PCB yollarının tüm kartınızı mahvetmesine izin vermeyin

PCB'deki deliklerin tüm devre kartınızı mahvetmesine izin vermeyin! Delikler , çok katmanlı PCB'lerin önemli bir parçasıdır ve delme maliyetleri genellikle PCB üretim maliyetinin %30 ila %40'ını oluşturur. Basitçe söylemek gerekirse, bir PCB üzerindeki her deliğe bir delik (via) denilebilir.

PCB delme sınıflandırması

İşlevsel açıdan bakıldığında, yollar iki kategoriye ayrılabilir:

Katmanlar Arası Elektrik Bağlantısı: PCB'nin farklı katmanlarını elektriksel amaçlarla bağlamak için kullanılır.
Bileşenler için Fikstür veya Konumlandırma: Bileşenleri sabitlemek veya konumlandırmak için kullanılır.

Süreç açısından bakıldığında, bu yollar genellikle üç türe ayrılır:

Kör yollar, gömülü yollar ve geçiş yolları.

Kör Vialar: PCB'nin üst ve alt yüzeylerinde bulunan bu vialar belirli bir derinliğe sahiptir ve yüzey izlerini iç katman izlerine bağlamak için kullanılır. Deliğin derinliği genellikle belirli bir oranı (çapı) aşmaz.
Gömülü Vialar: PCB'nin iç katmanlarında yer alan, kartın yüzeyine kadar uzanmayan yollardır. Bu tip yolların her ikisi de PCB'nin iç katmanları içinde bulunur ve geçiş oluşumu sırasında birkaç iç katmanın üst üste binebileceği açık delik oluşturma işlemleri kullanılarak laminasyondan önce oluşturulur.
Geçiş Yolları: Bu geçişler PCB'nin tamamından geçer ve dahili bağlantı için veya bileşenler için montaj delikleri olarak kullanılabilir.

Üretim sürecinde daha kolay uygulanmaları ve daha düşük maliyetleri nedeniyle, baskılı devre kartlarının büyük çoğunluğu diğer iki tür yol yerine geçişli yolları kullanır. Aksi belirtilmediği sürece aşağıda belirtilen kanallar, via olarak değerlendirilmektedir.

Tasarım açısından bakıldığında bir via temel olarak iki bölümden oluşur:

• Via Bileşenleri ve Tasarım Hususları : PCB tasarımında bir via, ortasında delik bulunan ve etrafı ped alanı ile çevrili bir yapıdan oluşur; bu parçaların boyutları genel via boyutunu belirler. Yüksek hızlı ve yüksek yoğunluklu PCB tasarımlarında, yönlendirme alanını optimize etmek ve parazitik kapasitansı azaltmak için via boyutunu en aza indirmek çok önemlidir; bu da yüksek hızlı devreler için uygunluğu artırır.

• Maliyet ve Boyut Sınırlamaları : Bununla birlikte, boyut küçültme, daha uzun delme süreleri ve delme ve kaplama gibi işlemler sırasında konumlandırmada olası sapmalar nedeniyle üretim maliyetlerini artırır. Deliğin derinliği çapının altı katını aştığında, delik duvarı boyunca düzgün bakır kaplama sağlamak zorlaşır ve hem maliyeti hem de üretilebilirliği etkiler.

• Teknolojik Gelişmeler ve Mikrovia'lar : Lazer delme teknolojisindeki son gelişmeler, daha küçük via'ların kullanımını mümkün kılmıştır. Çapı 6 mil veya daha az olan via'lara mikrovia denir ve genellikle HDI tasarımlarında kullanılır. Bu mikrovia'lar, devre performansını önemli ölçüde iyileştiren ve PCB üzerindeki yönlendirme alanından tasarruf sağlayan, ped içi via konfigürasyonlarını destekler.

• Sinyal Bütünlüğüyle İlgili Endişeler : Via'lar, iletim hatlarında empedans süreksizliklerine neden olarak sinyal yansımalarına yol açabilir. Bir via'nın empedansı, iletim hattının empedansından yaklaşık %12 daha düşüktür ve bu da empedansta hafif bir azalmaya neden olur. Buna rağmen, iyi yönetilen tasarım uygulamaları ve üretim teknikleri sayesinde gerçek yansıma katsayısı minimum düzeydedir, tipik olarak 0.06 civarındadır.

• Parazitik Kapasitans ve İndüktans : PCB tasarımında via'larla ilgili temel zorluklar, kapasitans ve indüktans gibi parazitik etkilerin yönetilmesiyle ilgilidir. Bu faktörler, sinyal kalitesinin korunmasının ve iletim kayıplarının en aza indirilmesinin son derece önemli olduğu yüksek frekanslı tasarımlarda kritik öneme sahiptir.

 Viaların Parazit Kapasitansı ve Endüktansı

Vias'ın Parazit Kapasitesi

Viaların kendilerinin toprağa karşı parazitik kapasitansı vardır. Zemin katmanındaki yolun izolasyon deliği çapının D2 olduğu biliniyorsa ve yolun ped çapı D1 ise, PCB kalınlığı T ve substrat dielektrik sabiti ε ise, yolun parazitik kapasitansı yaklaşık olarak olur. :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

Yolun parazit kapasitansı esas olarak sinyalin yükselme süresini etkileyerek devrenin hızını azaltacaktır. Örneğin, 50 mil kalınlığındaki bir PCB için, iç çapı 10 mil ve ped çapı 20 mil olan bir yol kullanılırsa ve ped ile toprak bakır alanı arasındaki mesafe 32 mil ise, parazitik devre Via'nın kapasitansı yaklaşık olarak şu şekilde hesaplanabilir:

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

Bu kapasitansın neden olduğu yükselme süresindeki değişiklik:

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

Her ne kadar tek bir geçişin kapasitansının yükselme süresi üzerindeki etkisi çok açık olmasa da, katmanlar arası anahtarlama için yönlendirmede yolların birden çok kez kullanılması durumunda tasarımcılar bunu yine de dikkatle düşünmelidir.

