Công nghệ PCB - PCB tốc độ cao với mẹo thiết kế

Trong thiết kế của bảng mạch PCB tốc độ cao, thiết kế quá lỗ là một yếu tố quan trọng. Nó bao gồm một lỗ, khu vực pad xung quanh lỗ và khu vực cô lập của lớp POWER. Chúng thường được chia thành ba loại: mù, chôn và thông qua. Trong quá trình thiết kế bảng mạch PCB, một số cân nhắc trong thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao được tóm tắt bằng cách phân tích điện dung ký sinh và điện cảm ký sinh.

Hiện nay, thiết kế của bảng mạch PCB tốc độ cao được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền thông, máy tính, đồ họa và xử lý hình ảnh. Tất cả các thiết kế điện tử giá trị gia tăng công nghệ cao đều theo đuổi các tính năng tiêu thụ điện năng thấp, bức xạ điện từ thấp, độ tin cậy cao, thu nhỏ và trọng lượng nhẹ. Để đạt được các mục tiêu trên, thiết kế quá lỗ là một yếu tố quan trọng trong thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao.

1. Thông qua

Quá lỗ là một yếu tố quan trọng trong thiết kế PCB nhiều lớp. Quá lỗ chủ yếu gồm ba phần, một phần là quá lỗ; Một cái khác là khu vực tấm hàn xung quanh lỗ; Thứ ba là khu vực cách ly của tầng POWER. Quá trình vượt lỗ là một lớp kim loại được mạ bằng cách lắng đọng hóa học trên bề mặt hình trụ của bức tường vượt lỗ, kết nối lá đồng cần được kết nối với lớp giữa và mặt trên và dưới của lỗ được tạo thành một tấm hàn thông thường. Hình dạng có thể được kết nối trực tiếp hoặc không kết nối với các đường ở phía trên và phía dưới. Thông qua lỗ có thể hoạt động như một thiết bị kết nối điện, cố định hoặc định vị. Sơ đồ quá cảnh được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1: Sơ đồ quá lỗ

Quá lỗ thường được chia thành ba loại: lỗ mù, lỗ chôn và lỗ thông qua.

Các lỗ mù nằm trên mặt trên và dưới của bảng mạch in và có độ sâu nhất định. Chúng được sử dụng để kết nối các đường bề mặt với các đường bên trong bên dưới. Độ sâu của lỗ và đường kính của lỗ thường không vượt quá một tỷ lệ nhất định.

Các lỗ chôn 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.

Cả lỗ mù và lỗ chôn đều nằm trong các lớp bên trong của bảng mạch và được thực hiện thông qua quá trình hình thành lỗ trước khi cán và một số lớp bên trong có thể chồng chéo trong quá trình hình thành lỗ. Các lỗ thông qua chạy qua toàn bộ bảng mạch có thể được sử dụng để kết nối nội bộ hoặc như các lỗ định vị lắp đặt cho các phần tử. Bởi vì thông qua lỗ là dễ dàng hơn để đạt được trong quá trình và ít tốn kém hơn, thông thường các bảng mạch in sử dụng thông qua lỗ. Việc phân loại qua lỗ được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2: Phân loại overhole

2. Điện dung ký sinh qua lỗ

Bản thân lỗ thủng có điện dung ký sinh đối với mặt đất. Nếu đường kính của lỗ cách ly trên tầng nối của lỗ quá mức là D2, đường kính của đĩa quá mức là D1, độ dày của PCB là T và hằng số điện môi của chất nền là E, thì điện dung ký sinh của lỗ quá mức là xấp xỉ: C=1,41ETD1/(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. Giá trị điện dung càng nhỏ, hiệu quả càng nhỏ.

3. Điện cảm ký sinh qua lỗ

Bản thân lỗ thủng có điện cảm ký sinh. 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 qua lỗ có thể làm suy yếu chức năng của tụ điện bỏ qua và làm suy yếu hiệu ứng lọc của toàn bộ hệ thống điện. Nếu L biểu thị độ tự cảm của lỗ quá mức, h là độ dài của lỗ quá mức và d là đường kính của lỗ trung tâm, độ tự cảm ký sinh của lỗ quá mức tương tự như:

L=5.08hï¼»ln（4h/d）+1ï¼½

Như bạn có thể thấy từ công thức, đường kính của lỗ quá mức ảnh hưởng ít hơn đến cảm ứng, trong khi chiều dài của lỗ quá mức ảnh hưởng nhiều nhất đến cảm ứng.

4. Công nghệ không thông suốt

Các lỗ không xuyên qua bao gồm lỗ mù và lỗ chôn. Trong công nghệ lỗ không xuyên thấu, việc áp dụng lỗ mù và lỗ chôn có thể làm giảm đáng kể kích thước và chất lượng của PCB, giảm số lượng lớp, cải thiện khả năng tương thích điện từ, tăng tính năng của thiết bị điện tử, giảm chi phí và cũng có thể làm cho công việc thiết kế dễ dàng và nhanh chóng hơn.

Trong thiết kế và xử lý PCB truyền thống, thông qua lỗ có thể gây ra nhiều vấn đề. Đầu tiên, chúng chiếm rất nhiều không gian hiệu quả và thứ hai, rất nhiều lỗ thông qua được tích tụ dày đặc ở một nơi, điều này cũng tạo ra một rào cản lớn cho việc định tuyến các lớp bên trong của PCB nhiều lớp. Những lỗ thông qua này chiếm không gian cần thiết cho hệ thống dây điện và chúng dày đặc đi qua nguồn điện và mặt đất. Bề mặt của lớp dây cũng có thể phá vỡ các đặc tính trở kháng của lớp dây điện, làm mất hiệu lực của lớp dây điện. Và phương pháp khoan cơ học truyền thống sẽ gấp 20 lần khối lượng công việc của công nghệ không thông qua lỗ.

