อย่าปล่อยให้ PCB vias ทำลายบอร์ดของคุณทั้งหมด

อย่าปล่อยให้รูเชื่อมต่อ (vias) บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทำลายแผงวงจรของคุณ! รูเชื่อมต่อเป็นส่วนสำคัญของแผงวงจรพิมพ์หลายชั้นโดยปกติแล้วค่าใช้จ่ายในการเจาะรูจะคิดเป็น 30% ถึง 40% ของต้นทุนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ กล่าวโดยง่าย ทุกรูบนแผงวงจรพิมพ์สามารถเรียกว่ารูเชื่อมต่อได้

การจำแนกการเจาะ PCB

จากมุมมองการทำงาน vias สามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท:

การเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้น: ใช้ในการเชื่อมต่อชั้นต่างๆ ของ PCB เพื่อวัตถุประสงค์ทางไฟฟ้า
อุปกรณ์ติดตั้งหรือจัดตำแหน่งส่วนประกอบ: ใช้ในการยึดหรือจัดตำแหน่งส่วนประกอบ

จากมุมมองของกระบวนการ vias เหล่านี้โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสามประเภท:

ช่องทางแบบตาบอด ช่องทางแบบฝัง และช่องทางแบบทะลุ

รูเจาะ: รูเจาะเหล่านี้อยู่บนพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของ PCB โดยมีความลึกในระดับหนึ่งและใช้เพื่อเชื่อมต่อรอยหยักบนพื้นผิวกับรอยหยักในชั้นด้านใน ความลึกของรูเจาะโดยปกติจะไม่เกินอัตราส่วน (เส้นผ่านศูนย์กลาง) ที่กำหนด
รูฝัง: รูฝังเหล่านี้อยู่ภายในชั้นในของ PCB ไม่ได้ขยายไปถึงพื้นผิวของบอร์ด รูฝังทั้งสองประเภทนี้อยู่ภายในชั้นในของ PCB และขึ้นรูปก่อนการเคลือบโดยใช้กระบวนการขึ้นรูปรูทะลุ ซึ่งอาจทับซ้อนกันหลายชั้นในในระหว่างการสร้างรูฝัง
รูทะลุ: รูเหล่านี้จะทะลุผ่าน PCB ทั้งหมด และสามารถใช้เป็นการเชื่อมต่อภายในหรือเป็นรูยึดสำหรับส่วนประกอบต่างๆ ได้

เนื่องจากสามารถนำไปใช้ในกระบวนการผลิตได้ง่ายกว่าและมีต้นทุนต่ำกว่า แผงวงจรพิมพ์ส่วนใหญ่จึงใช้รูทะลุแทนรูทะลุอีกสองประเภท เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น รูทะลุที่กล่าวถึงด้านล่างนี้จะถือว่าเป็นรูทะลุ

จากมุมมองการออกแบบ via ประกอบด้วยสองส่วนหลัก:

• ส่วนประกอบและข้อควรพิจารณาในการออกแบบ Via : Via ในการออกแบบ PCBประกอบด้วยรูเจาะตรงกลางที่ล้อมรอบด้วยพื้นที่แผ่นรอง โดยขนาดของส่วนต่างๆ เหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดขนาดโดยรวมของ Via ในการออกแบบ PCB ความเร็วสูงและความหนาแน่นสูง การลดขนาด Via ให้เหลือน้อยที่สุดเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพพื้นที่การเดินสายและลดความจุปรสิต ซึ่งจะช่วยเพิ่มความเหมาะสมสำหรับวงจรความเร็วสูง

• ข้อจำกัดด้านต้นทุนและขนาด : อย่างไรก็ตาม การลดขนาดลงจะเพิ่มต้นทุนการผลิตเนื่องจากเวลาในการเจาะที่นานขึ้นและความคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้นในการวางตำแหน่งระหว่างกระบวนการต่างๆ เช่น การเจาะและการชุบ เมื่อความลึกของรูเกินหกเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง การรับประกันการชุบทองแดงที่สม่ำเสมอตามผนังรูจะทำได้ยากขึ้น ซึ่งส่งผลกระทบต่อทั้งต้นทุนและความสามารถในการผลิต

• ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและไมโครเวีย : ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีการเจาะด้วยเลเซอร์ทำให้สามารถใช้เวียที่มีขนาดเล็กลงได้ เวียที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มิลลิเมตรหรือน้อยกว่านั้นเรียกว่าไมโครเวีย และมักใช้ใน การออกแบบ HDIไมโครเวียเหล่านี้รองรับการกำหนดค่าเวียในแผ่นรอง ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรและประหยัดพื้นที่ในการเดินสายบน PCB ได้อย่างมาก

