لا تدع PCB vias يدمر اللوحة بأكملها

لا تدع الثقوب في لوحة الدوائر المطبوعة تُفسد لوحتك بالكامل! تُعدّ الثقوب جزءًا أساسيًا من لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات ، حيث تُمثّل تكاليف الحفر عادةً ما بين 30% إلى 40% من تكلفة تصنيع لوحة الدوائر المطبوعة. ببساطة، يُمكن تسمية كل ثقب على لوحة الدوائر المطبوعة بثقب.

تصنيف الحفر ثنائي الفينيل متعدد الكلور

من الناحية الوظيفية، يمكن تقسيم فيا إلى فئتين:

التوصيل الكهربائي بين الطبقات: يستخدم لتوصيل طبقات مختلفة من PCB للأغراض الكهربائية.
التثبيت أو تحديد موضع المكونات: يستخدم لتثبيت المكونات أو تحديد موضعها.

من وجهة نظر العملية، تنقسم هذه فيا عموما إلى ثلاثة أنواع:

فيا عمياء، فيا مدفونة، وفيا من خلال.

الممرات العمياء: تقع على الأسطح العلوية والسفلية للوحة PCB، وتتميز هذه الفتحات بعمق معين وتستخدم لربط آثار السطح بآثار الطبقة الداخلية. عمق الحفرة عادة لا يتجاوز نسبة معينة (القطر).
الممرات المدفونة: هي فتحات تقع داخل الطبقات الداخلية للوحة PCB، ولا تمتد إلى سطح اللوحة. يقع كلا النوعين من الفوهات داخل الطبقات الداخلية لثنائي الفينيل متعدد الكلور ويتم تشكيلهما قبل التصفيح باستخدام عمليات التشكيل من خلال الفتحة، والتي قد تتداخل مع عدة طبقات داخلية أثناء التشكيل.
من خلال Vias: تمر هذه Vias عبر PCB بالكامل ويمكن استخدامها للتوصيل البيني الداخلي أو كفتحات تركيب للمكونات.

نظرًا لسهولة تنفيذها في عملية التصنيع وانخفاض التكلفة، فإن الغالبية العظمى من لوحات الدوائر المطبوعة تستخدم من خلال المنافذ بدلاً من النوعين الآخرين من المنافذ. ما لم ينص على خلاف ذلك، يتم النظر في التأشيرات المذكورة أدناه من خلال التأشيرات.

من وجهة نظر التصميم، يتكون الطريق بشكل أساسي من جزأين:

• مكونات الوصلات البينية واعتبارات التصميم : تتكون الوصلة البينية في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة من ثقب مركزي محاط بمنطقة توصيل، حيث تحدد أبعاد هذه الأجزاء الحجم الكلي للوصلة. في تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة والكثافة، يُعد تقليل حجم الوصلة البينية أمرًا بالغ الأهمية لتحسين مساحة التوصيل وتقليل السعة الطفيلية، مما يعزز ملاءمتها للدوائر عالية السرعة.

• قيود التكلفة والحجم : مع ذلك، يؤدي تصغير الحجم إلى زيادة تكاليف التصنيع نتيجةً لزيادة وقت الحفر واحتمالية حدوث انحرافات في التموضع أثناء عمليات مثل الحفر والطلاء. عندما يتجاوز عمق الثقب ستة أضعاف قطره، يصبح ضمان طلاء النحاس بشكل موحد على طول جدار الثقب أمرًا صعبًا، مما يؤثر على كل من التكلفة وسهولة التصنيع.

• التطورات التكنولوجية والوصلات الدقيقة : أتاحت التطورات الحديثة في تقنية الحفر بالليزر استخدام وصلات أصغر. تُعرف الوصلات التي يبلغ قطرها 6 ميل أو أقل بالوصلات الدقيقة، وهي شائعة الاستخدام في تصميمات الدوائر المتكاملة عالية الكثافة (HDI) . تدعم هذه الوصلات الدقيقة تكوينات الوصلات داخل الوسادات، مما يُحسّن أداء الدائرة بشكل ملحوظ ويُوفّر مساحة التوصيل على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

• مخاوف تتعلق بسلامة الإشارة : تُحدث الوصلات الرأسية انقطاعات في معاوقة خطوط النقل، مما قد يؤدي إلى انعكاسات في الإشارة. تقل معاوقة الوصلة الرأسية بنسبة 12% تقريبًا عن معاوقة خط النقل، مما يُسبب انخفاضًا طفيفًا في المعاوقة. مع ذلك، فإن معامل الانعكاس الفعلي ضئيل للغاية، ويبلغ عادةً حوالي 0.06، وذلك بفضل ممارسات التصميم المُحكمة وتقنيات التصنيع المُتقنة.

