Não deixe as vias PCB arruinarem toda a sua placa

Não deixe que as vias da placa de circuito impresso (PCB) comprometam toda a sua produção! As vias são uma parte essencial das PCBs multicamadas , e os custos de perfuração geralmente representam de 30% a 40% do custo total de fabricação. Em termos simples, cada furo em uma PCB pode ser considerado uma via.

Classificação de perfuração de PCB

Do ponto de vista funcional, as vias podem ser divididas em duas categorias:

Conexão elétrica entre camadas: Usada para conectar diferentes camadas da PCB para fins elétricos.
Fixação ou posicionamento de componentes: Utilizado para fixação ou posicionamento de componentes.

Do ponto de vista do processo, essas vias são geralmente divididas em três tipos:

Vias cegas, vias enterradas e vias de passagem.

Vias Cegas: Localizadas nas superfícies superior e inferior da PCB, essas vias têm uma certa profundidade e são usadas para conectar traços de superfície aos traços da camada interna. A profundidade do furo geralmente não excede uma determinada proporção (diâmetro).
Vias enterradas: São vias localizadas nas camadas internas da placa de circuito impresso, não se estendendo até a superfície da placa. Ambos os tipos de vias estão localizados dentro das camadas internas do PCB e são formados antes da laminação usando processos de formação de furos passantes, que podem se sobrepor a várias camadas internas durante a formação da via.
Através de Vias: Essas vias passam por toda a PCB e podem ser utilizadas para interconexão interna ou como furos de montagem de componentes.

Devido à sua implementação mais fácil no processo de fabricação e menor custo, a grande maioria das placas de circuito impresso utiliza vias passantes em vez dos outros dois tipos de vias. Salvo especificação em contrário, as vias mencionadas abaixo são consideradas vias passantes.

Do ponto de vista do design, uma via consiste principalmente em duas partes:

• Componentes e Considerações de Projeto de Vias : Uma via em um projeto de PCB consiste em um furo central circundado por uma área de contato (pad), onde as dimensões dessas partes determinam o tamanho total da via. Em projetos de PCB de alta velocidade e alta densidade, minimizar o tamanho da via é crucial para otimizar o espaço de roteamento e reduzir a capacitância parasita, aumentando a adequação para circuitos de alta velocidade.

• Limitações de custo e tamanho : No entanto, a redução do tamanho aumenta os custos de fabricação devido ao maior tempo de perfuração e aos possíveis desvios de posicionamento durante processos como perfuração e revestimento. Quando a profundidade do furo excede seis vezes o seu diâmetro, garantir um revestimento de cobre uniforme ao longo da parede do furo torna-se um desafio, impactando tanto o custo quanto a viabilidade de fabricação.

• Avanços Tecnológicos e Microvias : Os recentes avanços na tecnologia de perfuração a laser possibilitaram o uso de vias menores. Vias com diâmetros de 6 mils ou menos são denominadas microvias e são comumente empregadas em projetos HDI . Essas microvias suportam configurações via-in-pad, melhorando significativamente o desempenho do circuito e conservando espaço de roteamento na placa de circuito impresso (PCB).

• Preocupações com a integridade do sinal : Os vias introduzem descontinuidades de impedância nas linhas de transmissão, o que pode levar a reflexões do sinal. A impedância de um via é aproximadamente 12% menor que a da linha de transmissão, causando uma ligeira redução na impedância. Apesar disso, o coeficiente de reflexão real é mínimo, tipicamente em torno de 0.06, devido a boas práticas de projeto e técnicas de fabricação.

• Capacitância e indutância parasitas : Os principais desafios associados aos vias no projeto de PCBs estão relacionados ao gerenciamento de efeitos parasitas, como capacitância e indutância. Esses fatores são críticos em projetos de alta frequência, onde a manutenção da qualidade do sinal e a minimização das perdas de transmissão são fundamentais.

 Capacitância parasitária e indutância de Vias

Capacitância Parasita de Vias

As próprias vias possuem capacitância parasita para aterrar. Se o diâmetro do furo de isolamento da via na camada de solo for conhecido como D2, e o diâmetro da almofada da via for D1, com uma espessura de PCB de T e uma constante dielétrica do substrato de ε, a capacitância parasita da via é aproximadamente :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

A capacitância parasita da via afetará principalmente o tempo de subida do sinal, reduzindo a velocidade do circuito. Por exemplo, para uma PCB com espessura de 50 mils, se for usada uma via com diâmetro interno de 10 mils e diâmetro de almofada de 20 mils, e a distância entre a almofada e a área de cobre moída for de 32 mils, o parasita a capacitância da via pode ser calculada aproximadamente como:

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

A mudança no tempo de subida causada por esta capacitância é:

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

Embora o efeito da capacitância de uma única via no tempo de subida não seja muito óbvio, se as vias forem usadas múltiplas vezes no roteamento para comutação entre camadas, os projetistas ainda devem considerar isso com cuidado.