• ข้อกังวลเกี่ยวกับความสมบูรณ์ของสัญญาณ : รูเชื่อมต่อ (vias) ทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ในสายส่ง ซึ่งอาจนำไปสู่การสะท้อนของสัญญาณ อิมพีแดนซ์ของรูเชื่อมต่อต่ำกว่าอิมพีแดนซ์ของสายส่งประมาณ 12% ทำให้ค่าอิมพีแดนซ์ลดลงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนที่แท้จริงนั้นน้อยมาก โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 0.06 เนื่องจากมีการออกแบบและการผลิตที่ดี

• ความจุและความเหนี่ยวนำปรสิต : ความท้าทายหลักที่เกี่ยวข้องกับ vias ในการออกแบบ PCB คือการจัดการผลกระทบจากปรสิต เช่น ความจุและความเหนี่ยวนำ ปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบความถี่สูง ซึ่งการรักษาคุณภาพสัญญาณและการลดการสูญเสียการส่งสัญญาณเป็นสิ่งสำคัญที่สุด

 ความจุปรสิตและความเหนี่ยวนำของเวียส

ความจุปรสิตของ Vias

Vias เองก็มีความจุปรสิตต่อกราวด์ หากทราบว่าเส้นผ่านศูนย์กลางรูแยกของ via บนชั้นกราวด์คือ D2 และเส้นผ่านศูนย์กลางแผ่นรองของ via คือ D1 โดยมีความหนาของ PCB เท่ากับ T และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของพื้นผิวเท่ากับ ε ความจุปรสิตของ via จะอยู่ที่ประมาณ:

C=1.41εTD1/(D2−D1)

ความจุปรสิตของ via จะส่งผลต่อเวลาการเพิ่มขึ้นเป็นหลักของสัญญาณ โดยลดความเร็วของวงจร ตัวอย่างเช่น สำหรับ PCB ที่มีความหนา 50 มิล หากใช้ via ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 10 มิลและเส้นผ่านศูนย์กลางแพด 20 มิล และระยะห่างระหว่างแพดและพื้นที่กราวด์ทองแดงคือ 32 มิล ความจุปรสิตของ via สามารถคำนวณได้โดยประมาณดังนี้:

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

การเปลี่ยนแปลงของเวลาการเพิ่มขึ้นที่เกิดจากความจุนี้คือ:

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

แม้ว่าผลของความจุของ via เดี่ยวต่อเวลาที่เพิ่มขึ้นจะไม่ชัดเจนมากนัก แต่ถ้ามีการใช้ via หลายครั้งในการกำหนดเส้นทางสำหรับการสลับระหว่างเลเยอร์ นักออกแบบก็ควรพิจารณาอย่างรอบคอบ

การเหนี่ยวนำปรสิตของ Vias

ความเหนี่ยวนำปรสิตของเวีย ในทำนองเดียวกัน ในขณะที่เวียมีความจุปรสิต พวกมันยังมีความเหนี่ยวนำปรสิตอีกด้วย ในการออกแบบวงจรดิจิทัลความเร็วสูง อันตรายที่เกิดจากความเหนี่ยวนำปรสิตของเวียมักจะมากกว่าความจุปรสิต ความเหนี่ยวนำแบบอนุกรมปรสิตของมันทำให้ความจุบายพาสลดลง และทำให้ผลการกรองของระบบจ่ายไฟทั้งหมดลดลง

เราสามารถใช้สูตรต่อไปนี้เพื่อคำนวณค่าเหนี่ยวนำปรสิตโดยประมาณของ via:

ยาว=5.08ชม.[ln(4ชม./วัน)+1]

โดยที่ L คือค่าเหนี่ยวนำของรูเจาะ h คือความยาวของรูเจาะ และ d คือเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเจาะตรงกลาง จากสูตรจะเห็นได้ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเจาะมีผลกระทบต่อค่าเหนี่ยวนำค่อนข้างน้อย ในขณะที่ความยาวของรูเจาะส่งผลต่อค่าเหนี่ยวนำ โดยใช้ตัวอย่างข้างต้น เราสามารถคำนวณค่าเหนี่ยวนำของรูเจาะได้ดังนี้:

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

หากเวลาการเพิ่มขึ้นของสัญญาณคือ 1 ns ดังนั้นค่าอิมพีแดนซ์เทียบเท่าคือ:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

ไม่สามารถละเลยค่าอิมพีแดนซ์ดังกล่าวได้เมื่อมีกระแสไฟฟ้าความถี่สูงไหลผ่าน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อเชื่อมต่อตัวเก็บประจุบายพาสกับชั้นไฟฟ้าและชั้นกราวด์ จะต้องผ่านช่องเวีย 2 ช่อง ซึ่งจะทำให้ความเหนี่ยวนำปรสิตของช่องเวียเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

