Не позволяйте переходным отверстиям на печатной плате испортить всю вашу плату

Не позволяйте переходным отверстиям на печатной плате испортить всю вашу плату! Переходные отверстия являются неотъемлемой частью многослойных печатных плат , и затраты на сверление обычно составляют от 30% до 40% от стоимости производства печатной платы. Проще говоря, любое отверстие на печатной плате можно назвать переходным отверстием.

Классификация сверления печатных плат

С функциональной точки зрения переходные отверстия можно разделить на две категории:

Электрическое соединение между слоями: используется для соединения различных слоев печатной платы в электрических целях.
Крепление или позиционирование компонентов: используется для фиксации или позиционирования компонентов.

С точки зрения процесса эти переходные отверстия обычно делятся на три типа:

Слепые, скрытые и сквозные отверстия.

Слепые переходные отверстия: эти переходные отверстия, расположенные на верхней и нижней поверхностях печатной платы, имеют определенную глубину и используются для соединения дорожек поверхности со дорожками внутреннего слоя. Глубина отверстия обычно не превышает определенного соотношения (диаметра).
Скрытые переходные отверстия: переходные отверстия, расположенные во внутренних слоях печатной платы и не доходящие до поверхности платы. Оба этих типа переходных отверстий расположены внутри внутренних слоев печатной платы и формируются перед ламинированием с использованием процессов формирования сквозных отверстий, которые могут перекрывать несколько внутренних слоев во время формирования переходных отверстий.
Сквозные переходные отверстия: Эти переходные отверстия проходят через всю печатную плату и могут использоваться для внутренних соединений или в качестве монтажных отверстий для компонентов.

Из-за более простого внедрения в производственный процесс и более низкой стоимости в подавляющем большинстве печатных плат используются сквозные переходы, а не два других типа переходных отверстий. Если не указано иное, упомянутые ниже переходы считаются сквозными.

С точки зрения дизайна переходное отверстие в основном состоит из двух частей:

• Компоненты переходных отверстий и особенности проектирования : Переходное отверстие в конструкции печатной платы представляет собой центральное отверстие, окруженное контактной площадкой, причем размеры этих элементов определяют общий размер переходного отверстия. В высокоскоростных и высокоплотных конструкциях печатных плат минимизация размера переходных отверстий имеет решающее значение для оптимизации пространства трассировки и уменьшения паразитной емкости, что повышает пригодность для высокоскоростных схем.

• Ограничения по стоимости и размерам : Однако уменьшение размеров приводит к увеличению производственных затрат из-за более длительного времени сверления и потенциальных отклонений в позиционировании во время таких процессов, как сверление и гальваническое покрытие. Когда глубина отверстия превышает его шестикратный диаметр, обеспечение равномерного медного покрытия вдоль стенки отверстия становится сложной задачей, что влияет как на стоимость, так и на технологичность производства.

• Технологические достижения и микропереходы : Недавние достижения в технологии лазерного сверления позволили использовать переходы меньшего диаметра. Переходы диаметром 6 мил или менее называются микропереходами и широко используются в конструкциях с высокой плотностью выводов (HDI) . Эти микропереходы поддерживают конфигурации «переход-в-контакте», значительно улучшая производительность схемы и экономя место для трассировки на печатной плате.

• Проблемы целостности сигнала : Переходные отверстия создают разрывы импеданса в линиях передачи, что может привести к отражению сигнала. Импеданс переходного отверстия примерно на 12% ниже, чем импеданс линии передачи, что вызывает небольшое снижение импеданса. Несмотря на это, фактический коэффициент отражения минимален, обычно около 0.06, благодаря грамотному проектированию и технологиям производства.

• Паразитные емкости и индуктивность : Основные проблемы, связанные с переходными отверстиями в печатных платах, касаются управления паразитными эффектами, такими как емкость и индуктивность. Эти факторы имеют решающее значение в высокочастотных схемах, где поддержание качества сигнала и минимизация потерь при передаче являются первостепенными задачами.

 Паразитная емкость и индуктивность переходных цепей

Паразитная емкость переходных отверстий

Сами переходные отверстия имеют паразитную емкость относительно земли. Если известно, что диаметр изолирующего отверстия переходного отверстия на заземляющем слое равен D2, а диаметр площадки переходного отверстия равен D1, при толщине печатной платы T и диэлектрической проницаемости подложки ε, паразитная емкость переходного отверстия примерно равна :

С=1.41εTD1/(D2-D1)

Паразитная емкость переходного отверстия в основном влияет на время нарастания сигнала, снижая скорость схемы. Например, для печатной платы толщиной 50 мил, если используется переходное отверстие с внутренним диаметром 10 мил и диаметром площадки 20 мил, а расстояние между контактной площадкой и заземляющей медной областью составляет 32 мил, паразитное емкость переходного отверстия можно приблизительно рассчитать как:

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

Изменение времени нарастания, вызванное этой емкостью, равно:

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

Хотя влияние емкости одного переходного отверстия на время нарастания не очень очевидно, если переходные отверстия используются несколько раз в трассировке для межуровневого переключения, проектировщикам все равно следует тщательно это учитывать.