• السعة والحث الطفيليان : تتمثل التحديات الرئيسية المرتبطة بالوصلات الرأسية في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة في إدارة التأثيرات الطفيلية مثل السعة والحث. وتُعد هذه العوامل بالغة الأهمية في تصميمات الترددات العالية حيث يُعد الحفاظ على جودة الإشارة وتقليل فقد الإرسال من الأولويات القصوى.

 السعة الطفيلية وتحريض فيا

السعة الطفيلية من فيا

تتمتع الفيا نفسها بسعة طفيلية على الأرض. إذا كان من المعروف أن قطر فتحة عزل الممر الموجود على الطبقة الأرضية هو D2، وكان قطر لوحة الممر هو D1، بسمك ثنائي الفينيل متعدد الكلور يبلغ T وثابت العزل الكهربائي للركيزة ε، فإن السعة الطفيلية للممر تكون تقريبًا :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

ستؤثر السعة الطفيلية للممر بشكل أساسي على وقت صعود الإشارة، مما يقلل من سرعة الدائرة. على سبيل المثال، بالنسبة لثنائي الفينيل متعدد الكلور بسمك 50 مل، إذا تم استخدام عبر بقطر داخلي 10 مل وقطر وسادة 20 مل، وكانت المسافة بين اللوحة ومنطقة النحاس الأرضي 32 مل، فإن الطفيلية يمكن حساب سعة الممر تقريبًا على النحو التالي:

C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032−0.020)=0.517pF

التغير في وقت الصعود الناجم عن هذه السعة هو:

T10−90​=2.2C(Z0​/2)=2.2×0.517×(55/2)=31.28ps

على الرغم من أن تأثير سعة قناة واحدة على وقت الصعود ليس واضحًا جدًا، إذا تم استخدام الممرات عدة مرات في التوجيه لتبديل الطبقات البينية، فلا يزال يتعين على المصممين النظر في الأمر بعناية.

الحث الطفيلي من فيا

الحث الطفيلي لـ Vias وبالمثل، في حين أن الـ Vias لها سعة طفيلية، إلا أنها تحتوي أيضًا على محاثة طفيلية. في تصميم الدوائر الرقمية عالية السرعة، غالبًا ما يكون الضرر الناتج عن الحث الطفيلي لـ vias أكبر من ضرر السعة الطفيلية. إن محاثة السلسلة الطفيلية تضعف مساهمة السعة الالتفافية وتضعف تأثير الترشيح لنظام إمداد الطاقة بأكمله.

يمكننا استخدام الصيغة التالية لحساب الحث الطفيلي التقريبي عبر:

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

حيث L هو محاثة عبر، h هو طول عبر، و d هو قطر ثقب الحفر المركزي. من الصيغة، يمكن أن نرى أن قطر القناة له تأثير صغير نسبيا على الحث، في حين أن طول القناة يؤثر على الحث. باستخدام المثال أعلاه، يمكننا حساب محاثة عبر على النحو التالي:

L=5.08×0.050[ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH

إذا كان زمن صعود الإشارة هو 1 ns، فإن الممانعة المكافئة لها هي:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

لا يمكن تجاهل مثل هذه المعاوقة عندما يمر تيار عالي التردد. على وجه الخصوص، عند توصيل المكثف الالتفافي بطبقات الطاقة والأرضية، فإنه يحتاج إلى المرور عبر فتحتين، مما يضاعف الحث الطفيلي للممر.

عبر التصميم في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية السرعة

من خلال تحليل الخصائص الطفيلية للمنافذ المذكورة أعلاه، يمكن ملاحظة أنه في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة، يمكن أن تؤدي المنافذ البسيطة التي تبدو بسيطة في كثير من الأحيان إلى تأثيرات سلبية كبيرة على تصميم الدائرة.