Via Design ใน PCB ความเร็วสูง

เมื่อวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของ vias ข้างต้น จะเห็นได้ว่าในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง vias ที่ดูเหมือนเรียบง่ายสามารถส่งผลเชิงลบอย่างมีนัยสำคัญต่อการออกแบบวงจรได้

เพื่อลดผลกระทบเชิงลบของผลกระทบปรสิตของ vias อาจจัดวางเนื้อหาต่อไปนี้ในการออกแบบให้ได้มากที่สุด:

เลือก vias ที่มีขนาดเหมาะสมโดยคำนึงถึงทั้งต้นทุนและคุณภาพสัญญาณ ตัวอย่างเช่น สำหรับการออกแบบ PCB ของโมดูลหน่วยความจำ 6-10 ชั้น ควรใช้ vias ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10/20 มิล (รูเจาะ/แผ่นรอง) สำหรับบอร์ดขนาดเล็กที่มีความหนาแน่นสูงบางรุ่น คุณสามารถลองใช้ vias ขนาด 8/18 มิลได้ ภายใต้เงื่อนไขทางเทคโนโลยีปัจจุบัน การใช้ vias ขนาดเล็กทำได้ยาก สำหรับ vias แบบจ่ายไฟหรือกราวด์ ให้พิจารณาใช้ vias ขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อลดความต้านทาน

ตามที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น การใช้ PCB ที่บางกว่านั้นมีประโยชน์ในการลดพารามิเตอร์ปรสิตทั้งสองตัวของ vias
ควรวางพินไฟฟ้าและกราวด์ให้ใกล้กับช่องผ่านมากที่สุด และสายนำระหว่างช่องผ่านและพินควรสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ เนื่องจากจะช่วยเพิ่มค่าเหนี่ยวนำ ในเวลาเดียวกัน สายนำของไฟฟ้าและกราวด์ควรหนาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดค่าอิมพีแดนซ์

พยายามลดการใช้ vias สำหรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณบน PCB ให้เหลือน้อยที่สุด นั่นคือพยายามลด vias ที่ไม่จำเป็น
วางจุดต่อลงดินไว้ใกล้กับจุดต่อลงดินที่สัญญาณเปลี่ยนชั้นเพื่อให้มีเส้นทางกลับสำหรับสัญญาณ คุณสามารถวางจุดต่อลงดินสำรองจำนวนมากบน PCB ได้ แน่นอนว่าการออกแบบยังต้องมีความยืดหยุ่นและเปลี่ยนแปลงได้

การอภิปรายข้างต้นเกี่ยวกับโมเดล via ถือว่าแต่ละชั้นมีแผ่นรอง บางครั้งเราสามารถลดหรือแม้แต่กำจัดแผ่นรองในบางชั้นได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความหนาแน่นของ via สูงมาก อาจทำให้เกิดช่องสร้างห่วงกั้นในชั้นทองแดง นอกจากการย้ายตำแหน่งของ via แล้ว เรายังสามารถพิจารณาลดขนาดของแผ่นรองของ via บนชั้นทองแดงได้อีกด้วย

สรุป

รูสำหรับ PCB เป็นส่วนประกอบที่สำคัญใน PCB หลายชั้น โดยคิดเป็นสัดส่วนที่สำคัญของต้นทุนการผลิต รูสำหรับ PCB แบ่งตามหน้าที่การใช้งาน ได้แก่ การเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้นหรือใช้เป็นอุปกรณ์สำหรับส่วนประกอบต่างๆ จากมุมมองของกระบวนการ รูสำหรับ PCB แบ่งได้เป็นรูทึบ รูฝัง และรูทะลุ ในขณะที่รูทึบและรูฝังอยู่ภายในชั้นในของ PCB รูทะลุจะผ่านบอร์ดทั้งหมด

นักออกแบบมุ่งหวังที่จะใช้ vias ที่มีขนาดเล็กลงในแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงและความหนาแน่นสูงเพื่อเพิ่มพื้นที่ในการเดินสายและลดความจุปรสิต อย่างไรก็ตาม การลดขนาดก็มีข้อจำกัดเนื่องจากข้อจำกัดในการผลิต เช่น การเจาะและการชุบ การพัฒนาเทคโนโลยีการเจาะด้วยเลเซอร์ทำให้สามารถใช้ microvias ได้ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของวงจรและประหยัดพื้นที่

แม้จะมีข้อดีหลายประการ แต่เวียสก็อาจทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์บนสายส่ง ส่งผลให้สัญญาณสะท้อนน้อยลง ปัญหาหลักของเวียสเกี่ยวข้องกับความจุและเหนี่ยวนำที่มากเกินไป ซึ่งอาจส่งผลต่อความเร็วสัญญาณและการกรองในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง เพื่อลดผลกระทบเหล่านี้ นักออกแบบควรพิจารณาขนาด การวาง และกลยุทธ์ในการกำหนดเส้นทางของเวียสอย่างรอบคอบในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง