Nu lăsați ca fire-urile PCB să vă strice întreaga placă de bază

Nu lăsați ca viile de conectare (via) să vă strice întreaga placă de circuite imprimate (PCB)! Viile de conectare sunt o parte esențială a PCB-urilor multistrat , costurile de găurire reprezentând de obicei 30% până la 40% din costul de fabricație al PCB-ului. În termeni simpli, fiecare gaură de pe un PCB poate fi numită o via de conectare (via).

Clasificarea găuririi PCB

Din punct de vedere funcțional, canalele de acces pot fi împărțite în două categorii:

Conexiune electrică între straturi: Folosită pentru a conecta diferite straturi ale PCB-ului în scopuri electrice.
Fixare sau poziționare pentru componente: Folosit pentru fixarea sau poziționarea componentelor.

Din perspectiva procesului, aceste căi de acces sunt în general împărțite în trei tipuri:

Viae oarbe, viae îngropate și viae traversante.

Căi de acces oarbe: Situate pe suprafețele superioare și inferioare ale PCB-ului, aceste căi de acces au o anumită adâncime și sunt utilizate pentru a conecta urmele de suprafață la urmele stratului interior. Adâncimea găurii nu depășește de obicei un anumit raport (diametru).
Gardă îngropată: Acestea sunt gardă situate în straturile interioare ale PCB-ului, care nu se extind la suprafața plăcii. Ambele tipuri de gardă sunt situate în straturile interioare ale PCB-ului și sunt formate înainte de laminare folosind procese de formare prin găuri străpunse, care se pot suprapune peste mai multe straturi interioare în timpul formării gardei.
Gardă de trecere: Aceste garde trec prin întregul PCB și pot fi utilizate pentru interconectare internă sau ca găuri de montare pentru componente.

Datorită implementării lor mai ușoare în procesul de fabricație și a costului mai mic, marea majoritate a plăcilor cu circuite imprimate utilizează fire de contact (viae) de trecere (through vias) în loc de celelalte două tipuri de fire de contact. Cu excepția cazului în care se specifică altfel, fire de contact menționate mai jos sunt considerate fire de contact (viae) de trecere (through vias).

Din perspectiva designului, o via este formată în principal din două părți:

• Componente ale via și considerații de proiectare : O via în proiectarea PCB-urilor cuprinde o gaură centrală înconjurată de o zonă de pad, unde dimensiunile acestor piese determină dimensiunea totală a via. În proiectele PCB de mare viteză și densitate mare, minimizarea dimensiunii via este crucială pentru a optimiza spațiul de rutare și a reduce capacitatea parazită, sporind adecvarea pentru circuite de mare viteză.

• Limitări de cost și dimensiune : Cu toate acestea, micșorarea prin dimensiune crește costurile de fabricație din cauza timpilor de găurire mai lungi și a potențialelor abateri de poziționare în timpul proceselor precum găurirea și placarea. Când adâncimea găurii depășește de șase ori diametrul său, asigurarea unei cupări uniforme de-a lungul peretelui găurii devine o provocare, afectând atât costul, cât și fabricabilitatea.

• Progrese tehnologice și microviauri : Progresele recente în tehnologia de găurire cu laser au permis utilizarea unor viauri mai mici. Viaurile cu diametre de 6 mils sau mai puțin sunt denumite microviauri și sunt utilizate în mod obișnuit în proiectele HDI . Aceste microviauri acceptă configurații via-in-pad, îmbunătățind semnificativ performanța circuitului și conservând spațiul de rutare pe PCB.

• Probleme legate de integritatea semnalului : Căile de acces introduc discontinuități de impedanță în liniile de transmisie, ceea ce poate duce la reflexii ale semnalului. Impedanța unei căi de acces este cu aproximativ 12% mai mică decât cea a liniei de transmisie, ceea ce provoacă o ușoară reducere a impedanței. În ciuda acestui fapt, coeficientul de reflexie real este minim, de obicei în jur de 0.06, datorită practicilor de proiectare și tehnicilor de fabricație bine gestionate.

• Capacitate și inductanță parazitară : Principalele provocări asociate cu via-urile în proiectarea PCB-urilor se referă la gestionarea efectelor parazitare, cum ar fi capacitatea și inductanța. Acești factori sunt critici în proiectele de înaltă frecvență, unde menținerea calității semnalului și minimizarea pierderilor de transmisie sunt primordiale.

 Capacitate parazită și inductanță a Vias

Capacitatea parazită a viaselor

Căile de conectare în sine au o capacitate parazitară la masă. Dacă diametrul orificiului de izolație al căii de conectare de pe stratul de masă este cunoscut ca fiind D2, iar diametrul pad-ului căii de conectare este D1, cu o grosime a PCB de T și o constantă dielectrică a substratului de ε, capacitatea parazitară a căii de conectare este de aproximativ:

C=1.41εTD1/(D2−D1)

Capacitatea parazită a via va afecta în principal timpul de creștere al semnalului, reducând viteza circuitului. De exemplu, pentru un PCB cu o grosime de 50 mils, dacă se utilizează o via cu un diametru interior de 10 mils și un diametru al pad-ului de 20 mils, iar distanța dintre pad și zona de cupru de masă este de 32 mils, capacitatea parazită a via poate fi calculată aproximativ ca:

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

Variația timpului de creștere cauzată de această capacitate este:

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

Deși efectul capacității unei singure via asupra timpului de creștere nu este foarte evident, dacă vias-urile sunt utilizate de mai multe ori în rutare pentru comutarea între straturi, proiectanții ar trebui să ia în considerare acest lucru cu atenție.

