Μην αφήσετε τις διόδους PCB να καταστρέψουν ολόκληρη την πλακέτα σας

Μην αφήσετε τις διόδους PCB να καταστρέψουν ολόκληρη την πλακέτα σας! Οι vias αποτελούν ουσιαστικό μέρος του πολυστρωματικά PCB, με το κόστος γεώτρησης να αντιπροσωπεύει συνήθως το 30% έως 40% του κόστους κατασκευής PCB. Με απλά λόγια, κάθε τρύπα σε ένα PCB μπορεί να ονομαστεί via.

Ταξινόμηση γεώτρησης PCB

Από λειτουργική άποψη, τα vias μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες:

Ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ στρωμάτων: Χρησιμοποιείται για τη σύνδεση διαφορετικών στρωμάτων του PCB για ηλεκτρικούς σκοπούς.
Εξάρτημα ή τοποθέτηση εξαρτημάτων: Χρησιμοποιείται για στερέωση ή τοποθέτηση εξαρτημάτων.

Από την άποψη της διαδικασίας, αυτές οι διόδους χωρίζονται γενικά σε τρεις τύπους:

Blind vias, buried vias, and through vias.

Blind Vias: Βρίσκονται στην επάνω και στην κάτω επιφάνεια του PCB, αυτά τα vias έχουν ορισμένο βάθος και χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση επιφανειακών ιχνών με ίχνη εσωτερικού στρώματος. Το βάθος της οπής συνήθως δεν υπερβαίνει μια ορισμένη αναλογία (διάμετρος).
Buried Vias: Πρόκειται για vias που βρίσκονται μέσα στα εσωτερικά στρώματα του PCB, που δεν εκτείνονται στην επιφάνεια της πλακέτας. Και οι δύο αυτοί τύποι αγωγών βρίσκονται εντός των εσωτερικών στρωμάτων του PCB και σχηματίζονται πριν από την πλαστικοποίηση χρησιμοποιώντας διαδικασίες σχηματισμού διαμπερούς οπής, οι οποίες μπορεί να επικαλύπτουν πολλά εσωτερικά στρώματα κατά τη διάρκεια του σχηματισμού μέσω οπών.
Μέσω Vias: Αυτές οι διόδους διέρχονται από ολόκληρο το PCB και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εσωτερική διασύνδεση ή ως οπές στερέωσης εξαρτημάτων.

Λόγω της ευκολότερης εφαρμογής τους στη διαδικασία κατασκευής και του χαμηλότερου κόστους, η συντριπτική πλειονότητα των πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων χρησιμοποιούν μέσω vias αντί για τους άλλους δύο τύπους vias. Εκτός εάν ορίζεται διαφορετικά, οι διόδους που αναφέρονται παρακάτω θεωρούνται μέσω vias.

Από σχεδιαστική άποψη, ένα via αποτελείται κυρίως από δύο μέρη:

• Μέσω εξαρτημάτων και μελετών σχεδίασης: A via in Σχεδιασμός PCB περιλαμβάνει μια κεντρική τρύπα που περιβάλλεται από μια περιοχή μαξιλαριού, όπου οι διαστάσεις αυτών των τμημάτων καθορίζουν το συνολικό μέγεθος. Σε σχέδια PCB υψηλής ταχύτητας και υψηλής πυκνότητας, η ελαχιστοποίηση μέσω μεγέθους είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση του χώρου δρομολόγησης και τη μείωση της παρασιτικής χωρητικότητας, βελτιώνοντας την καταλληλότητα για κυκλώματα υψηλής ταχύτητας.

• Περιορισμοί κόστους και μεγέθους: Ωστόσο, η συρρίκνωση λόγω μεγέθους αυξάνει το κόστος κατασκευής λόγω μεγαλύτερου χρόνου διάτρησης και πιθανών αποκλίσεων στην τοποθέτηση κατά τη διάρκεια διεργασιών όπως η διάτρηση και η επιμετάλλωση. Όταν το βάθος της οπής υπερβαίνει το εξαπλάσιο της διαμέτρου της, η διασφάλιση της ομοιόμορφης χάλκινης επένδυσης κατά μήκος του τοιχώματος της οπής γίνεται δύσκολη, επηρεάζοντας τόσο το κόστος όσο και την κατασκευαστική ικανότητα.

• Τεχνολογικές Προόδους και Μικροβίες: Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία διάτρησης με λέιζερ έχουν επιτρέψει τη χρήση μικρότερων διόδων. Οι διόδους με διάμετρο 6 mils ή μικρότερη ονομάζονται μικροβιώσεις και χρησιμοποιούνται συνήθως σε HDI σχέδια. Αυτές οι μικροβιώσεις υποστηρίζουν διαμορφώσεις μέσω in-pad, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση του κυκλώματος και εξοικονομώντας χώρο δρομολόγησης στο PCB.

