Nedovolte, aby prokovy PCB zničily celou vaši desku

Nenechte průchodky na desce plošných spojů zničit celou vaši desku! Průchodky jsou nezbytnou součástí vícevrstvých desek plošných spojů a náklady na vrtání obvykle tvoří 30 % až 40 % výrobních nákladů na desku plošných spojů. Jednoduše řečeno, každý otvor na desce plošných spojů lze nazvat průchodkou.

Klasifikace vrtání DPS

Z funkčního hlediska lze vias rozdělit do dvou kategorií:

Elektrické spojení mezi vrstvami: Používá se ke spojení různých vrstev PCB pro elektrické účely.
Upevnění nebo polohování součástí: Používá se pro upevnění nebo polohování součástí.

Z procesního hlediska jsou tyto průchody obecně rozděleny do tří typů:

Slepé prokovy, zakopané prokovy a průchozí prokovy.

Slepé prokovy: Tyto prokovy se nacházejí na horním a spodním povrchu desky plošných spojů a mají určitou hloubku a používají se ke spojení povrchových stop se stopami vnitřní vrstvy. Hloubka otvoru většinou nepřesahuje určitý poměr (průměr).
Zasypané prokovy: Jedná se o prokovy umístěné ve vnitřních vrstvách desky plošných spojů, které nezasahují až k povrchu desky. Oba tyto typy prokovů jsou umístěny ve vnitřních vrstvách PCB a jsou vytvořeny před laminací pomocí procesů formování průchozích děr, které mohou během vytváření prokovů překrývat několik vnitřních vrstev.
Through Vias: Tyto prokovy procházejí celou PCB a lze je použít pro vnitřní propojení nebo jako montážní otvory pro součástky.

Vzhledem k jejich snadnější implementaci ve výrobním procesu a nižší ceně používá drtivá většina desek plošných spojů spíše prokovy než ostatní dva typy prokovů. Pokud není uvedeno jinak, níže uvedené prokovy jsou považovány za prokovy.

Z hlediska designu se via hlavně skládá ze dvou částí:

• Součásti průchodů a konstrukční aspekty : Průchod v konstrukci desek plošných spojů se skládá z centrálního otvoru obklopeného plochou pro kontakty, kde rozměry těchto součástí určují celkovou velikost průchodu. U vysokorychlostních a vysokohustotních desek plošných spojů je minimalizace velikosti průchodů zásadní pro optimalizaci prostoru pro trasování a snížení parazitní kapacity, což zvyšuje vhodnost pro vysokorychlostní obvody.

• Omezení nákladů a rozměrů : Zmenšování rozměrů však zvyšuje výrobní náklady kvůli delší době vrtání a potenciálním odchylkám v polohování během procesů, jako je vrtání a pokovování. Pokud hloubka otvoru přesáhne šestinásobek jeho průměru, je zajištění rovnoměrného měděného pokovování podél stěny otvoru náročné, což má dopad jak na náklady, tak na vyrobitelnost.

• Technologický pokrok a mikrootvory : Nedávný pokrok v technologii laserového vrtání umožnil použití menších průchodů. Průchody o průměru 6 mil nebo méně se nazývají mikrootvory a běžně se používají v návrzích HDI . Tyto mikrootvory podporují konfigurace s průchodkami v kontaktní plošce, což výrazně zlepšuje výkon obvodu a šetří místo pro trasování na desce plošných spojů.

• Obavy o integritu signálu : Průchodky způsobují v přenosových vedeních nespojitosti impedance, což může vést k odrazům signálu. Impedance průchodky je přibližně o 12 % nižší než impedance přenosového vedení, což způsobuje mírné snížení impedance. Navzdory tomu je skutečný koeficient odrazu minimální, obvykle kolem 0.06, a to díky dobře zvládnutým konstrukčním postupům a výrobním technikám.

• Parazitní kapacita a indukčnost : Hlavní výzvy spojené s průchody v návrhu desek plošných spojů se týkají zvládání parazitních vlivů, jako je kapacita a indukčnost. Tyto faktory jsou kritické u vysokofrekvenčních návrzů, kde je prvořadé udržení kvality signálu a minimalizace přenosových ztrát.

 Parazitní kapacita a indukčnost prokovů

Parazitní kapacita průchozích spojů

Samotné průchody mají parazitní kapacitu vůči zemi. Pokud je známo, že průměr izolačního otvoru prokovu na zemní vrstvě je D2 a průměr podložky prokovu je D1, s ​​tloušťkou DPS T a dielektrickou konstantou substrátu ε, parazitní kapacita prokovu je přibližně :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

Parazitní kapacita prokovu ovlivní hlavně dobu náběhu signálu a sníží rychlost obvodu. Například pro desku plošných spojů o tloušťce 50 mil, pokud se použije prokov s vnitřním průměrem 10 mil a průměrem podložky 20 mil a vzdálenost mezi podložkou a měděnou plochou je 32 mil, parazitní kapacita průchodu může být přibližně vypočtena jako:

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

Změna doby náběhu způsobená touto kapacitou je:

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

Ačkoli vliv kapacity jednoho prokovu na dobu náběhu není příliš zřejmý, pokud se prokovy používají vícekrát ve směrování pro přepínání mezi vrstvami, návrháři by to měli stále pečlivě zvážit.

