Lassen Sie nicht zu, dass PCB-Durchkontaktierungen Ihre gesamte Platine ruinieren

Lassen Sie sich Ihre Leiterplatte nicht durch Durchkontaktierungen ruinieren! Durchkontaktierungen sind ein wesentlicher Bestandteil mehrlagiger Leiterplatten , wobei die Bohrkosten typischerweise 30 bis 40 % der Leiterplattenherstellungskosten ausmachen. Vereinfacht gesagt, kann jede Öffnung auf einer Leiterplatte als Durchkontaktierung bezeichnet werden.

Klassifizierung von Leiterplattenbohrungen

Aus funktionaler Sicht lassen sich Vias in zwei Kategorien einteilen:

Elektrische Verbindung zwischen Schichten: Wird verwendet, um verschiedene Schichten der Leiterplatte für elektrische Zwecke zu verbinden.
Befestigung oder Positionierung von Komponenten: Wird zum Fixieren oder Positionieren von Komponenten verwendet.

Aus prozesstechnischer Sicht werden diese Vias im Allgemeinen in drei Typen unterteilt:

Blind Vias, Buried Vias und Through Vias.

Blind Vias: Diese Vias befinden sich auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte und haben eine bestimmte Tiefe. Sie dienen zur Verbindung von Oberflächenleiterbahnen mit Leiterbahnen auf der Innenschicht. Die Tiefe des Lochs überschreitet in der Regel ein bestimmtes Verhältnis (Durchmesser) nicht.
Vergrabene Vias: Hierbei handelt es sich um Vias, die sich innerhalb der inneren Schichten der Leiterplatte befinden und nicht bis zur Oberfläche der Platine reichen. Beide Arten von Durchkontaktierungen befinden sich innerhalb der Innenschichten der Leiterplatte und werden vor der Laminierung mithilfe von Durchgangslochbildungsprozessen gebildet, die während der Durchkontaktierungsbildung mehrere Innenschichten überlappen können.
Durchgangslöcher: Diese Durchgangslöcher verlaufen durch die gesamte Leiterplatte und können für interne Verbindungen oder als Montagelöcher für Komponenten verwendet werden.

Aufgrund der einfacheren Implementierung im Herstellungsprozess und der geringeren Kosten werden bei der überwiegenden Mehrheit der Leiterplatten Durchkontaktierungen anstelle der beiden anderen Arten von Durchkontaktierungen verwendet. Sofern nicht anders angegeben, gelten die unten genannten Durchkontaktierungen als Durchkontaktierungen.

Aus gestalterischer Sicht besteht ein Via hauptsächlich aus zwei Teilen:

• Durchkontaktierungskomponenten und Designüberlegungen : Eine Durchkontaktierung in der Leiterplattenentwicklung besteht aus einer zentralen Bohrung, die von einer Kontaktfläche umgeben ist. Die Abmessungen dieser Bereiche bestimmen die Gesamtgröße der Durchkontaktierung. Bei Hochgeschwindigkeits- und hochdichten Leiterplatten ist die Minimierung der Durchkontaktierungsgröße entscheidend, um den Leiterbahnplatz zu optimieren und parasitäre Kapazitäten zu reduzieren. Dies verbessert die Eignung für Hochgeschwindigkeitsschaltungen.

• Kosten- und Größenbeschränkungen : Die Verkleinerung der Bauteile führt jedoch aufgrund längerer Bohrzeiten und potenzieller Positionierungsabweichungen bei Prozessen wie Bohren und Beschichten zu höheren Fertigungskosten. Übersteigt die Tiefe des Lochs das Sechsfache seines Durchmessers, wird die Gewährleistung einer gleichmäßigen Kupferbeschichtung entlang der Lochwand schwierig, was sich sowohl auf die Kosten als auch auf die Herstellbarkeit auswirkt.

• Technologische Fortschritte und Mikro-Vias : Jüngste Fortschritte in der Laserbohrtechnologie ermöglichen die Verwendung kleinerer Durchkontaktierungen. Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von 6 mil oder weniger werden als Mikro-Vias bezeichnet und häufig in HDI- Designs eingesetzt. Diese Mikro-Vias unterstützen Via-in-Pad-Konfigurationen, wodurch die Schaltungsleistung deutlich verbessert und Platz auf der Leiterplatte eingespart wird.