Indutância Parasita de Vias

Indutância parasita de vias Da mesma forma, embora as vias tenham capacitância parasita, elas também possuem indutância parasita. No projeto de circuitos digitais de alta velocidade, o dano causado pela indutância parasita das vias é frequentemente maior do que o da capacitância parasita. Sua indutância em série parasita enfraquece a contribuição da capacitância de bypass e enfraquece o efeito de filtragem de todo o sistema de alimentação.

Podemos usar a seguinte fórmula para calcular a indutância parasita aproximada de uma via:

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

Onde L é a indutância da via, h é o comprimento da via e d é o diâmetro do furo central. A partir da fórmula, pode-se observar que o diâmetro da via tem um impacto relativamente pequeno na indutância, enquanto o comprimento da via afeta a indutância. Usando o exemplo acima, podemos calcular a indutância da via da seguinte forma:

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

Se o tempo de subida do sinal for 1 ns, então sua impedância equivalente é:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Tal impedância não pode ser ignorada quando há passagem de corrente de alta frequência. Em particular, ao conectar o capacitor de bypass às ​​camadas de alimentação e terra, ele precisa passar por duas vias, o que duplica a indutância parasita da via.

Via Design em PCBs de alta velocidade

Através da análise das características parasitas das vias acima, pode-se ver que no projeto de PCB de alta velocidade, vias aparentemente simples podem muitas vezes trazer efeitos negativos significativos ao projeto do circuito.

Para reduzir os efeitos adversos dos efeitos parasitas das vias, o seguinte conteúdo pode ser organizado no projeto tanto quanto possível:

Escolha vias de tamanho razoável considerando o custo e a qualidade do sinal. Por exemplo, para o projeto de PCB de módulos de memória de 6 a 10 camadas, é melhor usar vias com diâmetro de 10/20 mils (orifício/almofada). Para algumas placas pequenas de alta densidade, você também pode tentar usar vias de 8/18 mils. Nas atuais condições tecnológicas, é difícil utilizar vias menores. Para vias de alimentação ou terra, considere usar tamanhos maiores para reduzir a impedância.

Conforme discutido acima, usar um PCB mais fino é benéfico para reduzir os dois parâmetros parasitas das vias.
Os pinos de alimentação e aterramento devem ser colocados o mais próximo possível das vias, e os condutores entre as vias e os pinos devem ser os mais curtos possíveis, pois aumentarão a indutância. Ao mesmo tempo, os cabos de alimentação e terra devem ser tão grossos quanto possível para reduzir a impedância.

Tente minimizar o uso de vias para roteamento de sinal na PCB, ou seja, tente reduzir vias desnecessárias.
Coloque algumas vias de aterramento perto das vias onde o sinal muda de camada para fornecer um caminho de retorno próximo para o sinal. Você pode até colocar um grande número de vias de aterramento redundantes na PCB. É claro que flexibilidade e mutabilidade também são necessárias no design.

A discussão acima do modelo via assume que cada camada possui almofadas. Às vezes, podemos reduzir ou até eliminar as almofadas em algumas camadas. Especialmente quando a densidade das vias é muito alta, pode fazer com que uma fenda forme um loop de barreira na camada de cobre. Além de mudar a posição da via, também podemos considerar a redução do tamanho da almofada da via na camada de cobre.

Conclusão

As vias de PCB são componentes cruciais em PCBs multicamadas, representando uma parcela significativa dos custos de fabricação. As vias são categorizadas com base em sua função, fornecendo conexões elétricas entre camadas ou servindo como acessórios para componentes. Do ponto de vista do processo, as vias são classificadas em vias cegas, enterradas e de passagem. Enquanto as vias cegas e enterradas estão localizadas nas camadas internas da PCB, as vias passam por toda a placa.

Em placas de circuito impresso (PCBs) de alta velocidade e alta densidade, os projetistas buscam vias menores para maximizar o espaço de roteamento e reduzir a capacitância parasita. No entanto, a redução de tamanho tem seus limites devido a restrições de fabricação, como furação e metalização. O desenvolvimento da tecnologia de perfuração a laser possibilitou o uso de microvias, melhorando o desempenho do circuito e economizando espaço.

Apesar de seus benefícios, as vias podem introduzir descontinuidades de impedância nas linhas de transmissão, causando reflexão mínima do sinal. Os principais problemas com as vias estão relacionados à capacitância e indutância parasitas, que podem afetar a velocidade do sinal e a filtragem em circuitos digitais de alta velocidade. Para mitigar esses efeitos, os projetistas devem considerar cuidadosamente as estratégias de tamanho, posicionamento e roteamento em projetos de PCB de alta velocidade.