• Ανησυχίες ακεραιότητας σήματος: Οι Vias εισάγουν ασυνέχειες σύνθετης αντίστασης στις γραμμές μεταφοράς, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε ανακλάσεις σήματος. Η σύνθετη αντίσταση ενός via είναι περίπου 12% χαμηλότερη από αυτή της γραμμής μεταφοράς, προκαλώντας μια ελαφρά μείωση της σύνθετης αντίστασης. Παρόλα αυτά, ο πραγματικός συντελεστής ανάκλασης είναι ελάχιστος, συνήθως γύρω στο 0.06, λόγω των καλά διαχειριζόμενων πρακτικών σχεδιασμού και τεχνικών κατασκευής.

• Παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγή: Οι κύριες προκλήσεις που σχετίζονται με τα vias στο σχεδιασμό PCB σχετίζονται με τη διαχείριση παρασιτικών επιδράσεων όπως η χωρητικότητα και η επαγωγή. Αυτοί οι παράγοντες είναι κρίσιμοι σε σχέδια υψηλής συχνότητας όπου η διατήρηση της ποιότητας του σήματος και η ελαχιστοποίηση των απωλειών μετάδοσης είναι πρωταρχικής σημασίας.

 Παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγή των Vias

Παρασιτική χωρητικότητα των Vias

Οι ίδιες οι vias έχουν παρασιτική χωρητικότητα στη γείωση. Εάν η διάμετρος της οπής απομόνωσης του via στο στρώμα εδάφους είναι γνωστό ότι είναι D2 και η διάμετρος του μαξιλαριού του via είναι D1, με πάχος PCB T και διηλεκτρική σταθερά υποστρώματος ε, η παρασιτική χωρητικότητα του via είναι περίπου :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

Η παρασιτική χωρητικότητα της via θα επηρεάσει κυρίως τον χρόνο ανόδου του σήματος, μειώνοντας την ταχύτητα του κυκλώματος. Για παράδειγμα, για ένα PCB με πάχος 50 mils, εάν χρησιμοποιείται μια αυλάκωση με εσωτερική διάμετρο 10 mils και διάμετρο pad 20 mils και η απόσταση μεταξύ του μαξιλαριού και της επιφάνειας του αλεσμένου χαλκού είναι 32 mils, το παρασιτικό Η χωρητικότητα του via μπορεί να υπολογιστεί κατά προσέγγιση ως:

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

Η μεταβολή του χρόνου ανόδου που προκαλείται από αυτή την χωρητικότητα είναι:

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

Αν και η επίδραση της χωρητικότητας ενός μόνο via στον χρόνο ανόδου δεν είναι πολύ εμφανής, εάν οι vias χρησιμοποιούνται πολλές φορές στη δρομολόγηση για εναλλαγή μεταξύ των επιπέδων, οι σχεδιαστές θα πρέπει να το εξετάσουν προσεκτικά.

Παρασιτική επαγωγή των Vias

Parasitic Inductance of Vias Παρομοίως, ενώ οι vias έχουν παρασιτική χωρητικότητα, έχουν επίσης παρασιτική επαγωγή. Στο σχεδιασμό ψηφιακών κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας, η βλάβη που προκαλείται από την παρασιτική επαγωγή των vias είναι συχνά μεγαλύτερη από αυτή της παρασιτικής χωρητικότητας. Η παρασιτική σειρά αυτεπαγωγής του αποδυναμώνει τη συμβολή της χωρητικότητας παράκαμψης και αποδυναμώνει το αποτέλεσμα φιλτραρίσματος ολόκληρου του συστήματος τροφοδοσίας.

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ακόλουθο τύπο για να υπολογίσουμε την κατά προσέγγιση παρασιτική επαγωγή του a via:

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

Όπου L είναι η αυτεπαγωγή του via, h είναι το μήκος του via και d είναι η διάμετρος της κεντρικής οπής διάτρησης. Από τον τύπο, μπορεί να φανεί ότι η διάμετρος του via έχει σχετικά μικρό αντίκτυπο στην αυτεπαγωγή, ενώ το μήκος του via επηρεάζει την αυτεπαγωγή. Χρησιμοποιώντας το παραπάνω παράδειγμα, μπορούμε να υπολογίσουμε την επαγωγή του via ως εξής:

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

Εάν ο χρόνος ανόδου του σήματος είναι 1 ns, τότε η ισοδύναμη αντίσταση του είναι:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Μια τέτοια αντίσταση δεν μπορεί να αγνοηθεί όταν διέρχεται ρεύμα υψηλής συχνότητας. Ειδικότερα, όταν συνδέετε τον πυκνωτή παράκαμψης με τα στρώματα ισχύος και γείωσης, πρέπει να περάσει από δύο vias, πράγμα που διπλασιάζει την παρασιτική επαγωγή του via.

Μέσω σχεδίασης σε PCB υψηλής ταχύτητας

Μέσω της ανάλυσης των παρασιτικών χαρακτηριστικών των vias παραπάνω, μπορεί να φανεί ότι στη σχεδίαση PCB υψηλής ταχύτητας, οι φαινομενικά απλές διόδους μπορούν συχνά να επιφέρουν σημαντικά αρνητικά αποτελέσματα στο σχεδιασμό του κυκλώματος.