Trong thiết kế PCB, mặc dù kích thước của pad và overhole đã giảm dần, nếu độ dày của lớp tấm giảm không tương xứng, tỷ lệ khung hình của lỗ thông qua sẽ tăng lên và sự gia tăng tỷ lệ khung hình thông qua lỗ sẽ làm giảm độ tin cậy. Với sự trưởng thành của công nghệ khoan laser tiên tiến và công nghệ khắc khô plasma, việc áp dụng các lỗ mù nhỏ không xuyên thấu và các lỗ chôn nhỏ trở nên khả thi. Nếu các lỗ không xuyên thủng này có đường kính 0,3mm, các thông số ký sinh sẽ bằng khoảng 1/10 so với các lỗ thông thường ban đầu, giúp cải thiện độ tin cậy của PCB. Do việc áp dụng công nghệ không xuyên qua lỗ, có rất ít lỗ lớn trên PCB, có thể cung cấp nhiều không gian cáp hơn.

Không gian còn lại có thể được sử dụng để che chắn diện tích lớn để cải thiện hiệu suất EMI/RFI. Đồng thời, lớp bên trong cũng có thể sử dụng nhiều không gian còn lại hơn để che chắn một phần các thiết bị và cáp mạng quan trọng, mang lại cho chúng hiệu suất điện tối ưu. Việc sử dụng các lỗ không thông qua làm cho các chân của thiết bị tản ra dễ dàng hơn, làm cho việc định tuyến các thiết bị pin mật độ cao như thiết bị đóng gói BGA dễ dàng hơn, rút ngắn chiều dài dây và đáp ứng các yêu cầu về thời gian của mạch tốc độ cao.

5. Lựa chọn quá lỗ trong PCB thông thường

Trong thiết kế PCB thông thường, điện dung ký sinh và cảm ứng ký sinh qua lỗ có ít ảnh hưởng đến thiết kế PCB. Đối với 1-4 lớp PCB thiết kế, thông thường chọn 0.36mm/0.61mm/1.02mm, (khoan/pad/POWER Isolation Zone) là tốt hơn. Đối với một số dây tín hiệu có yêu cầu đặc biệt (chẳng hạn như dây nguồn, dây mặt đất, dây đồng hồ, v.v.), bạn có thể chọn 0.41mm/0.81mm/1.32mm qua lỗ, hoặc bạn có thể sử dụng kích thước khác theo tình hình thực tế.

6. Thiết kế quá lỗ trong PCB tốc độ cao

Thông qua phân tích 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 các tác động bất lợi gây ra bởi các hiệu ứng ký sinh trùng của lỗ thủng, các thao tác sau đây có thể được thực hiện trong thiết kế:

(1) Chọn kích thước quá lỗ hợp lý. Đối với thiết kế PCB mật độ chung đa lớp, tốt nhất là sử dụng 0,25mm/0,51mm/0,91mm (khoan/pad/POWER Isolation Area) để vượt qua lỗ; Đối với một số PCB mật độ cao, 0,20mm/0,46 cũng có thể được sử dụng. Đối với mm/0,86mm overhole, bạn cũng có thể thử không xuyên qua lỗ; Đối với việc cung cấp năng lượng hoặc nối đất, kích thước lớn hơn có thể được xem xét để giảm trở kháng;

(2) Khu vực cách ly POWER càng lớn càng tốt, xem xét mật độ quá lỗ trên PCB, thường D1=D2+0,41mm

(3) Dấu vết tín hiệu trên PCB không nên thay đổi nhiều như có thể, đó là, quá lỗ nên được giảm thiểu càng tốt;

(4) Việc sử dụng PCB mỏng hơn có lợi cho việc giảm hai thông số ký sinh của quá lỗ;

(5) Nguồn điện và chân nối đất phải được làm bằng các lỗ gần đó. Các dây dẫn ngắn hơn giữa các lỗ và chân tốt hơn vì chúng làm tăng độ tự cảm. Đồng thời, nguồn điện và dây dẫn mặt đất nên càng dày càng tốt để giảm trở kháng;

(6) Đặt một số lỗ xuyên đất gần lỗ xuyên đất của lớp tín hiệu để cung cấp vòng lặp cách xa ngắn cho tín hiệu. Tất nhiên, các vấn đề cụ thể cần được phân tích chi tiết khi thiết kế. Với chi phí và chất lượng tín hiệu, trong thiết kế PCB tốc độ cao, các nhà thiết kế luôn muốn lỗ càng nhỏ càng tốt, để lại nhiều không gian cáp hơn trên bảng. Ngoài ra, quá lỗ càng nhỏ, điện dung ký sinh của chính nó càng nhỏ, càng phù hợp với mạch tốc độ cao. Trong thiết kế PCB mật độ cao, việc sử dụng không xuyên qua lỗ và giảm kích thước quá lỗ mang lại sự gia tăng chi phí và kích thước quá lỗ không thể giảm vô hạn. Nó bị ảnh hưởng bởi quá trình khoan và mạ của nhà sản xuất PCB. Trong thiết kế quá lỗ của PCB tốc độ cao, các hạn chế kỹ thuật nên được cân bằng.