• Bedenken hinsichtlich der Signalintegrität : Durchkontaktierungen (Vias) verursachen Impedanzsprünge in Übertragungsleitungen, die zu Signalreflexionen führen können. Die Impedanz einer Durchkontaktierung ist etwa 12 % niedriger als die der Übertragungsleitung, was eine geringfügige Impedanzreduzierung zur Folge hat. Trotzdem ist der tatsächliche Reflexionskoeffizient minimal und liegt typischerweise bei etwa 0.06, was durch gut durchdachte Designpraktiken und Fertigungstechniken bedingt ist.

• Parasitäre Kapazität und Induktivität : Die größten Herausforderungen bei Durchkontaktierungen im Leiterplattendesign liegen in der Minimierung parasitärer Effekte wie Kapazität und Induktivität. Diese Faktoren sind besonders in Hochfrequenzschaltungen relevant, wo die Aufrechterhaltung der Signalqualität und die Minimierung von Übertragungsverlusten höchste Priorität haben.

 Parasitäre Kapazität und Induktivität von Durchkontaktierungen

Parasitäre Kapazität von Vias

Vias selbst haben eine parasitäre Kapazität zur Erde. Wenn bekannt ist, dass der Isolationslochdurchmesser der Durchkontaktierung auf der Erdungsschicht D2 beträgt und der Pad-Durchmesser der Durchkontaktierung D1 beträgt, beträgt die parasitäre Kapazität der Durchkontaktierung bei einer PCB-Dicke von T und einer Dielektrizitätskonstante des Substrats ε ungefähr :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

Die parasitäre Kapazität der Durchkontaktierung beeinflusst hauptsächlich die Anstiegszeit des Signals und verringert die Geschwindigkeit der Schaltung. Wenn beispielsweise für eine Leiterplatte mit einer Dicke von 50 mil eine Durchkontaktierung mit einem Innendurchmesser von 10 mil und einem Pad-Durchmesser von 20 mil verwendet wird und der Abstand zwischen dem Pad und dem geerdeten Kupferbereich 32 mil beträgt, ist der parasitäre Effekt vorhanden Die Kapazität der Durchkontaktierung kann ungefähr wie folgt berechnet werden:

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

Die durch diese Kapazität verursachte Änderung der Anstiegszeit beträgt:

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

Obwohl die Auswirkung der Kapazität einer einzelnen Durchkontaktierung auf die Anstiegszeit nicht sehr offensichtlich ist, sollten Designer dies dennoch sorgfältig abwägen, wenn Durchkontaktierungen im Routing für die Zwischenschichtschaltung mehrfach verwendet werden.

Parasitäre Induktivität von Vias

Parasitäre Induktivität von Vias: Während Vias eine parasitäre Kapazität aufweisen, weisen sie auch eine parasitäre Induktivität auf. Beim Entwurf digitaler Hochgeschwindigkeitsschaltungen ist der durch die parasitäre Induktivität von Durchkontaktierungen verursachte Schaden oft größer als der durch die parasitäre Kapazität. Seine parasitäre Serieninduktivität schwächt den Beitrag der Bypass-Kapazität und schwächt die Filterwirkung des gesamten Stromversorgungssystems.

Mit der folgenden Formel können wir die ungefähre parasitäre Induktivität einer Durchkontaktierung berechnen:

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

Dabei ist L die Induktivität der Durchkontaktierung, h die Länge der Durchkontaktierung und d der Durchmesser des mittleren Bohrlochs. Aus der Formel ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Vias einen relativ geringen Einfluss auf die Induktivität hat, während die Länge des Vias einen Einfluss auf die Induktivität hat. Anhand des obigen Beispiels können wir die Induktivität der Durchkontaktierung wie folgt berechnen:

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

Wenn die Anstiegszeit des Signals 1 ns beträgt, beträgt seine äquivalente Impedanz:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Eine solche Impedanz kann nicht ignoriert werden, wenn hochfrequenter Strom durch sie fließt. Insbesondere beim Anschluss des Bypass-Kondensators an die Strom- und Erdungsschicht muss er durch zwei Durchkontaktierungen verlaufen, was die parasitäre Induktivität der Durchkontaktierung verdoppelt.

Via Design in Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten

Aus der obigen Analyse der parasitären Eigenschaften von Vias geht hervor, dass beim Hochgeschwindigkeits-PCB-Design scheinbar einfache Vias oft erhebliche negative Auswirkungen auf das Schaltungsdesign haben können.

