No dejes que las vías de PCB arruinen toda tu placa

¡No dejes que las vías de PCB arruinen toda tu placa! Las vías son una parte esencial de PCB multicapa, y los costos de perforación suelen representar entre el 30% y el 40% del costo de fabricación de PCB. En términos simples, cada orificio en una PCB se puede llamar vía.

Clasificación de perforación de PCB

Desde una perspectiva funcional, las vías se pueden dividir en dos categorías:

Conexión eléctrica entre capas: Se utiliza para conectar diferentes capas de la PCB con fines eléctricos.
Fijación o posicionamiento de componentes: Se utiliza para fijar o posicionar componentes.

Desde una perspectiva de proceso, estas vías generalmente se dividen en tres tipos:

Vías ciegas, vías enterradas y vías pasantes.

Vías ciegas: Ubicadas en las superficies superior e inferior de la PCB, estas vías tienen una cierta profundidad y se utilizan para conectar las trazas de la superficie con las de la capa interna. La profundidad del agujero no suele exceder una determinada proporción (diámetro).
Vías enterradas: son vías ubicadas dentro de las capas internas de la PCB, que no se extienden hasta la superficie de la placa. Ambos tipos de vías están ubicadas dentro de las capas internas de la PCB y se forman antes de la laminación mediante procesos de formación de orificios pasantes, que pueden superponerse a varias capas internas durante la formación de las vías.
Vias pasantes: estas vías pasan a través de toda la PCB y pueden usarse para interconexión interna o como orificios de montaje para componentes.

Debido a su más fácil implementación en el proceso de fabricación y menor costo, la gran mayoría de las placas de circuito impreso utilizan vías pasantes en lugar de los otros dos tipos de vías. Salvo que se especifique lo contrario, las vías que a continuación se mencionan se consideran mediante vías.

Desde una perspectiva de diseño, una vía consta principalmente de dos partes:

• A través de componentes y consideraciones de diseño: Una vía en Diseño de PCB Comprende un orificio central rodeado por un área de almohadilla, donde las dimensiones de estas piezas determinan el tamaño total de la vía. En diseños de PCB de alta velocidad y alta densidad, minimizar el tamaño de la vía es crucial para optimizar el espacio de enrutamiento y reducir la capacitancia parásita, lo que mejora la idoneidad para circuitos de alta velocidad.

• Limitaciones de costo y tamaño: Sin embargo, la reducción del tamaño aumenta los costos de fabricación debido a tiempos de perforación más prolongados y posibles desviaciones en el posicionamiento durante procesos como la perforación y el enchapado. Cuando la profundidad del orificio excede seis veces su diámetro, garantizar un revestimiento de cobre uniforme a lo largo de la pared del orificio se vuelve un desafío, lo que afecta tanto el costo como la capacidad de fabricación.

• Avances Tecnológicos y Microvías: Los avances recientes en la tecnología de perforación láser han permitido el uso de vías más pequeñas. Las vías con diámetros de 6 mils o menos se denominan microvías y se emplean comúnmente en HDI diseños. Estas microvías admiten configuraciones vía en pad, lo que mejora significativamente el rendimiento del circuito y conserva el espacio de enrutamiento en la PCB.

• Preocupaciones por la integridad de la señal: Las vías introducen discontinuidades de impedancia en las líneas de transmisión, lo que puede provocar reflejos de la señal. La impedancia de una vía es aproximadamente un 12% menor que la de la línea de transmisión, provocando una ligera reducción de la impedancia. A pesar de esto, el coeficiente de reflexión real es mínimo, normalmente alrededor de 0.06, debido a prácticas de diseño y técnicas de fabricación bien gestionadas.

• Capacitancia e inductancia parásita: Los principales desafíos asociados con las vías en el diseño de PCB se relacionan con la gestión de efectos parásitos como la capacitancia y la inductancia. Estos factores son críticos en diseños de alta frecuencia donde es primordial mantener la calidad de la señal y minimizar las pérdidas de transmisión.

 Capacitancia e inductancia parasitarias de las vías

Capacitancia parásita de Vias

Las propias vías tienen capacitancia parásita a tierra. Si se sabe que el diámetro del orificio de aislamiento de la vía en la capa de tierra es D2, y el diámetro de la almohadilla de la vía es D1, con un espesor de PCB de T y una constante dieléctrica del sustrato de ε, la capacitancia parásita de la vía es aproximadamente :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

La capacitancia parásita de la vía afectará principalmente al tiempo de subida de la señal, reduciendo la velocidad del circuito. Por ejemplo, para una PCB con un espesor de 50 mils, si se utiliza una vía con un diámetro interior de 10 mils y un diámetro de almohadilla de 20 mils, y la distancia entre la almohadilla y el área de cobre molido es de 32 mils, el parásito La capacitancia de la vía se puede calcular aproximadamente como:

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

El cambio en el tiempo de subida causado por esta capacitancia es:

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

Aunque el efecto de la capacitancia de una única vía en el tiempo de subida no es muy obvio, si las vías se utilizan varias veces en el enrutamiento para la conmutación entre capas, los diseñadores aún deben considerarlo cuidadosamente.

