Lad ikke PCB-viaer ødelægge hele dit bord

Lad ikke PCB-vias ødelægge hele dit bord! Vias er en væsentlig del af flerlags PCB'er, hvor boreomkostninger typisk tegner sig for 30% til 40% af PCB-fremstillingsomkostningerne. Enkelt sagt kan hvert hul på et printkort kaldes en via.

Klassificering af PCB-boring

Fra et funktionelt perspektiv kan vias opdeles i to kategorier:

Elektrisk forbindelse mellem lag: Bruges til at forbinde forskellige lag af printkortet til elektriske formål.
Fixtur eller positionering for komponenter: Bruges til fastgørelse eller positionering af komponenter.

Fra et procesperspektiv er disse vias generelt opdelt i tre typer:

Blind vias, begravede vias og gennem vias.

Blind Vias: Placeret på top- og bundfladen af ​​PCB'et, har disse vias en vis dybde og bruges til at forbinde overfladespor til indre lagspor. Hullets dybde overstiger normalt ikke et vist forhold (diameter).
Begravede Vias: Disse er vias, der er placeret i de indre lag af PCB'et, og strækker sig ikke til overfladen af ​​kortet. Begge disse typer af gennemgange er placeret inden i de indre lag af PCB'et og dannes før laminering ved hjælp af gennemhullede dannelsesprocesser, som kan overlappe flere indre lag under dannelsen af ​​gennemgange.
Gennemgange: Disse vias passerer gennem hele printkortet og kan bruges til intern sammenkobling eller som monteringshuller til komponenter.

På grund af deres nemmere implementering i fremstillingsprocessen og lavere omkostninger, bruger langt de fleste printkort via vias snarere end de to andre typer vias. Medmindre andet er angivet, betragtes de nedenfor nævnte vias som gennem vias.

Fra et designperspektiv består en via hovedsageligt af to dele:

• Via komponenter og designovervejelser: En via ind Printkortdesign omfatter et centralt borehul omgivet af et pudeområde, hvor dimensionerne af disse dele bestemmer den samlede gennemstørrelse. I højhastigheds- og højdensitets-printkortdesign er minimering af via-størrelsen afgørende for at optimere routing-pladsen og reducere parasitisk kapacitans, hvilket forbedrer egnetheden til højhastighedskredsløb.

• Omkostnings- og størrelsesbegrænsninger: Krympning via størrelse øger imidlertid produktionsomkostningerne på grund af længere boretider og potentielle afvigelser i positionering under processer som boring og plettering. Når dybden af ​​hullet overstiger seks gange dens diameter, bliver det udfordrende at sikre ensartet kobberbelægning langs hulvæggen, hvilket påvirker både omkostninger og fremstillingsevne.

• Teknologiske fremskridt og mikroviaer: Nylige fremskridt inden for laserboreteknologi har muliggjort brugen af ​​mindre vias. Viaer med diametre på 6 mils eller mindre kaldes mikroviaer og anvendes almindeligvis i HDI designs. Disse mikroviaer understøtter via-i-pad-konfigurationer, hvilket forbedrer kredsløbets ydeevne væsentligt og sparer routingplads på printkortet.

• Bekymringer om signalintegritet: Vias introducerer impedansdiskontinuiteter i transmissionslinjer, hvilket kan føre til signalrefleksioner. Impedansen af ​​en via er ca. 12 % lavere end for transmissionsledningen, hvilket forårsager en lille reduktion i impedansen. På trods af dette er den faktiske refleksionskoefficient minimal, typisk omkring 0.06, på grund af velstyret designpraksis og fremstillingsteknikker.

• Parasitisk kapacitans og induktans: De primære udfordringer forbundet med vias i PCB-design vedrører håndtering af parasitiske effekter såsom kapacitans og induktans. Disse faktorer er kritiske i højfrekvente designs, hvor opretholdelse af signalkvalitet og minimering af transmissionstab er altafgørende.

 Parasitisk kapacitans og induktans af Vias

Parasitisk Kapacitans af Vias

Vias selv har parasitisk kapacitans til jord. Hvis isolationshulsdiameteren af ​​gennemgangen på jordlaget vides at være D2, og pudediameteren af ​​gennemgangen er D1, med en PCB-tykkelse på T og en substratdielektricitetskonstant på ε, er den parasitære kapacitans af gennemgangen cirka:

C=1.41εTD1/(D2−D1)

Via'ens parasitære kapacitans vil hovedsageligt påvirke signalets stigetid, hvilket reducerer kredsløbets hastighed. For eksempel, for et PCB med en tykkelse på 50 mils, hvis en via med en indvendig diameter på 10 mils og en pudediameter på 20 mils anvendes, og afstanden mellem puden og det jordede kobberareal er 32 mils, kan den parasitære kapacitans af via'en beregnes tilnærmelsesvis som:

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

Ændringen i stigetid forårsaget af denne kapacitans er:

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

Selvom effekten af ​​en enkelt vias kapacitans på stigningstiden ikke er særlig indlysende, bør designere stadig overveje det omhyggeligt, hvis vias bruges flere gange i routingen til interlayer switching.