Um die nachteiligen Auswirkungen der parasitären Wirkung von Vias zu reduzieren, können die folgenden Inhalte so weit wie möglich im Design angeordnet werden:

Wählen Sie Durchkontaktierungen mit angemessener Größe unter Berücksichtigung der Kosten und der Signalqualität. Beispielsweise ist es für das PCB-Design von 6-10-lagigen Speichermodulen besser, Vias mit einem Durchmesser von 10/20 mil (Bohrloch/Pad) zu verwenden. Für einige kleine Platinen mit hoher Dichte können Sie auch 8/18 mil-Durchkontaktierungen verwenden. Unter den aktuellen technologischen Bedingungen ist es schwierig, kleinere Vias zu verwenden. Erwägen Sie bei Strom- oder Erdungsdurchkontaktierungen die Verwendung größerer Größen, um die Impedanz zu verringern.

Wie oben erläutert, ist die Verwendung einer dünneren Leiterplatte von Vorteil, um die beiden parasitären Parameter von Durchkontaktierungen zu reduzieren.
Strom- und Erdungsstifte sollten so nah wie möglich an den Durchkontaktierungen platziert werden und die Leitungen zwischen den Durchkontaktierungen und den Stiften sollten so kurz wie möglich sein, da sie die Induktivität erhöhen. Gleichzeitig sollten die Strom- und Erdungsleitungen möglichst dick sein, um die Impedanz zu verringern.

Versuchen Sie, die Verwendung von Vias für die Signalführung auf der Leiterplatte zu minimieren, d. h. unnötige Vias zu reduzieren.
Platzieren Sie einige Erdungsdurchkontaktierungen in der Nähe der Durchkontaktierungen, an denen das Signal die Schicht wechselt, um einen nahegelegenen Rückweg für das Signal bereitzustellen. Sie können sogar eine große Anzahl redundanter Erdungsdurchkontaktierungen auf der Leiterplatte platzieren. Flexibilität und Veränderbarkeit sind natürlich auch bei der Gestaltung gefragt.

Bei der obigen Diskussion des Via-Modells wird davon ausgegangen, dass jede Schicht über Pads verfügt. Manchmal können wir die Pads auf einigen Schichten reduzieren oder sogar ganz eliminieren. Besonders wenn die Dichte der Durchkontaktierungen sehr hoch ist, kann es dazu kommen, dass ein Schlitz eine Barriereschleife in der Kupferschicht bildet. Zusätzlich zur Verschiebung der Position des Vias können wir auch darüber nachdenken, die Größe des Pads des Vias auf der Kupferschicht zu reduzieren.

Fazit

PCB-Durchkontaktierungen sind entscheidende Komponenten in mehrschichtigen Leiterplatten und machen einen erheblichen Teil der Herstellungskosten aus. Vias werden nach ihrer Funktion kategorisiert: Sie stellen entweder elektrische Verbindungen zwischen Schichten her oder dienen als Halterungen für Komponenten. Aus Prozesssicht werden Vias in Blind-, Buried- und Through-Vias eingeteilt. Während sich Blind- und Buried-Vias in den Innenschichten der Leiterplatte befinden, verlaufen Durchgangskontakte durch die gesamte Platine.

Designer streben bei Hochgeschwindigkeits- und hochdichten Leiterplatten nach kleineren Durchkontaktierungen , um den Leiterbahnraum zu maximieren und parasitäre Kapazitäten zu reduzieren. Fertigungsbedingte Einschränkungen wie Bohren und Galvanisieren setzen der Verkleinerung jedoch Grenzen. Die Entwicklung der Laserbohrtechnologie ermöglicht den Einsatz von Mikro-Durchkontaktierungen, wodurch die Schaltungsleistung verbessert und Platz gespart wird.

Trotz ihrer Vorteile können Durchkontaktierungen zu Impedanzdiskontinuitäten auf Übertragungsleitungen führen, was zu einer minimalen Signalreflexion führt. Die Hauptprobleme bei Vias hängen mit parasitärer Kapazität und Induktivität zusammen, die sich auf die Signalgeschwindigkeit und Filterung in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen auswirken können. Um diese Auswirkungen abzumildern, sollten Designer bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs sorgfältig über Größe, Platzierung und Routing-Strategien nachdenken.