لتقليل التأثيرات الضارة للتأثيرات الطفيلية للفيا، يمكن ترتيب المحتوى التالي في التصميم قدر الإمكان:

اختر طرقًا ذات حجم معقول مع الأخذ في الاعتبار التكلفة وجودة الإشارة. على سبيل المثال، بالنسبة لتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لوحدات الذاكرة المكونة من 6 إلى 10 طبقات، فمن الأفضل استخدام فتحات بقطر 10/20 مل (ثقب/وسادة). بالنسبة لبعض الألواح الصغيرة عالية الكثافة، يمكنك أيضًا تجربة استخدام 8/18 مل. في ظل الظروف التكنولوجية الحالية، من الصعب استخدام منافذ أصغر. بالنسبة للطاقة أو المداخل الأرضية، فكر في استخدام أحجام أكبر لتقليل المعاوقة.

كما تمت مناقشته أعلاه، فإن استخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور الأرق مفيد في تقليل المعلمتين الطفيليتين للمنافذ.
ينبغي وضع دبابيس الطاقة والأرضية في أقرب مكان ممكن من المنافذ، ويجب أن تكون الخيوط بين المنافذ والدبابيس قصيرة قدر الإمكان، لأنها ستزيد من الحث. وفي الوقت نفسه، يجب أن تكون أسلاك الطاقة والأرض سميكة قدر الإمكان لتقليل المعاوقة.

حاول تقليل استخدام طرق التوصيل لتوجيه الإشارة على لوحة PCB، أي حاول تقليل طرق التوصيل غير الضرورية.
ضع بعض منافذ التأريض بالقرب من المنافذ حيث تتغير طبقات الإشارة لتوفير مسار عودة قريب للإشارة. يمكنك حتى وضع عدد كبير من منافذ التأريض الزائدة على PCB. وبطبيعة الحال، هناك حاجة أيضا إلى المرونة وقابلية التغيير في التصميم.

تفترض المناقشة أعلاه لنموذج via أن كل طبقة تحتوي على منصات. في بعض الأحيان، يمكننا تقليل أو حتى إزالة الوسادات الموجودة على بعض الطبقات. خاصة عندما تكون كثافة المنافذ عالية جدًا، فقد يتسبب ذلك في حدوث فتحة لتشكيل حلقة حاجز في الطبقة النحاسية. بالإضافة إلى تحريك موضع الممر، يمكننا أيضًا التفكير في تقليل حجم لوحة الممر على الطبقة النحاسية.

خاتمة

تعد فيا ثنائي الفينيل متعدد الكلور مكونات حاسمة في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات، وهو ما يمثل جزءًا كبيرًا من تكاليف التصنيع. يتم تصنيف Vias بناءً على وظيفتها إما على توفير التوصيلات الكهربائية بين الطبقات أو بمثابة تركيبات للمكونات. من منظور العملية، يتم تصنيف فيا إلى فيا عمياء، مدفونة، وعبر. في حين توجد فتحات التوصيل العمياء والمدفونة داخل الطبقات الداخلية للوحة PCB، إلا أنها تمر عبر اللوحة بأكملها.

يسعى المصممون إلى تصغير حجم الثقوب الموصلة في لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة والكثافة لزيادة مساحة التوصيل وتقليل السعة الطفيلية. مع ذلك، توجد قيود على تصغير الحجم بسبب متطلبات التصنيع كالحفر والطلاء. وقد مكّن تطوير تقنية الحفر بالليزر من استخدام الثقوب الموصلة الدقيقة، مما حسّن أداء الدوائر ووفر المساحة.

على الرغم من فوائدها، يمكن أن تحدث فيا انقطاعات في المعاوقة على خطوط النقل، مما يسبب الحد الأدنى من انعكاس الإشارة. تتعلق المشكلات الرئيسية المتعلقة بالمنافذ بالسعة الطفيلية والمحاثة، والتي يمكن أن تؤثر على سرعة الإشارة والترشيح في الدوائر الرقمية عالية السرعة. للتخفيف من هذه التأثيرات، يجب على المصممين التفكير بعناية في استراتيجيات الحجم والتنسيب والتوجيه في تصميمات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة.