Công nghệ PCB - Làm thế nào để tránh tác động tiêu cực của quá lỗ trong thiết kế PCB tốc độ cao

Khái niệm cơ bản về lỗ thông qua

Quá lỗ là một trong những thành phần quan trọng nhất của PCB nhiều lớp. Chi phí khoan thường chiếm 30 đến 40% chi phí sản xuất PCB. Nói tóm lại, mỗi lỗ trên PCB có thể được gọi là lỗ thông qua. Về mặt chức năng, thông qua 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 công nghệ, những lỗ này thường được chia thành ba loại: mù qua lỗ, chôn qua lỗ và thông qua lỗ. Các lỗ mù nằm ở mặt trên và dưới của bảng mạch in và có độ sâu nhất định. Nó được sử dụng để kết nối các mạch bề mặt bên dưới và các mạch bên trong. Độ sâu của lỗ thường không vượt quá một tỷ lệ nhất định (khẩu độ). Các lỗ chôn đề cập đến các lỗ kết nối trong 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 PCB. Quá trình này được hoàn thành bằng cách sử dụng quá trình tạo hình qua lỗ trước khi cán, trong đó một số lớp bên trong có thể chồng chéo lên nhau.

Loại thứ ba, được gọi là lỗ thông qua, đi qua toàn bộ bảng và có thể được sử dụng để kết nối nội bộ hoặc như một lỗ định vị lắp đặt cho các thành phần. Bởi vì thông qua lỗ là dễ dàng hơn để đạt được và ít tốn kém hơn, hầu hết các bảng mạch in sử dụng nó thay vì hai người kia. Các lỗ thông qua được đề cập dưới đây, nếu không được mô tả cụ thể, được coi là lỗ thông qua.

Từ quan điểm thiết kế, lỗ thông qua chủ yếu bao gồm hai phần, một phần là lỗ khoan ở giữa và một phần là khu vực đệm xung quanh lỗ khoan. Kích thước của hai phần này 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 có nhiều không gian cáp hơn trên bảng.

Ngoài ra, thông qua lỗ càng nhỏ, điện dung ký sinh của chính nó càng nhỏ, phù hợp hơn với mạch tốc độ cao. Tuy nhiên, việc giảm kích thước lỗ đi kèm với sự gia tăng chi phí và kích thước thông qua lỗ không thể giảm mà không có giới hạn. Nó bị giới hạn bởi công nghệ khoan và mạ điện: lỗ càng nhỏ, thời gian khoan càng dài, càng dễ lệch khỏi vị trí trung tâm. Ngoài ra, khi độ sâu của lỗ vượt quá 6 lần đường kính của lỗ, không thể đảm bảo mạ đồng đều trên tường lỗ. Ví dụ, nếu một PCB 6 lớp thông thường có độ dày (độ sâu thông qua lỗ) là 50 mils, trong điều kiện bình thường, đường kính khoan được cung cấp bởi nhà sản xuất PCB chỉ có thể đạt 8 mils. 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 thông qua có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 6 triệu được gọi là micropores. Micropore thường được sử dụng trong thiết kế HDI (High Density Interconnection Structure). Công nghệ micropore cho phép đục lỗ trực tiếp qua tấm hàn, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất mạch và tiết kiệm không gian dây.

Quá lỗ là một điểm ngắt trở kháng không liên tục trên đường truyền dẫn, gây ra phản xạ tín hiệu. Nói chung, trở kháng tương đương thông qua lỗ thấp hơn khoảng 12% so với đường truyền. Ví dụ, trở kháng của đường truyền 50 ohm sẽ giảm 6 ohm khi đi qua lỗ (điều này có liên quan đến kích thước của lỗ thông qua và độ dày của tấm, nhưng không liên quan đến việc giảm). Nhưng phản xạ gây ra bởi sự không liên tục trở kháng thông qua lỗ thực sự là nhỏ, với hệ số phản xạ chỉ (44-50)/(44+50)=0,06, và các vấn đề gây ra thông qua lỗ chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng của điện dung ký sinh và điện cảm.

Điện dung ký sinh qua lỗ và cảm ứng

Nếu đường kính của vùng kháng thông qua lỗ là D2, đường kính của miếng đệm thông qua lỗ là D1, độ dày của PCB là t và hằng số điện môi của chất nền là μ, thì điện dung ký sinh của lỗ thông qua lỗ là khoảng C=1,41 μTD1/(D2-D1)

Tác động chính của điện dung ký sinh quá 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 50 triệu, nếu đường kính pad qua lỗ là 20 triệu (đường kính lỗ khoan là 10 triệu) và đường kính mặt nạ hàn là 40 triệu, thì chúng ta có thể tính toán gần đúng điện dung ký sinh qua lỗ thông qua công thức trên: C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pf. Thay đổi thời gian tăng do điện dung này gây ra là: t10-90=2,2c (Z0/2)=2,2x0,31x (50/2)=17,05ps

Như bạn có thể thấy từ các giá trị này, mặc dù tác động của điện dung ký sinh của một lỗ thông qua duy nhất là không rõ ràng, nhiều lỗ thông qua sẽ được sử dụng nếu việc chuyển đổi lớp được tái sử dụng trong hệ thống dây điện, điều này cần được xem xét cẩn thận trong thiết kế. Trong thiết kế thực tế, điện dung ký sinh có thể được giảm bằng cách tăng khoảng cách giữa các lỗ thông qua và lớp đồng (miếng đệm phản quang) hoặc bằng cách giảm đường kính của miếng đệm.

Trong thiết kế mạch kỹ thuật số tốc độ cao, điện cảm ký sinh quá lỗ thường gây hại nhiều hơn điện dung ký sinh. Cảm ứng song song ký sinh của nó sẽ làm suy yếu sự đóng góp của điện dung bỏ qua và hiệu quả lọc của toàn bộ hệ thống điện. Chúng ta có thể tính toán đơn giản điện cảm ký sinh qua lỗ bằng cách sử dụng công thức thực nghiệm sau: l=5,08h [ln (4h/D)+1], trong đó l là điện cảm qua lỗ, h là chiều dài qua lỗ và D là đường kính của lỗ trung tâm. Như bạn có thể thấy từ công thức, đường kính của lỗ thông qua có ảnh hưởng nhỏ đến cảm ứng, trong khi chiều dài của lỗ thông qua có ảnh hưởng đến cảm ứng. Vẫn sử dụng ví dụ trên, chúng ta có thể tính cảm thông qua lỗ như sau: l=5.08x0.050 [ln (4x0.050/0.010)+1]=1.015nh. Nếu thời gian tăng của tín hiệu là 1ns, trở kháng tương đương của nó là: XL=π L/t10-90=3,19 μ. Trở kháng này không thể bỏ qua khi có dòng điện tần số cao đi qua. Điều quan trọng cần lưu ý là khi kết nối các lớp điện và hình thành, điện dung bỏ qua cần phải đi qua hai lỗ thông qua, do đó, điện cảm ký sinh qua lỗ sẽ tăng gấp đôi.

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 thiểu tác động bất lợi gây ra bởi hiệu ứng ký sinh thông qua lỗ, chúng tôi có thể cố gắng làm như sau trong thiết kế:

1. Chọn kích thước lỗ thông qua hợp lý từ hai khía cạnh chi phí và chất lượng tín hiệu. Kích thước khác nhau của lỗ thông qua có thể được xem xét nếu cần thiết. Ví dụ, kích thước lớn hơn có thể được sử dụng để giảm trở kháng cho các lỗ thông qua nguồn điện hoặc dây mặt đất, trong khi các lỗ thông qua nhỏ hơn có thể được sử dụng để định tuyến tín hiệu. Tất nhiên, khi kích thước lỗ thông qua giảm, chi phí tương ứng sẽ tăng lên.

2. Từ 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.

3. Cố gắng không thay đổi lớp định tuyến tín hiệu trên bảng PCB, đó là, cố gắng không sử dụng quá mức không cần thiết.

4. Pin của dây nguồn và dây mặt đất nên được khoan gần đó, dây dẫn ngắn hơn giữa các chân càng tốt. Để giảm điện cảm tương đương, có thể xem xét kết nối song song nhiều lỗ thông qua.

5. Đặt một số lỗ thông qua mặt đất gần lỗ thông qua thay đổi lớp tín hiệu để cung cấp vòng kín cho tín hiệu. Một số lỗ nối đất dự phòng thậm chí có thể được đặt trên bảng mạch PCB.

6. Đối với PCB tốc độ cao mật độ cao, micropass lỗ có thể được xem xét.