Công nghệ PCB - Ảnh hưởng của PCB qua lỗ trên truyền tín hiệu

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

Ảnh hưởng của PCB qua lỗ trên truyền tín hiệu

Thông qua lỗ (VIA) là một thành phần quan trọng của PCB nhiều lớp và chi phí khoan thường chiếm từ 30 đến 40% chi phí sản xuất bảng mạch PCB. Nói một cách đơn giản, mỗi lỗ trên PCB có thể được gọi là lỗ thông qua. Về chức năng, các lỗ có thể được chia thành hai loại: một loại được sử dụng để kết nối điện giữa các lớp. Một loại khác được sử dụng để cố định hoặc định vị thiết bị. Về mặt kỹ thuật, những lỗ thông qua này thường được chia thành ba loại, đó là lỗ mù, lỗ chôn và lỗ thông qua. Các lỗ mù được đặt trên bề mặt trên và dưới của bảng mạch PRINTED 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). Các lỗ chôn là các lỗ kết nối cho lớp bên trong của bảng mạch in và không mở rộng đến bề mặt của bảng mạch in. Cả hai loại lỗ này đều nằm ở các lớp bên trong của bảng mạch, được thực hiện thông qua quá trình tạo hình lỗ trước khi cán và một số lớp bên trong có thể chồng chéo lên nhau trong quá trình hình thành lỗ thông qua.

Loại thứ ba, được gọi là lỗ thông qua, chạy qua toàn bộ bảng và có thể được sử dụng để kết nối nội bộ hoặc như một lỗ gắn và định vị cho các thành phần. Bởi vì lỗ thông qua là dễ dàng hơn để đạt được 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 qua sau đây phải được coi là lỗ thông qua mà không cần hướng dẫn cụ thể.

Từ quan điểm thiết kế, thông qua lỗ chủ yếu bao gồm hai phần, một lỗ khoan ở giữa và một khu vực đệm xung quanh lỗ khoan. Kích thước của hai phần này xác định kích thước của lỗ thông qua. Rõ ràng, khi thiết kế PCB tốc độ cao, mật độ cao, các nhà thiết kế luôn muốn lỗ càng nhỏ càng tốt, mẫu này có thể để lại nhiều không gian dây hơn, ngoài ra, lỗ càng nhỏ, điện dung ký sinh của nó càng nhỏ, phù hợp hơn cho mạch tốc độ cao. Nhưng việc giảm kích thước lỗ đồng thời cũng mang lại sự gia tăng chi phí, và kích thước của lỗ không thể được giảm không giới hạn, nó bị giới hạn bởi các kỹ thuật như khoan (khoan) và mạ (mạ): lỗ càng nhỏ, thời gian khoan càng dài, càng dễ bị lệch khỏi trung tâm; Khi độ sâu của lỗ lớn hơn 6 lần đường kính của lỗ, không thể đảm bảo sự đồng đều của bức tường lỗ. Ví dụ, nếu độ dày (độ sâu thông qua lỗ) của một bảng mạch PCB 6 lớp bình thường là 50Mil, thì nhà sản xuất PCB có thể cung cấp khẩu độ 8Mil trong điều kiện bình thường. Với sự phát triển của công nghệ khoan laser, kích thước của lỗ khoan cũng có thể nhỏ hơn và nhỏ hơn. Thông thường, các lỗ có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 6 mils, chúng tôi gọi chúng là micropores. Microporous thường được sử dụng trong thiết kế HDI (High Density Interconnection Structure). Công nghệ micropore cho phép các lỗ được chạm trực tiếp vào đĩa (VIA trong đĩa), giúp cải thiện đáng kể hiệu suất mạch và tiết kiệm không gian cáp.

Lỗ thông qua đường truyền là một điểm đứt có trở kháng không liên tục, sẽ gây ra phản xạ tín hiệu. Thông thường, trở kháng tương đương thông qua lỗ thấp hơn khoảng 12% so với đường truyền. Ví dụ, khi một đường truyền 50 ohm đi qua lỗ thông qua, trở kháng của nó sẽ giảm 6 ohm (cụ thể liên quan đến kích thước của lỗ thông qua và độ dày của tấm, không giảm). Tuy nhiên, phản xạ gây ra bởi sự gián đoạn của trở kháng thông qua lỗ thực sự rất nhỏ và hệ số phản xạ của nó chỉ là: (44-50)/(44+50)=0,06. Các vấn đề gây ra bởi các lỗ hổng tập trung nhiều hơn vào ảnh hưởng của điện dung ký sinh và điện cảm.

Điện dung ký sinh qua lỗ

Bản thân lỗ thông qua có điện dung ký sinh đối với mặt đất. Nếu đường kính của lỗ cách ly trên lớp lát là D2, đường kính của đĩa thông qua lỗ là D1, độ dày của bảng PCB là T và hằng số điện môi của chất nền là đảo, thì điện dung ký sinh của lỗ thông qua lỗ là xấp xỉ như sau: C=1,41 Đảo TD1/(D2-D1) Công suất ký sinh của lỗ chủ yếu ảnh hưởng đến mạch bằng cách kéo dài thời gian tăng tín hiệu và giảm tốc độ đường dẫn. Ví dụ, đối với bảng PCB có độ dày 50Mil, nếu đường kính bên trong của lỗ là 10mil và đường kính của miếng đệm là 20mil và khoảng cách giữa miếng đệm và sàn đồng là 32mil, chúng ta có thể sử dụng công thức trên để xấp xỉ điện dung ký sinh của lỗ: C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,032-0,020)=0,517pF, thay đổi thời gian tăng do phần điện dung này là: T10-90=2,2C (Z0/2)=2,2x0,517x (55/2)=31,287pF PS. Rõ ràng từ các giá trị này, mặc dù tác động của điện dung ký sinh của một lỗ duy nhất đối với độ trễ tăng là không rõ ràng, các nhà thiết kế nên cẩn thận nếu nhiều lỗ được sử dụng để chuyển đổi giữa các lớp.

