bảng. Ngoài ra, thông qua lỗ càng nhỏ, điện dung ký sinh của nó càng lớn. Kích thước nhỏ, phù hợp hơn với mạch tốc độ cao. Tuy nhiên, việc giảm kích thước lỗ cũng có thể dẫn đến tăng chi phí và kích thước thông qua lỗ không thể giảm vô hạn. Nó bị giới hạn bởi công nghệ xử lý như khoan và mạ điện: lỗ càng nhỏ, càng khoan, lỗ càng dài, càng dễ lệch khỏi vị trí trung tâm; Khi độ sâu của lỗ vượt quá 6 lần đường kính lỗ khoan, không có gì đảm bảo rằng các bức tường lỗ có thể được mạ đồng đều. Ví dụ, một bảng mạch PCB 6 lớp thông thường có độ dày (độ sâu qua lỗ) khoảng 50 triệu, do đó đường kính khoan tối thiểu mà một nhà sản xuất PCB có thể cung cấp chỉ có thể đạt 8 triệu. Với sự phát triển của công nghệ khoan laser, kích thước của lỗ có thể ngày càng nhỏ hơn. Thông thường, các lỗ thông qua có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 6 mils được gọi là micropores. Micropore thường được sử dụng trong thiết kế HDI (High Density Interconnection Structure). Công nghệ Micro-Through cho phép đấm trực tiếp qua lỗ (thông qua lỗ trong chảo), giúp cải thiện đáng kể hiệu suất mạch và tiết kiệm không gian dây.

Ảnh hưởng của lỗ thông qua truyền tín hiệu: điện dung ký sinh và cảm ứng ký sinh

Quá mức hoạt động như một điểm ngắt trên đường truyền với trở kháng không liên tục, điều này sẽ dẫn đến phản xạ tín hiệu. Thông thường, trở kháng tương đương thông qua lỗ thấp hơn khoảng 12% so với đường truyền. Ví dụ, trở kháng của một đường truyền 50 ohm sẽ giảm 6 ohm khi đi qua lỗ (cụ thể là nó liên quan đến kích thước và độ dày của lỗ thông qua, thay vì giảm tuyệt đối). Tuy nhiên, phản xạ gây ra bởi trở kháng không liên tục thông qua lỗ thực sự rất nhỏ. Hệ số phản xạ chỉ là: (44-50)/(44+50)=0,06. Các vấn đề gây ra bởi lỗ thông qua tập trung nhiều hơn vào điện dung ký sinh và điện cảm. Ảnh hưởng.

Bản thân lỗ thông qua có điện dung phân tán ký sinh. Nếu đường kính màng điện trở trên hình thành lỗ thông qua là D2, đường kính đĩa thông qua lỗ là D1, độ dày của bảng PCB là T và hằng số điện môi của chất nền là ¦ µ, thì điện dung ký sinh qua lỗ thông qua lỗ được biết là như sau:

C=1.41*μ*T*D1/（D2-D1）

Ảnh hưởng chính của điện dung ký sinh thông qua lỗ trên mạch là kéo dài thời gian tăng tín hiệu và giảm tốc độ của mạch. Ví dụ, đối với PCB có độ dày 50Mil, nếu đường kính của pad thông qua lỗ là 20Mil (đường kính của lỗ là 10Mil) và mặt nạ hàn là 40Mil, thì chúng ta có thể sử dụng công thức trên để xấp xỉ kích thước của lỗ thông qua. Điện dung ký sinh là khoảng:

C=1.41*4.4*0.050*0.020/（0.040-0.020）=0.31pF

Số lượng thay đổi thời gian tăng do phần điện dung này gây ra là xấp xỉ:

T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2*0.31*（50/2）=17.05ps

Từ những giá trị này có thể thấy rằng mặc dù tác động của sự chậm trễ tăng do điện dung ký sinh của một lỗ thông qua duy nhất không rõ ràng, nếu lỗ thông qua được sử dụng nhiều lần trong dấu vết để chuyển đổi giữa các lớp, nhiều lỗ thông qua sẽ được sử dụng. Thiết kế phải được xem xét cẩn thận. Trong thiết kế thực tế, điện dung ký sinh có thể được giảm bằng cách tăng khoảng cách giữa các lỗ thông qua và khu vực đồng (miếng đệm chống hàn) hoặc bằng cách giảm đường kính của miếng đệm.

