Älä anna PCB-liitäntöjen pilata koko korttiasi

Älä anna piirilevyn läpivientien pilata koko piirilevyäsi! Läpiviennit ovat olennainen osa monikerroksisia piirilevyjä , ja porauskustannukset muodostavat tyypillisesti 30–40 % piirilevyn valmistuskustannuksista. Yksinkertaisesti sanottuna jokaista piirilevyn reikää voidaan kutsua läpivienniksi.

PCB-porauksen luokitus

Toiminnallisesta näkökulmasta viat voidaan jakaa kahteen luokkaan:

Sähköliitäntä kerrosten välillä: Käytetään piirilevyn eri kerrosten kytkemiseen sähkötarkoituksiin.
Komponenttien kiinnitys tai sijoittelu: Käytetään komponenttien kiinnittämiseen tai sijoittamiseen.

Prosessin näkökulmasta nämä läpivientikanavat jaetaan yleensä kolmeen tyyppiin:

Sokeat läpivientit, haudatut läpivientit ja läpivientit.

Sokeat läpiviennit: Sijaitsevat piirilevyn ylä- ja alapinnalla, ja niillä on tietty syvyys ja niitä käytetään yhdistämään pintajäljet ​​sisäkerroksen jälkiin. Reiän syvyys ei yleensä ylitä tiettyä suhdetta (halkaisija).
Haudatut läpiviennit: Nämä ovat läpivientejä, jotka sijaitsevat piirilevyn sisäkerroksissa, eivätkä ulotu levyn pintaan. Molemmat tämän tyyppiset läpiviennit sijaitsevat piirilevyn sisäkerrosten sisällä ja muodostetaan ennen laminointia käyttämällä läpireiänmuodostusprosesseja, jotka voivat olla päällekkäin useiden sisäkerrosten kanssa läpivientien muodostuksen aikana.
Läpivientit: Nämä läpiviennit kulkevat koko piirilevyn läpi ja niitä voidaan käyttää sisäiseen yhteenliittämiseen tai komponenttien asennusreikinä.

Niiden helpomman käyttöönoton valmistusprosessissa ja alhaisempien kustannusten vuoksi suurin osa painetuista piirilevyistä käyttää läpivientiä kahden muun tyyppisen läpiviennin sijaan. Ellei toisin mainita, alla mainitut läpivientit katsotaan läpivientien kautta.

Suunnittelun näkökulmasta via koostuu pääasiassa kahdesta osasta:

• Läpivientikomponentit ja suunnittelunäkökohdat : Piirilevysuunnittelussa läpivienti käsittää keskellä olevan porausreiän, jota ympäröi pad-alue, jossa näiden osien mitat määräävät läpiviennin kokonaiskoon. Suurinopeuksisissa ja tiheissä piirilevysuunnitteluissa läpiviennin koon minimointi on ratkaisevan tärkeää reititystilan optimoimiseksi ja loiskapasitanssin vähentämiseksi, mikä parantaa soveltuvuutta suurnopeuspiireihin.

• Kustannus- ja kokorajoitukset : Pienentäminen koon mukaan lisää kuitenkin valmistuskustannuksia pidempien porausaikojen ja mahdollisten sijaintipoikkeamien vuoksi esimerkiksi porauksen ja pinnoituksen aikana. Kun reiän syvyys ylittää kuusi kertaa sen halkaisijan, reiän seinämän tasaisen kuparipinnoitteen varmistaminen tulee haastavaksi, mikä vaikuttaa sekä kustannuksiin että valmistettavuuteen.

• Teknologinen kehitys ja mikroläpiviennit : Laserporaustekniikan viimeaikainen kehitys on mahdollistanut pienempien läpivientien käytön. Läpivientejä, joiden halkaisija on 6 milliä tai vähemmän, kutsutaan mikroläpivienneiksi, ja niitä käytetään yleisesti HDI- malleissa. Nämä mikroläpiviennit tukevat läpivienti-pad-kokoonpanoja, mikä parantaa merkittävästi piirin suorituskykyä ja säästää reititystilaa piirilevyllä.