Inductancia parásita de Vias

Inductancia parásita de las vías De manera similar, si bien las vías tienen capacitancia parásita, también tienen inductancia parásita. En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, el daño causado por la inductancia parásita de las vías suele ser mayor que el de la capacitancia parásita. Su inductancia en serie parásita debilita la contribución de la capacitancia de derivación y debilita el efecto de filtrado de todo el sistema de suministro de energía.

Podemos utilizar la siguiente fórmula para calcular la inductancia parásita aproximada de una vía:

L=5.08h[ln(4h/día)+1]

Donde L es la inductancia de la vía, h es la longitud de la vía y d es el diámetro del orificio central. De la fórmula se puede ver que el diámetro de la vía tiene un impacto relativamente pequeño en la inductancia, mientras que la longitud de la vía afecta la inductancia. Usando el ejemplo anterior, podemos calcular la inductancia de la vía de la siguiente manera:

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

Si el tiempo de subida de la señal es 1 ns, entonces su impedancia equivalente es:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Esta impedancia no se puede ignorar cuando pasa una corriente de alta frecuencia. En particular, al conectar el condensador de derivación a las capas de alimentación y tierra, debe pasar a través de dos vías, lo que duplica la inductancia parásita de la vía.

A través del diseño en PCB de alta velocidad

A través del análisis anterior de las características parásitas de las vías, se puede ver que en el diseño de PCB de alta velocidad, las vías aparentemente simples a menudo pueden traer efectos negativos significativos al diseño del circuito.

Para reducir los efectos adversos de los efectos parásitos de las vías, se puede organizar el siguiente contenido en el diseño tanto como sea posible:

Elija vías de tamaño razonable considerando tanto el costo como la calidad de la señal. Por ejemplo, para el diseño de PCB de módulos de memoria de 6 a 10 capas, es mejor utilizar vías con un diámetro de 10/20 mils (taladro/almohadilla). Para algunas tablas pequeñas de alta densidad, también puedes intentar usar vías de 8/18 mils. En las condiciones tecnológicas actuales, es difícil utilizar vías más pequeñas. Para vías de alimentación o de tierra, considere usar tamaños más grandes para reducir la impedancia.

Como se mencionó anteriormente, el uso de una PCB más delgada es beneficioso para reducir los dos parámetros parásitos de las vías.
Los pines de alimentación y tierra deben colocarse lo más cerca posible de las vías, y los cables entre las vías y los pines deben ser lo más cortos posible, ya que aumentarán la inductancia. Al mismo tiempo, los cables de alimentación y tierra deben ser lo más gruesos posible para reducir la impedancia.

Intente minimizar el uso de vías para el enrutamiento de señales en la PCB, es decir, intente reducir las vías innecesarias.
Coloque algunas vías de conexión a tierra cerca de las vías donde la señal cambia de capa para proporcionar una ruta de retorno cercana para la señal. Incluso puede colocar una gran cantidad de vías de conexión a tierra redundantes en la PCB. Por supuesto, en el diseño también se necesitan flexibilidad y capacidad de cambio.

La discusión anterior sobre el modelo vía supone que cada capa tiene pads. En ocasiones, podemos reducir o incluso eliminar las almohadillas en algunas capas. Especialmente cuando la densidad de vías es muy alta, puede provocar que una ranura forme un bucle de barrera en la capa de cobre. Además de mover la posición de la vía, también podemos considerar reducir el tamaño de la almohadilla de la vía en la capa de cobre.

Conclusión

Las vías de PCB son componentes cruciales en los PCB multicapa y representan una parte importante de los costos de fabricación. Las vías se clasifican según su función, ya sea proporcionando conexiones eléctricas entre capas o sirviendo como accesorios para componentes. Desde una perspectiva de proceso, las vías se clasifican en vías ciegas, enterradas y pasantes. Mientras que las vías ciegas y enterradas se encuentran dentro de las capas internas de la PCB, las vías pasantes atraviesan toda la placa.

Los diseñadores apuntan a vías más pequeñas en alta velocidad y PCB de alta densidad para maximizar el espacio de enrutamiento y reducir la capacitancia parásita. Sin embargo, existen límites para la reducción de tamaño debido a limitaciones de fabricación, como la perforación y el revestimiento. El desarrollo de la tecnología de perforación láser ha permitido el uso de microvías, mejorando el rendimiento del circuito y ahorrando espacio.

A pesar de sus beneficios, las vías pueden introducir discontinuidades de impedancia en las líneas de transmisión, provocando una reflexión mínima de la señal. Los principales problemas con las vías están relacionados con la capacitancia e inductancia parásitas, que pueden afectar la velocidad de la señal y el filtrado en circuitos digitales de alta velocidad. Para mitigar estos efectos, los diseñadores deben considerar cuidadosamente las estrategias de tamaño, ubicación y enrutamiento en diseños de PCB de alta velocidad.