Parasitisk induktans af Vias

Parasitisk induktans af Vias På samme måde, mens vias har parasitisk kapacitans, har de også parasitisk induktans. I design af højhastigheds digitale kredsløb er skaden forårsaget af den parasitære induktans af vias ofte større end den af ​​den parasitære kapacitans. Dens parasitære serieinduktans svækker bidraget fra bypass-kapacitans og svækker filtreringseffekten af ​​hele strømforsyningssystemet.

Vi kan bruge følgende formel til at beregne den omtrentlige parasitære induktans af en via:

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

Hvor L er induktansen af ​​gennemgangen, h er længden af ​​gennemgangen, og d er diameteren af ​​det midterste borehul. Ud fra formlen kan det ses, at diameteren af ​​via'en har en relativt lille indflydelse på induktansen, mens længden af ​​via'en påvirker induktansen. Ved at bruge eksemplet ovenfor kan vi beregne induktansen af ​​via'en som følger:

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

Hvis stigningstiden for signalet er 1 ns, er dets ækvivalente impedans:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

En sådan impedans kan ikke ignoreres, når der er højfrekvent strøm, der passerer igennem. Især når bypass-kondensatoren tilsluttes til strøm- og jordlaget, skal den passere gennem to vias, hvilket fordobler den parasitære induktans af via’en.

Via design i højhastigheds-printkort

Gennem analysen af ​​de parasitiske egenskaber ved vias ovenfor kan det ses, at i højhastigheds PCB-design kan tilsyneladende simple vias ofte medføre betydelige negative effekter til kredsløbsdesignet.

For at reducere de negative virkninger af de parasitiske virkninger af vias, kan følgende indhold arrangeres i designet så meget som muligt:

Vælg vias af rimelig størrelse, både pris og signalkvalitet taget i betragtning. For eksempel, til PCB-designet af 6-10 lags hukommelsesmoduler, er det bedre at bruge vias med en diameter på 10/20 mils (borehul/pude). For nogle små boards med høj tæthed kan du også prøve at bruge 8/18 mils vias. Under de nuværende teknologiske forhold er det vanskeligt at bruge mindre vias. For strøm- eller jordforbindelser skal du overveje at bruge større størrelser for at reducere impedansen.

Som diskuteret ovenfor er det fordelagtigt at bruge et tyndere PCB til at reducere de to parasitære parametre for vias.
Strøm- og jordstifter skal placeres så tæt som muligt på viaerne, og ledningerne mellem viaerne og benene skal være så korte som muligt, da de vil øge induktansen. Samtidig skal ledningerne til strøm og jord være så tykke som muligt for at reducere impedansen.

Forsøg at minimere brugen af ​​vias til signalrouting på printkortet, det vil sige, prøv at reducere unødvendige vias.
Placer nogle jordforbindelsesvia'er nær via'erne, hvor signalet skifter lag for at give en nærliggende returvej for signalet. Du kan endda placere et stort antal redundante jordforbindelser på printkortet. Der er selvfølgelig også brug for fleksibilitet og foranderlighed i designet.

Ovenstående diskussion af via-modellen antager, at hvert lag har puder. Nogle gange kan vi reducere eller endda fjerne puderne på nogle lag. Især når tætheden af ​​vias er meget høj, kan det forårsage, at en spalte danner en barriereløkke i kobberlaget. Udover at flytte positionen af ​​via'en, kan vi også overveje at reducere størrelsen af ​​puden på via'en på kobberlaget.

Konklusion

PCB vias er afgørende komponenter i flerlags PCB'er, der tegner sig for en betydelig del af fremstillingsomkostningerne. Vias er kategoriseret baseret på deres funktion som enten at levere elektriske forbindelser mellem lag eller tjene som fastgørelsesanordninger til komponenter. Fra et procesperspektiv klassificeres vias i blinde, begravede og gennemveje. Mens blinde og nedgravede vias er placeret inden for de indre lag af printkortet, passerer gennemgange gennem hele kortet.

Designere sigter efter mindre vias i højhastigheds- og PCB'er med høj densitet for at maksimere routingplads og reducere parasitisk kapacitans. Der er dog grænser for størrelsesreduktion på grund af fremstillingsbegrænsninger såsom boring og plettering. Udviklingen af ​​laserboreteknologi har muliggjort brugen af ​​mikroviaer, hvilket forbedrer kredsløbets ydeevne og sparer plads.

På trods af deres fordele kan vias introducere impedansdiskontinuiteter på transmissionslinjer, hvilket forårsager minimal signalrefleksion. De vigtigste problemer med vias er relateret til parasitisk kapacitans og induktans, som kan påvirke signalhastighed og filtrering i højhastigheds digitale kredsløb. For at afbøde disse effekter bør designere nøje overveje via størrelse, placering og routingstrategier i højhastigheds-printkortdesign.