• Signaalin eheysongelmat : Läpiviennit aiheuttavat impedanssin epäjatkuvuuksia siirtolinjoissa, mikä voi johtaa signaalin heijastuksiin. Läpiviennin impedanssi on noin 12 % pienempi kuin siirtolinjan, mikä aiheuttaa impedanssin pienenemisen hieman. Tästä huolimatta todellinen heijastuskerroin on minimaalinen, tyypillisesti noin 0.06, hyvin hallittujen suunnittelukäytäntöjen ja valmistustekniikoiden ansiosta.

• Loiskapasitanssi ja induktanssi : Piirilevysuunnittelun läpivienteihin liittyvät ensisijaiset haasteet liittyvät loisvaikutusten, kuten kapasitanssin ja induktanssin, hallintaan. Nämä tekijät ovat kriittisiä korkeataajuussuunnittelussa, jossa signaalin laadun ylläpitäminen ja siirtohäviöiden minimointi ovat ensiarvoisen tärkeitä.

 Läpivientien loiskapasitanssi ja induktanssi

Vias-parasiittinen kapasitanssi

Vioilla itsessään on loiskapasitanssi maahan. Jos maakerroksen läpiviennin eristysreiän halkaisijan tiedetään olevan D2 ja läpiviennin tyynyn halkaisija on D1, PCB:n paksuudella T ja substraatin dielektrisyysvakiolla ε, läpiviennin loiskapasitanssi on noin:

C=1.41εTD1/(D2−D1)

Läpiviennin loiskapasitanssi vaikuttaa pääasiassa signaalin nousuaikaan, mikä vähentää piirin nopeutta. Esimerkiksi PCB:lle, jonka paksuus on 50 mil, jos käytetään läpivientiä, jonka sisähalkaisija on 10 mil ja tyynyn halkaisija 20 mil, ja tyynyn ja jauhetun kuparialueen välinen etäisyys on 32 mil, läpiviennin loiskapasitanssi voidaan laskea likimäärin seuraavasti:

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

Tämän kapasitanssin aiheuttama muutos nousuajassa on:

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

Vaikka yhden läpiviennin kapasitanssin vaikutus nousuaikaan ei ole kovin ilmeinen, jos läpivientejä käytetään useita kertoja reitityksessä kerrosten väliseen kytkentään, suunnittelijoiden tulee silti harkita sitä huolellisesti.

Vias-parasiittisen induktanssin

Läpivientien lois-induktanssi Vastaavasti, vaikka läpivientiaukoilla on loiskapasitanssi, niillä on myös loisinduktanssi. Nopeiden digitaalisten piirien suunnittelussa läpivientien parasiittisen induktanssin aiheuttama haitta on usein suurempi kuin loiskapasitanssin. Sen loissarjainduktanssi heikentää ohituskapasitanssin osuutta ja heikentää koko tehonsyöttöjärjestelmän suodatusvaikutusta.

Voimme käyttää seuraavaa kaavaa laskeaksemme läpiviennin likimääräisen loisinduktanssin:

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

Missä L on läpiviennin induktanssi, h on läpiviennin pituus ja d on keskiporan reiän halkaisija. Kaavasta voidaan nähdä, että läpiviennin halkaisijalla on suhteellisen pieni vaikutus induktanssiin, kun taas läpiviennin pituus vaikuttaa induktanssiin. Yllä olevan esimerkin avulla voimme laskea läpiviennin induktanssin seuraavasti:

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

Jos signaalin nousuaika on 1 ns, niin sen ekvivalenttiimpedanssi on:

XL=πL/T10-90​=3.19Ω

Tällaista impedanssia ei voida jättää huomiotta, kun sen läpi kulkee suurtaajuinen virta. Erityisesti, kun ohituskondensaattori kytketään teho- ja maakerrokseen, sen täytyy kulkea kahden läpiviennin läpi, mikä kaksinkertaistaa läpiviennin parasiittisen induktanssin.

Designin kautta nopeissa piirilevyissä

Edellä olevan läpivientien parasiittisten ominaisuuksien analyysin avulla voidaan nähdä, että nopeassa piirilevysuunnittelussa näennäisesti yksinkertaiset läpiviennit voivat usein tuoda merkittäviä negatiivisia vaikutuksia piirisuunnitteluun.