Паразитная индуктивность переходных отверстий

Паразитная индуктивность переходных отверстий Аналогичным образом, хотя переходные отверстия имеют паразитную емкость, они также обладают паразитной индуктивностью. При проектировании быстродействующих цифровых схем вред, причиняемый паразитной индуктивностью переходных отверстий, часто превышает ущерб, причиняемый паразитной емкостью. Его паразитная последовательная индуктивность ослабляет вклад байпасной емкости и ослабляет фильтрующий эффект всей системы электропитания.

Мы можем использовать следующую формулу для расчета приблизительной паразитной индуктивности переходного отверстия:

L=5.08ч[ln(4ч/д)+1]

Где L — индуктивность переходного отверстия, h — длина переходного отверстия, а d — диаметр центрального отверстия. Из формулы видно, что диаметр переходного отверстия относительно мало влияет на индуктивность, а длина переходного отверстия влияет на индуктивность. Используя приведенный выше пример, мы можем рассчитать индуктивность переходного отверстия следующим образом:

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

Если время нарастания сигнала составляет 1 нс, то его эквивалентное сопротивление равно:

XL=πL/T10−90​=3.19 Ом

Такое сопротивление нельзя игнорировать при прохождении высокочастотного тока. В частности, при подключении развязывающего конденсатора к слоям питания и земли ему необходимо пройти через два переходных отверстия, что удваивает паразитную индуктивность переходного отверстия.

Через дизайн в высокоскоростных печатных платах

Анализ паразитных характеристик переходных отверстий, приведенный выше, показывает, что при проектировании высокоскоростных печатных плат, казалось бы, простые переходные отверстия часто могут приносить существенные негативные последствия для проектирования схем.

Чтобы уменьшить неблагоприятные последствия паразитного воздействия переходных отверстий, в конструкции можно максимально организовать следующее содержимое:

Выбирайте переходные отверстия разумного размера, учитывая как стоимость, так и качество сигнала. Например, для проектирования печатной платы 6-10-слойных модулей памяти лучше использовать переходные отверстия диаметром 10/20 мил (сверло/площадка). Для некоторых небольших плат высокой плотности вы также можете попробовать использовать переходные отверстия диаметром 8/18 мил. В современных технологических условиях сложно использовать переходные отверстия меньшего размера. Для переходных отверстий питания или заземления рассмотрите возможность использования разъемов большего размера, чтобы уменьшить импеданс.

Как обсуждалось выше, использование более тонкой печатной платы полезно для уменьшения двух паразитных параметров переходных отверстий.
Выводы питания и заземления следует располагать как можно ближе к переходным отверстиям, а выводы между переходными отверстиями и выводами должны быть как можно короче, поскольку они увеличивают индуктивность. При этом выводы питания и земли должны быть как можно более толстыми, чтобы уменьшить сопротивление.

Постарайтесь свести к минимуму использование переходных отверстий для маршрутизации сигналов на печатной плате, то есть постарайтесь уменьшить количество ненужных переходных отверстий.
Разместите несколько заземляющих переходов рядом с переходами, где сигнал меняет слои, чтобы обеспечить ближайший обратный путь для сигнала. Вы даже можете разместить на печатной плате большое количество резервных заземляющих отверстий. Конечно, в конструкции также необходимы гибкость и изменчивость.

Приведенное выше обсуждение модели переходного отверстия предполагает, что каждый слой имеет площадки. Иногда мы можем уменьшить или даже исключить контактные площадки на некоторых слоях. Особенно когда плотность переходных отверстий очень высока, это может привести к образованию барьерной петли в медном слое. Помимо перемещения положения переходного отверстия, мы также можем рассмотреть возможность уменьшения размера площадки переходного отверстия на медном слое.

Заключение

Переходные отверстия для печатных плат являются важнейшими компонентами многослойных печатных плат, на которые приходится значительная часть производственных затрат. Переходные отверстия классифицируются в зависимости от их функции: они обеспечивают электрические соединения между слоями или служат фиксаторами для компонентов. С точки зрения процесса переходные отверстия подразделяются на глухие, скрытые и сквозные. Хотя глухие и скрытые переходные отверстия расположены во внутренних слоях печатной платы, сквозные переходы проходят через всю плату.

Разработчики стремятся к уменьшению размеров переходных отверстий в высокоскоростных и высокоплотных печатных платах , чтобы максимизировать пространство для трассировки и уменьшить паразитные емкости. Однако существуют ограничения на уменьшение размеров из-за производственных ограничений, таких как сверление и гальваническое покрытие. Развитие технологии лазерного сверления позволило использовать микропереходные отверстия, что повысило производительность схем и позволило сэкономить место.

Несмотря на свои преимущества, переходные отверстия могут создавать разрывы импеданса в линиях передачи, вызывая минимальное отражение сигнала. Основные проблемы с переходными отверстиями связаны с паразитной емкостью и индуктивностью, которые могут влиять на скорость сигнала и его фильтрацию в высокоскоростных цифровых схемах. Чтобы смягчить эти эффекты, проектировщикам следует тщательно продумать стратегии размера, размещения и маршрутизации при проектировании высокоскоростных печатных плат.