Non lasciare che i via PCB rovinino l'intera scheda

Non lasciare che i fori passanti sui PCB rovinino l'intera scheda! I fori passanti sono una parte essenziale dei PCB multistrato e i costi di foratura rappresentano in genere dal 30% al 40% del costo di produzione del PCB. In parole semplici, ogni foro su un PCB può essere definito un foro passante.

Classificazione della perforazione dei PCB

Da un punto di vista funzionale, i via possono essere suddivisi in due categorie:

Collegamento elettrico tra strati: utilizzato per collegare diversi strati del PCB per scopi elettrici.
Fissaggio o posizionamento per componenti: utilizzato per fissare o posizionare i componenti.

Dal punto di vista del processo, questi vias sono generalmente divisi in tre tipologie:

Via cieca, via interrata e via passante.

Vie cieche: situate sulle superfici superiore e inferiore del PCB, queste vie hanno una certa profondità e vengono utilizzate per collegare le tracce superficiali alle tracce dello strato interno. La profondità del foro solitamente non supera un certo rapporto (diametro).
Via sepolte: si tratta di vie situate all'interno degli strati interni del PCB, che non si estendono alla superficie della scheda. Entrambi questi tipi di vie si trovano all'interno degli strati interni del PCB e vengono formati prima della laminazione utilizzando processi di formatura a foro passante, che possono sovrapporsi a diversi strati interni durante la formazione delle vie.
Via passanti: queste vie passano attraverso l'intero PCB e possono essere utilizzate per l'interconnessione interna o come fori di montaggio per i componenti.

Grazie alla loro più semplice implementazione nel processo di produzione e ai costi inferiori, la stragrande maggioranza dei circuiti stampati utilizza vie passanti anziché gli altri due tipi di vie. Se non diversamente specificato, i via menzionati di seguito sono considerati via passanti.

Dal punto di vista progettuale, una via è composta principalmente da due parti:

• Componenti e considerazioni di progettazione dei via : un via nella progettazione di PCB è costituito da un foro centrale circondato da un'area di pad, le cui dimensioni determinano la dimensione complessiva del via. Nei progetti di PCB ad alta velocità e alta densità, la minimizzazione delle dimensioni dei via è fondamentale per ottimizzare lo spazio di instradamento e ridurre la capacità parassita, migliorando l'idoneità per i circuiti ad alta velocità.

• Limitazioni di costo e dimensioni : tuttavia, la riduzione delle dimensioni aumenta i costi di produzione a causa dei tempi di foratura più lunghi e delle potenziali deviazioni di posizionamento durante processi come la foratura e la placcatura. Quando la profondità del foro supera sei volte il suo diametro, garantire una placcatura di rame uniforme lungo la parete del foro diventa difficile, con ripercussioni sia sui costi che sulla producibilità.

• Progressi tecnologici e microvias : i recenti progressi nella tecnologia di perforazione laser hanno reso possibile l'utilizzo di vias di dimensioni ridotte. Le vias con diametro pari o inferiore a 6 mil sono definite microvias e sono comunemente impiegate nei progetti HDI . Queste microvias supportano configurazioni via-in-pad, migliorando significativamente le prestazioni del circuito e ottimizzando lo spazio di instradamento sul PCB.

• Problemi di integrità del segnale : i via introducono discontinuità di impedenza nelle linee di trasmissione, che possono causare riflessioni del segnale. L'impedenza di un via è inferiore di circa il 12% rispetto a quella della linea di trasmissione, provocando una leggera riduzione dell'impedenza. Nonostante ciò, il coefficiente di riflessione effettivo è minimo, in genere intorno a 0.06, grazie a pratiche di progettazione e tecniche di produzione ben gestite.

• Capacità e induttanza parassite : le principali sfide associate ai via nella progettazione di PCB riguardano la gestione degli effetti parassiti come la capacità e l'induttanza. Questi fattori sono critici nei progetti ad alta frequenza, dove il mantenimento della qualità del segnale e la minimizzazione delle perdite di trasmissione sono di primaria importanza.

 Capacità parassita e induttanza di Vias

Capacità parassita delle vie

I via stessi hanno una capacità parassita verso terra. Se si sa che il diametro del foro di isolamento del via sullo strato di terra è D2, e il diametro del pad del via è D1, con uno spessore del PCB di T e una costante dielettrica del substrato di ε, la capacità parassita del via è di circa :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

La capacità parassita del via influenzerà principalmente il tempo di salita del segnale, riducendo la velocità del circuito. Ad esempio, per un PCB con uno spessore di 50 mil, se viene utilizzata una via con un diametro interno di 10 mil e un diametro del pad di 20 mil, e la distanza tra il pad e l'area di rame messa a terra è di 32 mil, la zona parassita la capacità del via può essere calcolata approssimativamente come:

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

La variazione del tempo di salita causata da questa capacità è:

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

Sebbene l'effetto della capacità di un singolo via sul tempo di salita non sia molto evidente, se i via vengono utilizzati più volte nell'instradamento per la commutazione tra strati, i progettisti dovrebbero comunque considerarlo attentamente.