Cả điện dung ký sinh và điện cảm ký sinh đều được tìm thấy trong các lỗ thông qua. Trong thiết kế của mạch kỹ thuật số tốc độ cao, điện cảm ký sinh qua lỗ thường gây hại nhiều hơn ảnh hưởng của điện dung ký sinh. Cảm ứng song song ký sinh của nó có thể làm suy yếu sự đóng góp của tụ điện bỏ qua và làm suy yếu hiệu ứng lọc của toàn bộ hệ thống điện. Chúng ta có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau đây để tính toán đơn giản điện cảm ký sinh qua lỗ:

L=5.08*h*[ln（4*h/d）+1]

Trong đó: L có nghĩa là điện cảm qua lỗ h là chiều dài qua lỗ d là đường kính của lỗ trung tâm.

Như bạn có thể thấy từ công thức, đường kính của lỗ thông qua ảnh hưởng nhỏ đến cảm ứng, trong khi chiều dài của lỗ thông qua ảnh hưởng lớn nhất đến cảm ứng. Vẫn sử dụng ví dụ trên, điện cảm qua lỗ có thể được tính là:

L=5.08*0.050*[ln（4x0.050/0.010）+1]=1.015nH

Nếu thời gian tăng tín hiệu là 1ns, trở kháng tương đương của nó là:

XL=2πL/T=6.37π

Khi dòng điện tần số cao đi qua, trở kháng này không còn có thể bị bỏ qua. Cần đặc biệt chú ý rằng khi kết nối mặt phẳng nguồn và mặt đất, tụ điện bỏ qua cần phải đi qua cả hai lỗ thông qua để điện cảm ký sinh qua lỗ tăng theo cấp số nhân.

Cách sử dụng Hole

Thông qua phân tích ở trên về các đặc tính ký sinh quá lỗ, chúng ta có thể thấy rằng trong thiết kế PCB tốc độ cao, dường như quá lỗ đơn giản thường có tác động tiêu cực lớn đến thiết kế mạch. Để giảm tác động bất lợi do hiệu ứng ký sinh qua lỗ, thiết kế có thể được thực hiện càng nhiều càng tốt: xem xét chi phí và chất lượng tín hiệu, chọn kích thước hợp lý của lỗ thông qua. Nếu cần thiết, hãy cân nhắc sử dụng các kích thước khác nhau của lỗ thông qua. Ví dụ, đối với 6-10 lớp lưu trữ mô-đun PCB thiết kế:

Tốt nhất là sử dụng 10/20Mil (khoan/pad) thông qua lỗ. Đối với một số bảng mạch kích thước nhỏ có mật độ cao, bạn cũng có thể thử sử dụng 8/18Mil qua lỗ. Trong điều kiện kỹ thuật hiện tại, rất khó để sử dụng các lỗ nhỏ hơn. Đối với việc cung cấp điện hoặc nối đất, hãy xem xét sử dụng kích thước lớn hơn để giảm trở kháng. Đối với dấu vết tín hiệu, các lỗ nhỏ hơn có thể được sử dụng. Đương nhiên, khi kích thước lỗ thông qua giảm xuống, chi phí tương ứng cũng sẽ tăng lên.

Hai công thức trên có thể kết luận rằng việc sử dụng PCB mỏng hơn có lợi cho việc giảm hai thông số ký sinh thông qua lỗ.

Cố gắng không thay đổi số lớp tín hiệu đi bộ trên bảng mạch PCB, đó là cố gắng không sử dụng quá mức không cần thiết.

Các chân cho nguồn điện và mặt đất nên được đục lỗ gần đó và các dây dẫn giữa các lỗ và chân phải càng ngắn càng tốt vì chúng làm tăng độ tự cảm. Đồng thời, dây điện và dây mặt đất nên càng dày càng tốt để giảm trở kháng. Xem xét khoan nhiều lỗ thông qua song song để giảm điện cảm tương đương.

Đặt một số lỗ thông qua mặt đất gần lỗ thông qua lớp chuyển đổi tín hiệu để cung cấp đường dẫn trở lại gần nhất cho tín hiệu. Bạn thậm chí có thể đặt một số lỗ nối đất dự phòng trên PCB.

Đối với bảng mạch PCB tốc độ cao mật độ cao, việc sử dụng micropass có thể được xem xét.

Tất nhiên, thiết kế cần phải linh hoạt. Mô hình quá lỗ được thảo luận trước đó là trường hợp mỗi lớp có một miếng đệm hàn. Đôi khi, chúng ta có thể cắt giảm hoặc thậm chí loại bỏ lớp lót của một số lớp nhất định. Đặc biệt là khi mật độ của lỗ thông qua rất cao, nó có thể dẫn đến sự hình thành của một khe nứt ngăn cách các vòng lặp trong lớp đồng. Để giải quyết vấn đề này, ngoài việc di chuyển vị trí của lỗ thông qua, chúng ta cũng có thể xem xét đặt lỗ thông qua trên lớp đồng. Kích thước đệm giảm.