Laat PCB-via's uw hele bord niet verpesten

Laat PCB-vias uw hele printplaat niet verpesten! Vias zijn een essentieel onderdeel van meerlaagse printplaten , waarbij de boorkosten doorgaans 30% tot 40% van de productiekosten van de printplaat uitmaken. Simpel gezegd: elk gat op een printplaat kan een via worden genoemd.

Classificatie voor PCB-boren

Vanuit functioneel perspectief kunnen via's in twee categorieën worden verdeeld:

Elektrische verbinding tussen lagen: wordt gebruikt om verschillende lagen van de PCB met elkaar te verbinden voor elektrische doeleinden.
Bevestiging of positionering voor componenten: gebruikt voor het bevestigen of positioneren van componenten.

Vanuit procesperspectief worden deze via's over het algemeen onderverdeeld in drie typen:

Blinde via's, begraven via's en door via's.

Blinde via's: Deze via's bevinden zich op de boven- en onderoppervlakken van de PCB en hebben een bepaalde diepte en worden gebruikt om oppervlaktesporen te verbinden met sporen in de binnenlaag. De diepte van het gat overschrijdt meestal een bepaalde verhouding (diameter) niet.
Begraven via's: Dit zijn via's die zich in de binnenste lagen van de printplaat bevinden en zich niet uitstrekken tot het oppervlak van het bord. Beide typen via's bevinden zich in de binnenste lagen van de PCB en worden vóór het lamineren gevormd met behulp van doorgaande gatenvormingsprocessen, die tijdens de vorming van via's verschillende binnenlagen kunnen overlappen.
Via's: Deze via's lopen door de gehele printplaat en kunnen worden gebruikt voor interne verbindingen of als montagegaten voor componenten.

Vanwege hun eenvoudiger implementatie in het productieproces en lagere kosten, gebruikt de overgrote meerderheid van printplaten via's in plaats van de andere twee soorten via's. Tenzij anders aangegeven, worden de hieronder genoemde via's beschouwd als via's.

Vanuit ontwerpperspectief bestaat een via hoofdzakelijk uit twee delen:

• Via-componenten en ontwerpoverwegingen : Een via in een printplaatontwerp bestaat uit een centraal boorgat omgeven door een pad, waarbij de afmetingen van deze onderdelen de totale via-grootte bepalen. Bij snelle en compacte printplaatontwerpen is het minimaliseren van de via-grootte cruciaal om de routingruimte te optimaliseren en parasitaire capaciteit te verminderen, waardoor de geschiktheid voor snelle circuits wordt verbeterd.

• Kosten- en afmetingsbeperkingen : Het verkleinen van de afmetingen verhoogt echter de productiekosten vanwege langere boortijden en mogelijke positioneringsafwijkingen tijdens processen zoals boren en galvaniseren. Wanneer de diepte van het gat meer dan zes keer de diameter bedraagt, wordt het lastig om een ​​uniforme koperlaag langs de gatwand te garanderen, wat zowel de kosten als de produceerbaarheid beïnvloedt.

• Technologische vooruitgang en microvias : Recente ontwikkelingen in laserboortechnologie hebben het gebruik van kleinere vias mogelijk gemaakt. Vias met een diameter van 6 mil of minder worden microvias genoemd en worden veelvuldig gebruikt in HDI- ontwerpen. Deze microvias ondersteunen via-in-pad-configuraties, wat de circuitprestaties aanzienlijk verbetert en routingruimte op de printplaat bespaart.

• Problemen met signaalintegriteit : Via's introduceren impedantie-discontinuïteiten in transmissielijnen, wat kan leiden tot signaalreflecties. De impedantie van een via is ongeveer 12% lager dan die van de transmissielijn, wat een lichte impedantieverlaging veroorzaakt. Desondanks is de werkelijke reflectiecoëfficiënt minimaal, doorgaans rond de 0.06, dankzij goed doordachte ontwerp- en fabricageprocessen.

• Parasitaire capaciteit en inductantie : De grootste uitdagingen bij het ontwerpen van printplaten met behulp van via's hebben betrekking op het beheersen van parasitaire effecten zoals capaciteit en inductantie. Deze factoren zijn cruciaal in hoogfrequente ontwerpen, waar het behoud van signaalkwaliteit en het minimaliseren van transmissieverliezen van het grootste belang zijn.

 Parasitaire capaciteit en inductantie van Vias

Parasitaire capaciteit van via's

Via's zelf hebben een parasitaire capaciteit naar aarde. Als bekend is dat de diameter van het isolatiegat van de via op de grondlaag D2 is, en de paddiameter van de via D1 is, met een PCB-dikte van T en een diëlektrische substraatconstante van ε, is de parasitaire capaciteit van de via ongeveer :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

De parasitaire capaciteit van de via zal voornamelijk de stijgtijd van het signaal beïnvloeden, waardoor de snelheid van het circuit afneemt. Als bijvoorbeeld voor een PCB met een dikte van 50 mil een via met een binnendiameter van 10 mil en een paddiameter van 20 mil wordt gebruikt, en de afstand tussen het pad en het gemalen kopergebied 32 mil is, zal de parasitaire capaciteit van de via kan ongeveer worden berekend als:

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

De verandering in de stijgtijd veroorzaakt door deze capaciteit is:

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

Hoewel het effect van de capaciteit van een enkele via op de stijgtijd niet erg duidelijk is, moeten ontwerpers er toch zorgvuldig over nadenken als via's meerdere keren worden gebruikt in de routering voor schakelen tussen lagen.

Parasitaire inductie van via's

Parasitaire inductie van via's Op dezelfde manier hebben via's, hoewel ze een parasitaire capaciteit hebben, ook een parasitaire inductie. Bij het ontwerpen van snelle digitale circuits is de schade veroorzaakt door de parasitaire inductie van via's vaak groter dan die van de parasitaire capaciteit. De parasitaire serie-inductie verzwakt de bijdrage van de bypass-capaciteit en verzwakt het filtereffect van het gehele voedingssysteem.

We kunnen de volgende formule gebruiken om de geschatte parasitaire inductantie van een via te berekenen:

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

Waar L de inductantie van de via is, is h de lengte van de via en is d de diameter van het middelste boorgat. Uit de formule blijkt dat de diameter van de via een relatief kleine invloed heeft op de inductantie, terwijl de lengte van de via de inductantie beïnvloedt. Met behulp van het bovenstaande voorbeeld kunnen we de inductie van de via als volgt berekenen:

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

Als de stijgtijd van het signaal 1 ns is, dan is de equivalente impedantie:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Een dergelijke impedantie kan niet worden genegeerd als er hoogfrequente stroom doorheen gaat. Met name bij het aansluiten van de bypass-condensator op de stroom- en aardlagen moet deze door twee via's gaan, waardoor de parasitaire inductie van de via wordt verdubbeld.

Via ontwerp in snelle PCB's

Uit de bovenstaande analyse van de parasitaire eigenschappen van via's blijkt dat bij snelle PCB-ontwerpen ogenschijnlijk eenvoudige via's vaak aanzienlijke negatieve effecten op het circuitontwerp kunnen hebben.

Om de nadelige effecten van de parasitaire werking van via’s te verminderen, kan de volgende inhoud zoveel mogelijk in het ontwerp worden geregeld:

Kies via's van redelijke omvang, rekening houdend met zowel de kosten als de signaalkwaliteit. Voor het PCB-ontwerp van 6-10-laags geheugenmodules is het bijvoorbeeld beter om via's met een diameter van 10/20 mils (boorgat/pad) te gebruiken. Voor sommige kleine boards met een hoge dichtheid kun je ook via's van 8/18 mil proberen. Onder de huidige technologische omstandigheden is het moeilijk om kleinere via's te gebruiken. Voor stroom- of aardingsvia's kunt u overwegen grotere formaten te gebruiken om de impedantie te verminderen.

Zoals hierboven besproken is het gebruik van een dunnere PCB gunstig om de twee parasitaire parameters van via's te verminderen.
Stroom- en aardepinnen moeten zo dicht mogelijk bij de via's worden geplaatst, en de kabels tussen de via's en de pinnen moeten zo kort mogelijk zijn, omdat ze de inductie zullen vergroten. Tegelijkertijd moeten de draden van de stroom en aarde zo dik mogelijk zijn om de impedantie te verminderen.

Probeer het gebruik van via's voor signaalroutering op de printplaat tot een minimum te beperken, dat wil zeggen, probeer onnodige via's te verminderen.
Plaats enkele aardingsvia's in de buurt van de via's waar het signaal van laag verandert om een ​​nabijgelegen retourpad voor het signaal te creëren. Op de printplaat kunt u zelfs een groot aantal redundante aardingsvia's plaatsen. Uiteraard zijn ook flexibiliteit en veranderlijkheid nodig in het ontwerp.

Bij de bovenstaande bespreking van het via-model wordt ervan uitgegaan dat elke laag pads heeft. Soms kunnen we de pads op sommige lagen verminderen of zelfs verwijderen. Vooral als de dichtheid van via's erg hoog is, kan dit ervoor zorgen dat een sleuf een barrièrelus in de koperlaag vormt. Naast het verplaatsen van de positie van de via, kunnen we ook overwegen om de grootte van het kussentje van de via op de koperlaag te verkleinen.

Conclusie

PCB-via's zijn cruciale componenten in meerlaagse PCB's en vertegenwoordigen een aanzienlijk deel van de productiekosten. Via's worden gecategoriseerd op basis van hun functie: ze zorgen voor elektrische verbindingen tussen lagen of dienen als bevestiging voor componenten. Vanuit procesperspectief worden via's geclassificeerd in blinde, begraven en doorgaande via's. Terwijl blinde en ondergrondse via's zich in de binnenste lagen van de PCB bevinden, gaan via's door het hele bord.

Ontwerpers streven naar kleinere via's in snelle en compacte printplaten om de routingruimte te maximaliseren en parasitaire capaciteit te verminderen. Er zijn echter grenzen aan de verkleining van de via's vanwege productiebeperkingen zoals boren en galvaniseren. De ontwikkeling van laserboortechnologie heeft het gebruik van microvia's mogelijk gemaakt, wat de circuitprestaties verbetert en ruimte bespaart.

Ondanks hun voordelen kunnen via's impedantie-discontinuïteiten op transmissielijnen introduceren, waardoor minimale signaalreflectie ontstaat. De belangrijkste problemen met via's houden verband met parasitaire capaciteit en inductie, die de signaalsnelheid en filtering in snelle digitale circuits kunnen beïnvloeden. Om deze effecten te verzachten, moeten ontwerpers zorgvuldig nadenken over de grootte, plaatsing en routeringsstrategieën in snelle PCB-ontwerpen.