Ký sinh cảm qua lỗ

Trong thiết kế của các mạch kỹ thuật số tốc độ cao, cảm ứng ký sinh của lỗ hổng có xu hướng gây hại hơn so với điện dung ký sinh. Cảm ứng song song ký sinh của nó có thể làm suy yếu sự đóng góp của điện dung bỏ qua và làm giảm hiệu quả lọc của toàn bộ hệ thống điện. Chúng ta có thể đơn giản tính toán độ tự cảm ký sinh thông qua một lỗ gần đúng bằng cách sử dụng công thức sau: L=5,08h [ln (4h/d)+1] trong đó L là độ tự cảm thông qua lỗ, là chiều dài của lỗ thông qua và d là đường kính của lỗ trung tâm. Như bạn có thể thấy từ phương trình, đường kính của lỗ có ảnh hưởng nhỏ đến cảm ứng, nhưng chiều dài của lỗ có ảnh hưởng đến cảm ứng. Vẫn sử dụng ví dụ trên, điện cảm bên ngoài lỗ có thể được tính là L=5,08x0,050 [ln (4x0,050/0,010)+1]=1,015nh. Nếu thời gian tăng của tín hiệu là 1ns, kích thước trở kháng tương đương là: XL=ÍL/T10-90=3,19 ÍN. Trong sự hiện diện của dòng điện tần số cao, trở kháng này không thể bỏ qua. Đặc biệt, tụ điện bỏ qua phải đi qua hai lỗ để kết nối lớp cung cấp với sự hình thành, do đó tăng gấp đôi độ tự cảm ký sinh của lỗ.

Ảnh hưởng của PCB qua lỗ trên truyền tín hiệu

Thông qua phân tích ở trên về các đặc tính ký sinh thông qua lỗ, chúng ta có thể thấy rằng trong thiết kế PCB tốc độ cao, các lỗ thông qua dường như đơn giản thường có tác động tiêu cực lớn đến thiết kế mạch. Để giảm tác động bất lợi của hiệu ứng ký sinh lỗ hổng, chúng ta có thể cố gắng làm như sau trong thiết kế:

1. Chọn kích thước khẩu độ hợp lý từ hai khía cạnh chi phí và chất lượng tín hiệu. Ví dụ, đối với thiết kế PCB mô-đun MEMORY 6-10 lớp, tốt nhất là chọn 10/20 triệu (khoan/pad) overhole, đối với một số bảng kích thước nhỏ mật độ cao, bạn cũng có thể thử 8/18 triệu overhole. Với công nghệ hiện tại, rất khó để sử dụng các lỗ nhỏ hơn. Đối với nguồn điện hoặc dây nối đất thông qua lỗ, hãy xem xét sử dụng kích thước lớn hơn để giảm trở kháng.

2. Hai công thức thảo luận ở trên cho thấy rằng việc sử dụng một bảng PCB mỏng hơn giúp giảm hai thông số ký sinh đi qua lỗ.

3. Pin cho nguồn điện và mặt đất nên được khoan gần đó. Dây dẫn ngắn hơn giữa pin và lỗ tốt hơn vì chúng dẫn đến tăng độ tự cảm. Đồng thời, nguồn điện và dây dẫn mặt đất nên càng dày càng tốt để giảm trở kháng.

4. Định tuyến tín hiệu trên bảng mạch PCB nên cố gắng không thay đổi lớp càng nhiều càng tốt, đó là, cố gắng không sử dụng các lỗ không cần thiết.

5. Đặt một số lỗ nối đất gần các lỗ mà lớp tín hiệu thay đổi để cung cấp một vòng kín cho tín hiệu. Bạn thậm chí có thể thêm rất nhiều lỗ nối đất bổ sung vào bảng mạch in. Tất nhiên, thiết kế của bạn cần phải linh hoạt. Mô hình thông qua lỗ được thảo luận ở trên là trường hợp có một miếng đệm trong mỗi lớp. Đôi khi, chúng ta có thể cắt giảm hoặc thậm chí loại bỏ lớp lót của một số lớp nhất định. Đặc biệt là trong trường hợp mật độ lỗ rất lớn, có thể dẫn đến sự hình thành các rãnh mạch cắt trong lớp đồng, để giải quyết vấn đề như vậy, ngoài vị trí của lỗ di chuyển, chúng ta cũng có thể xem xét việc hình thành các lỗ trên lớp đồng để giảm kích thước của miếng đệm.

Trong thiết kế PCB tốc độ cao, việc xem xét đầy đủ và kiểm soát hợp lý ảnh hưởng của việc thông qua lỗ là chìa khóa để đảm bảo hiệu suất mạch ổn định và đáng tin cậy. Thông qua đổi mới công nghệ liên tục và tối ưu hóa thiết kế, chúng tôi có thể đạt được thiết kế mạch tốc độ cao hiệu quả và đáng tin cậy hơn.