Για να μειωθούν οι αρνητικές επιπτώσεις των παρασιτικών επιπτώσεων των vias, το ακόλουθο περιεχόμενο μπορεί να διευθετηθεί στο σχέδιο όσο το δυνατόν περισσότερο:

Επιλέξτε vias λογικού μεγέθους λαμβάνοντας υπόψη τόσο το κόστος όσο και την ποιότητα του σήματος. Για παράδειγμα, για τη σχεδίαση PCB μονάδων μνήμης 6-10 επιπέδων, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε vias με διάμετρο 10/20 mils (τρύπα/υπόθεση). Για ορισμένες μικρές σανίδες υψηλής πυκνότητας, μπορείτε επίσης να δοκιμάσετε να χρησιμοποιήσετε vias 8/18 mils. Υπό τις τρέχουσες τεχνολογικές συνθήκες, είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν μικρότερες διόδους. Για αγωγούς ισχύος ή γείωσης, σκεφτείτε να χρησιμοποιήσετε μεγαλύτερα μεγέθη για να μειώσετε την αντίσταση.

Όπως συζητήθηκε παραπάνω, η χρήση ενός λεπτότερου PCB είναι ευεργετική για τη μείωση των δύο παρασιτικών παραμέτρων των vias.
Οι ακίδες τροφοδοσίας και γείωσης πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στις διόδους και οι απαγωγές μεταξύ των αγωγών και των ακίδων πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντές, καθώς θα αυξήσουν την επαγωγή. Ταυτόχρονα, τα καλώδια της ισχύος και της γείωσης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο παχιά για να μειωθεί η αντίσταση.

Προσπαθήστε να ελαχιστοποιήσετε τη χρήση vias για τη δρομολόγηση σήματος στο PCB, δηλαδή προσπαθήστε να μειώσετε τις περιττές vias.
Τοποθετήστε μερικές διόδους γείωσης κοντά στις διόδους όπου το σήμα αλλάζει επίπεδα για να παρέχει μια κοντινή διαδρομή επιστροφής για το σήμα. Μπορείτε ακόμη και να τοποθετήσετε έναν μεγάλο αριθμό περιττών μέσων γείωσης στην πλακέτα. Φυσικά, η ευελιξία και η μεταβλητότητα χρειάζονται επίσης στο σχεδιασμό.

Η παραπάνω συζήτηση για το μοντέλο via προϋποθέτει ότι κάθε στρώμα έχει τακάκια. Μερικές φορές, μπορούμε να μειώσουμε ή ακόμα και να εξαλείψουμε τα τακάκια σε ορισμένα στρώματα. Ειδικά όταν η πυκνότητα των vias είναι πολύ υψηλή, μπορεί να προκαλέσει μια σχισμή να σχηματίσει έναν βρόχο φραγμού στο στρώμα χαλκού. Εκτός από τη μετακίνηση της θέσης του via, μπορούμε επίσης να εξετάσουμε το ενδεχόμενο μείωσης του μεγέθους του μαξιλαριού του via στο στρώμα χαλκού.

Συμπέρασμα

Οι εισαγωγές PCB είναι ζωτικής σημασίας στοιχεία στα πολυστρωματικά PCB, αντιπροσωπεύοντας σημαντικό μέρος του κόστους κατασκευής. Οι Vias κατηγοριοποιούνται με βάση τη λειτουργία τους είτε ως παροχή ηλεκτρικών συνδέσεων μεταξύ των στρωμάτων είτε ως εξαρτήματα για εξαρτήματα. Από τη σκοπιά της διαδικασίας, τα vias ταξινομούνται σε blind, buried και through vias. Ενώ οι τυφλές και οι θαμμένες διόδους βρίσκονται μέσα στα εσωτερικά στρώματα του PCB, οι διόδους διέρχονται από ολόκληρη την πλακέτα.

Οι σχεδιαστές στοχεύουν σε μικρότερες διόδους σε υψηλής ταχύτητας και PCB υψηλής πυκνότητας για μεγιστοποίηση του χώρου δρομολόγησης και μείωση της παρασιτικής χωρητικότητας. Ωστόσο, υπάρχουν όρια στη μείωση του μεγέθους λόγω περιορισμών στην κατασκευή, όπως η διάτρηση και η επιμετάλλωση. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας διάτρησης με λέιζερ επέτρεψε τη χρήση μικροβίων, βελτιώνοντας την απόδοση του κυκλώματος και εξοικονομώντας χώρο.

Παρά τα πλεονεκτήματά τους, τα vias μπορούν να εισάγουν ασυνέχειες σύνθετης αντίστασης στις γραμμές μεταφοράς, προκαλώντας ελάχιστη ανάκλαση σήματος. Τα κύρια ζητήματα με τα vias σχετίζονται με την παρασιτική χωρητικότητα και την επαγωγή, η οποία μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα του σήματος και το φιλτράρισμα σε ψηφιακά κυκλώματα υψηλής ταχύτητας. Για να μετριαστούν αυτές οι επιπτώσεις, οι σχεδιαστές θα πρέπει να εξετάσουν προσεκτικά τις στρατηγικές μεγέθους, τοποθέτησης και δρομολόγησης σε σχέδια PCB υψηλής ταχύτητας.