Vias-parasiittisten vaikutusten haitallisten vaikutusten vähentämiseksi suunnittelussa voidaan järjestää mahdollisimman paljon seuraavaa sisältöä:

Valitse kohtuullisen kokoiset läpiviennit ottaen huomioon sekä kustannukset että signaalin laadun. Esimerkiksi 6-10-kerroksisten muistimoduulien piirilevyjen suunnittelussa on parempi käyttää läpivientejä, joiden halkaisija on 10/20 mil (porareikä/tyyny). Joillekin suuritiheyksisille pienille levyille voit myös kokeilla 8/18 milin viasia. Nykyisissä teknologisissa olosuhteissa pienempien läpivientien käyttö on vaikeaa. Teho- tai maaläpivientiä varten harkitse suurempien kokojen käyttöä impedanssin vähentämiseksi.

Kuten edellä on käsitelty, ohuemman PCB:n käyttö on hyödyllistä vähentää vian kahden loisparametrin määrää.
Teho- ja maadoitusnastat tulee sijoittaa mahdollisimman lähelle läpivientiaukkoja, ja läpivientien ja nastojen välisten johtimien tulee olla mahdollisimman lyhyitä, koska ne lisäävät induktanssia. Samanaikaisesti tehon ja maan johtimien tulee olla mahdollisimman paksuja impedanssin vähentämiseksi.

Yritä minimoida läpivientien käyttö signaalin reitittämiseen piirilevyllä, eli yritä vähentää tarpeettomia läpivientejä.
Aseta maadoitusläpivientejä lähelle läpivientejä, joissa signaali vaihtaa kerroksia tarjotakseen signaalille läheisen paluutien. Voit jopa sijoittaa suuren määrän redundantteja maadoitusläpivientejä piirilevylle. Tietysti suunnittelussa tarvitaan myös joustavuutta ja muunneltavuutta.

Edellä oleva via-mallin keskustelu olettaa, että jokaisessa kerroksessa on tyynyt. Joskus voimme vähentää tai jopa poistaa tyynyjä joissakin kerroksissa. Varsinkin kun läpivientien tiheys on erittäin korkea, se voi saada raon muodostamaan sulkusilmukan kuparikerrokseen. Läpiviennin sijainnin siirtämisen lisäksi voimme harkita myös kuparikerroksen läpiviennin tyynyn koon pienentämistä.

Yhteenveto

PCB-läpiviennit ovat tärkeitä komponentteja monikerroksisissa piirilevyissä, ja ne muodostavat merkittävän osan valmistuskustannuksista. Läpiviennit luokitellaan sen mukaan, että ne toimivat sähköliitäntöinä kerrosten välillä tai toimivatko ne komponenttien kiinnikkeinä. Prosessin näkökulmasta läpivientikanavat luokitellaan sokeiksi, haudattuiksi ja läpivientiaukoiksi. Vaikka sokeat ja haudatut läpiviennit sijaitsevat piirilevyn sisäkerroksissa, läpivientiaukot kulkevat koko levyn läpi.

Suunnittelijat pyrkivät pienempiin läpivienteihin suurnopeus- ja tiheyspiirilevyissä maksimoidakseen reititystilan ja vähentääkseen loiskapasitanssia. Koon pienentämisellä on kuitenkin rajoituksensa valmistusrajoitusten, kuten porauksen ja pinnoituksen, vuoksi. Laserporaustekniikan kehitys on mahdollistanut mikroläpivientien käytön, mikä parantaa piirien suorituskykyä ja säästää tilaa.

Edustaan ​​huolimatta läpiviennit voivat aiheuttaa impedanssin epäjatkuvuuksia siirtolinjoissa, mikä aiheuttaa minimaalisen signaalin heijastuksen. Tärkeimmät viat liittyvät ongelmat liittyvät loiskapasitanssiin ja induktanssiin, jotka voivat vaikuttaa signaalin nopeuteen ja suodatukseen nopeissa digitaalisissa piireissä. Näiden vaikutusten lieventämiseksi suunnittelijoiden tulee harkita huolellisesti kokoa, sijoitusta ja reititysstrategioita nopeiden piirilevyjen suunnittelussa.