Induttanza parassita delle vie

Induttanza parassita dei via Allo stesso modo, mentre i via hanno una capacità parassita, hanno anche un'induttanza parassita. Nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, il danno causato dall'induttanza parassita dei via è spesso maggiore di quello della capacità parassita. La sua induttanza parassita in serie indebolisce il contributo della capacità di bypass e indebolisce l'effetto di filtraggio dell'intero sistema di alimentazione.

Possiamo usare la seguente formula per calcolare l'induttanza parassita approssimativa di un via:

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

Dove L è l'induttanza del via, h è la lunghezza del via e d è il diametro del foro centrale. Dalla formula si può vedere che il diametro del cavo ha un impatto relativamente piccolo sull'induttanza, mentre la lunghezza del cavo influisce sull'induttanza. Utilizzando l'esempio sopra, possiamo calcolare l'induttanza del via come segue:

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

Se il tempo di salita del segnale è 1 ns, la sua impedenza equivalente è:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Tale impedenza non può essere ignorata quando è attraversata da corrente ad alta frequenza. In particolare, quando si collega il condensatore di bypass agli strati di alimentazione e di terra, è necessario che passi attraverso due via, raddoppiando l'induttanza parassita della via.

Tramite la progettazione nei PCB ad alta velocità

Attraverso l'analisi delle caratteristiche parassite dei via di cui sopra, si può vedere che nella progettazione di PCB ad alta velocità, i via apparentemente semplici possono spesso portare effetti negativi significativi alla progettazione del circuito.

Per ridurre gli effetti negativi degli effetti parassiti dei via, è possibile organizzare il seguente contenuto nella progettazione:

Scegli via di dimensioni ragionevoli considerando sia il costo che la qualità del segnale. Ad esempio, per la progettazione PCB di moduli di memoria a 6-10 layer, è preferibile utilizzare via con diametro di 10/20 mil (foro/pad). Per alcune schede piccole ad alta densità, puoi anche provare a utilizzare via da 8/18 mil. Nelle attuali condizioni tecnologiche, è difficile utilizzare via più piccole. Per i collegamenti di alimentazione o di terra, prendere in considerazione l'utilizzo di dimensioni maggiori per ridurre l'impedenza.

Come discusso in precedenza, l'utilizzo di un PCB più sottile è vantaggioso per ridurre i due parametri parassiti dei via.
I pin di alimentazione e di terra dovrebbero essere posizionati il ​​più vicino possibile ai via e i cavi tra i via e i pin dovrebbero essere i più corti possibile, poiché aumenteranno l'induttanza. Allo stesso tempo, i conduttori di alimentazione e di terra dovrebbero essere quanto più spessi possibile per ridurre l'impedenza.

Cercare di ridurre al minimo l'uso dei via per l'instradamento del segnale sul PCB, ovvero provare a ridurre i via non necessari.
Posizionare alcuni via di messa a terra vicino ai via in cui il segnale cambia livello per fornire un percorso di ritorno vicino per il segnale. È anche possibile posizionare un gran numero di vie di messa a terra ridondanti sul PCB. Naturalmente nella progettazione sono necessarie anche flessibilità e mutevolezza.

La discussione precedente sul modello via presuppone che ogni strato abbia dei pad. A volte possiamo ridurre o addirittura eliminare i cuscinetti su alcuni strati. Soprattutto quando la densità dei vias è molto elevata, è possibile che una fessura formi un anello barriera nello strato di rame. Oltre a spostare la posizione del via, possiamo anche considerare di ridurre la dimensione del pad del via sullo strato di rame.

Conclusione

I via PCB sono componenti cruciali nei PCB multistrato e rappresentano una parte significativa dei costi di produzione. I passaggi sono classificati in base alla loro funzione: fornire collegamenti elettrici tra gli strati o servire come dispositivi di fissaggio per i componenti. Dal punto di vista del processo, i via sono classificati in ciechi, interrati e passanti. Mentre i via ciechi e interrati si trovano all'interno degli strati interni del PCB, i via passanti attraversano l'intera scheda.

Nei PCB ad alta velocità e ad alta densità , i progettisti puntano a ridurre le dimensioni dei fori passanti (vias ) per massimizzare lo spazio di instradamento e minimizzare la capacità parassita. Tuttavia, la riduzione delle dimensioni è limitata da vincoli di produzione quali la foratura e la placcatura. Lo sviluppo della tecnologia di foratura laser ha reso possibile l'utilizzo di microvias, migliorando le prestazioni dei circuiti e riducendo lo spazio occupato.

Nonostante i loro vantaggi, i via possono introdurre discontinuità di impedenza sulle linee di trasmissione, causando una riflessione minima del segnale. I problemi principali con i via sono legati alla capacità parassita e all'induttanza, che possono influenzare la velocità del segnale e il filtraggio nei circuiti digitali ad alta velocità. Per mitigare questi effetti, i progettisti dovrebbero considerare attentamente le strategie di dimensioni, posizionamento e instradamento nei progetti PCB ad alta velocità.