Parazitní indukčnost průchodů

Parazitní indukčnost prokovů Podobně, zatímco prokovy mají parazitní kapacitu, mají také parazitní indukčnost. Při návrhu vysokorychlostních digitálních obvodů je poškození způsobené parazitní indukčností prokovů často větší než poškození parazitní kapacitou. Jeho parazitní sériová indukčnost zeslabuje příspěvek bypassové kapacity a zeslabuje filtrační efekt celého napájecího systému.

Pro výpočet přibližné parazitní indukčnosti prokovu můžeme použít následující vzorec:

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

Kde L je indukčnost prokovu, h je délka prokovu a d je průměr středového vrtaného otvoru. Ze vzorce je vidět, že průměr prokovu má relativně malý vliv na indukčnost, zatímco délka prokovu ovlivňuje indukčnost. Pomocí výše uvedeného příkladu můžeme vypočítat indukčnost průchodu následovně:

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

Pokud je doba náběhu signálu 1 ns, pak jeho ekvivalentní impedance je:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Takovou impedanci nelze ignorovat, když jím prochází vysokofrekvenční proud. Zejména při připojování obtokového kondenzátoru k napájecí a zemní vrstvě musí procházet dvěma průchody, což zdvojnásobuje parazitní indukčnost průchodu.

Prostřednictvím návrhu vysokorychlostních desek plošných spojů

Prostřednictvím výše uvedené analýzy parazitních charakteristik prokovů lze vidět, že při návrhu vysokorychlostních desek plošných spojů mohou zdánlivě jednoduché prokovy často přinést významné negativní účinky na návrh obvodu.

Pro snížení nepříznivých účinků parazitních účinků prokovů lze v návrhu co nejvíce uspořádat následující obsah:

Vyberte průchody přiměřené velikosti s ohledem na cenu i kvalitu signálu. Například pro návrh PCB 6-10 vrstvých paměťových modulů je lepší použít prokovy o průměru 10/20 mils (vrtačka/podložka). U některých malých desek s vysokou hustotou můžete také zkusit použít průchody 8/18 mils. Za současných technologických podmínek je použití menších prokovů obtížné. Pro napájecí nebo zemní průchody zvažte použití větších velikostí, abyste snížili impedanci.

Jak bylo diskutováno výše, použití tenčího PCB je výhodné pro snížení dvou parazitních parametrů prokovů.
Napájecí a zemnící kolíky by měly být umístěny co nejblíže prokovům a vodiče mezi prokovy a kolíky by měly být co nejkratší, protože zvyšují indukčnost. Současně by měly být napájecí a zemnící vodiče co nejtlustší, aby se snížila impedance.

Pokuste se minimalizovat použití prokovů pro směrování signálu na PCB, to znamená, že se snažte omezit zbytečné prokovy.
Umístěte nějaké uzemňovací průchody blízko průchodů, kde signál mění vrstvy, aby zajistil blízkou zpětnou cestu pro signál. Na PCB můžete dokonce umístit velké množství redundantních uzemňovacích průchodů. Při návrhu je samozřejmě potřeba také flexibilita a proměnlivost.

Výše uvedená diskuse o modelu via předpokládá, že každá vrstva má podložky. Někdy můžeme v některých vrstvách zmenšit nebo dokonce odstranit podložky. Zejména když je hustota prokovů velmi vysoká, může to způsobit, že štěrbina vytvoří bariérovou smyčku v měděné vrstvě. Kromě posunutí polohy prokovu můžeme také uvažovat o zmenšení velikosti podložky prokovu na měděné vrstvě.

Závěr

Prokovy PCB jsou klíčovými součástmi vícevrstvých desek plošných spojů, které představují významnou část výrobních nákladů. Prochody jsou kategorizovány na základě jejich funkce buď jako zajišťování elektrického spojení mezi vrstvami nebo sloužící jako příslušenství pro komponenty. Z procesního hlediska se prokovy dělí na slepé, zakopané a průchozí. Zatímco slepé a skryté prokovy jsou umístěny ve vnitřních vrstvách PCB, průchozí prokovy procházejí celou deskou.

Konstruktéři se ve vysokorychlostních a vysokohustotních deskách plošných spojů snaží o menší průchody , aby maximalizovali prostor pro pokládku a snížili parazitní kapacitu. Existují však omezení pro zmenšení velikosti kvůli výrobním omezením, jako je vrtání a pokovování. Vývoj technologie laserového vrtání umožnil použití mikroprůchodů, což zlepšuje výkon obvodů a šetří místo.

Přes své výhody mohou prokovy zavádět impedanční nespojitosti na přenosových vedeních, což způsobuje minimální odraz signálu. Hlavní problémy s prokovy souvisí s parazitní kapacitou a indukčností, které mohou ovlivnit rychlost signálu a filtrování ve vysokorychlostních digitálních obvodech. Pro zmírnění těchto efektů by návrháři měli pečlivě zvážit velikost, umístění a strategie směrování ve vysokorychlostních návrzích PCB.