Inductanța parazită a viaselor

Inductanța parazită a vialelor În mod similar, deși vialele au capacitate parazită, ele au și inductanță parazită. În proiectarea circuitelor digitale de mare viteză, daunele cauzate de inductanța parazită a vialelor sunt adesea mai mari decât cele ale capacității parazite. Inductanța serie parazită a acesteia slăbește contribuția capacității de bypass și slăbește efectul de filtrare al întregului sistem de alimentare.

Putem folosi următoarea formulă pentru a calcula inductanța parazită aproximativă a unei via-uri:

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

Unde L este inductanța via, h este lungimea via, iar d este diametrul găurii centrale. Din formulă, se poate observa că diametrul via are un impact relativ mic asupra inductanței, în timp ce lungimea via afectează inductanța. Folosind exemplul de mai sus, putem calcula inductanța via după cum urmează:

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

Dacă timpul de creștere al semnalului este de 1 ns, atunci impedanța sa echivalentă este:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

O astfel de impedanță nu poate fi ignorată atunci când trece un curent de înaltă frecvență. În special, atunci când se conectează condensatorul de bypass la straturile de putere și de masă, acesta trebuie să treacă prin două fire de acces, ceea ce dublează inductanța parazitară a firei de acces.

Proiectare prin intermediul unor interfețe în PCB-uri de mare viteză

Prin analiza caracteristicilor parazitare ale via-urilor de mai sus, se poate observa că în proiectarea PCB-urilor de mare viteză, via-urile aparent simple pot aduce adesea efecte negative semnificative asupra proiectării circuitelor.

Pentru a reduce efectele adverse ale efectelor parazitare ale via-urilor, următorul conținut poate fi aranjat în proiectare pe cât posibil:

Alegeți fire de conexiune de dimensiuni rezonabile, luând în considerare atât costul, cât și calitatea semnalului. De exemplu, pentru proiectarea PCB a modulelor de memorie cu 6-10 straturi, este mai bine să utilizați fire de conexiune cu un diametru de 10/20 mils (găurire/pad). Pentru unele plăci mici de densitate mare, puteți încerca, de asemenea, să utilizați fire de conexiune de 8/18 mils. În condițiile tehnologice actuale, este dificil să se utilizeze fire de conexiune mai mici. Pentru fire de alimentare sau de împământare, luați în considerare utilizarea unor dimensiuni mai mari pentru a reduce impedanța.

Așa cum s-a discutat mai sus, utilizarea unui PCB mai subțire este benefică pentru reducerea celor doi parametri paraziți ai via-urilor.
Pinii de alimentare și de împământare trebuie plasați cât mai aproape de fire, iar firele dintre fire și pini trebuie să fie cât mai scurte posibil, deoarece acestea vor crește inductanța. În același timp, firele de alimentare și de împământare trebuie să fie cât mai groase posibil pentru a reduce impedanța.

Încercați să reduceți la minimum utilizarea via-urilor pentru rutarea semnalului pe PCB, adică încercați să reduceți via-urile inutile.
Plasați niște fire de împământare lângă fire unde semnalul își schimbă straturile pentru a oferi o cale de retur în apropiere pentru semnal. Puteți chiar plasa un număr mare de fire de împământare redundante pe PCB. Desigur, flexibilitatea și adaptabilitatea sunt, de asemenea, necesare în proiectare.

Discuția de mai sus despre modelul via presupune că fiecare strat are pad-uri. Uneori, putem reduce sau chiar elimina pad-urile de pe unele straturi. Mai ales atunci când densitatea via-urilor este foarte mare, acest lucru poate cauza formarea unei bucle de barieră într-un slot în stratul de cupru. Pe lângă modificarea poziției via-ului, putem lua în considerare și reducerea dimensiunii pad-ului via-ului pe stratul de cupru.

Concluzie

Vialele PCB sunt componente cruciale în PCB-urile multistrat, reprezentând o parte semnificativă din costurile de fabricație. Vialele sunt clasificate în funcție de funcția lor, fie de a asigura conexiuni electrice între straturi, fie de a servi ca elemente de fixare pentru componente. Din perspectiva procesului, vialele sunt clasificate în viale oarbe, îngropate și traversante. În timp ce viale oarbe și îngropate sunt situate în straturile interioare ale PCB-ului, viale traversante trec prin întreaga placă.

Proiectanții urmăresc cai de acces mai mici în PCB-urile de mare viteză și densitate mare pentru a maximiza spațiul de rutare și a reduce capacitatea parazită. Cu toate acestea, există limite pentru reducerea dimensiunilor din cauza constrângerilor de fabricație, cum ar fi găurirea și placarea. Dezvoltarea tehnologiei de găurire cu laser a permis utilizarea microvia-urilor, îmbunătățind performanța circuitelor și economisind spațiu.

În ciuda avantajelor lor, vialele pot introduce discontinuități de impedanță pe liniile de transmisie, provocând o reflexie minimă a semnalului. Principalele probleme ale vialelor sunt legate de capacitatea și inductanța parazitară, care pot afecta viteza semnalului și filtrarea în circuitele digitale de mare viteză. Pentru a atenua aceste efecte, proiectanții ar trebui să ia în considerare cu atenție dimensiunea, amplasarea și strategiile de rutare ale vialelor în proiectele de PCB de mare viteză.