Viaların Parazit İndüktansı

Viaların Parazit İndüktansı Benzer şekilde vialar parazitik kapasitansa sahip oldukları gibi aynı zamanda parazitik indüktansa da sahiptirler. Yüksek hızlı dijital devrelerin tasarımında, yolların parazitik endüktansının neden olduğu zarar, genellikle parazitik kapasitansınkinden daha fazladır. Parazit seri endüktansı, bypass kapasitansının katkısını zayıflatır ve tüm güç kaynağı sisteminin filtreleme etkisini zayıflatır.

Bir yolun yaklaşık parazitik endüktansını hesaplamak için aşağıdaki formülü kullanabiliriz:

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

Burada L, geçişin endüktansı, h, geçişin uzunluğu ve d, merkezdeki deliğin çapıdır. Formülden, via çapının endüktans üzerinde nispeten küçük bir etkiye sahip olduğu, via uzunluğunun ise endüktansı etkilediği görülebilir. Yukarıdaki örneği kullanarak, yolun endüktansını aşağıdaki gibi hesaplayabiliriz:

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

Sinyalin yükselme süresi 1 ns ise eşdeğer empedansı:

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Yüksek frekanslı akım geçtiğinde böyle bir empedans göz ardı edilemez. Özellikle, baypas kapasitörünü güç ve toprak katmanlarına bağlarken, iki yoldan geçmesi gerekir, bu da yolun parazitik endüktansını iki katına çıkarır.

Yüksek Hızlı PCB'lerde Tasarım Yoluyla

Yukarıdaki yolların parazitik özelliklerinin analizi yoluyla, yüksek hızlı PCB tasarımında, görünüşte basit yolların çoğu zaman devre tasarımına önemli olumsuz etkiler getirebildiği görülebilir.

Viaların parazit etkilerinin olumsuz etkilerini azaltmak için tasarımda mümkün olduğunca aşağıdaki içerikler düzenlenebilir:

Hem maliyet hem de sinyal kalitesini göz önünde bulundurarak makul boyuttaki viaları seçin. Örneğin, 6-10 katmanlı bellek modüllerinin PCB tasarımı için 10/20 mil (delik/ped) çapında via'lar kullanmak daha iyidir. Bazı yüksek yoğunluklu küçük tahtalar için 8/18 mils vias kullanmayı da deneyebilirsiniz. Günümüz teknolojik koşullarında daha küçük viaların kullanılması zordur. Güç veya topraklama geçişleri için empedansı azaltmak amacıyla daha büyük boyutlar kullanmayı düşünün.

Yukarıda tartışıldığı gibi, daha ince bir PCB kullanmak, yolların iki parazit parametresini azaltmak için faydalıdır.
Güç ve toprak pinleri vialara mümkün olduğu kadar yakın yerleştirilmeli, vialar ile pinler arasındaki uçlar ise endüktansı artıracağından mümkün olduğu kadar kısa olmalıdır. Aynı zamanda empedansı azaltmak için güç ve toprak kabloları mümkün olduğunca kalın olmalıdır.

PCB üzerinde sinyal yönlendirme için yolların kullanımını en aza indirmeye çalışın, yani gereksiz yolların sayısını azaltmaya çalışın.
Sinyale yakın bir dönüş yolu sağlamak için sinyalin katman değiştirdiği yolların yakınına bazı topraklama yolları yerleştirin. Hatta PCB üzerine çok sayıda yedek topraklama yolu bile yerleştirebilirsiniz. Elbette tasarımda esneklik ve değişebilirlik de gerekiyor.

Via modelinin yukarıdaki tartışması, her katmanın pedlere sahip olduğunu varsayar. Bazen bazı katmanlardaki pedleri azaltabilir hatta ortadan kaldırabiliriz. Özellikle viaların yoğunluğunun çok yüksek olması bakır tabakada bir yuvanın bariyer halkası oluşturmasına neden olabilir. Via'nın konumunu değiştirmenin yanı sıra, bakır katman üzerindeki Via'nın pedinin boyutunu da azaltmayı düşünebiliriz.

Sonuç

PCB yolları, çok katmanlı PCB'lerdeki önemli bileşenlerdir ve üretim maliyetlerinin önemli bir bölümünü oluşturur. Via'lar, katmanlar arasında elektriksel bağlantı sağlama veya bileşenler için bağlantı elemanı görevi görme işlevlerine göre kategorize edilir. Süreç perspektifinden bakıldığında, yollar kör, gömülü ve geçiş yoluyla sınıflandırılır. Kör ve gömülü via'lar PCB'nin iç katmanlarında bulunurken, via'lar kartın tamamından geçer.

Tasarımcılar, yönlendirme alanını en üst düzeye çıkarmak ve parazitik kapasitansı azaltmak için yüksek hızlı ve yüksek yoğunluklu PCB'lerde daha küçük via'lar kullanmayı hedeflemektedir . Bununla birlikte, delme ve kaplama gibi üretim kısıtlamaları nedeniyle boyut küçültmenin sınırları vardır. Lazer delme teknolojisinin geliştirilmesi, mikrovia'ların kullanımını mümkün kılarak devre performansını artırmış ve yer tasarrufu sağlamıştır.

Faydalarına rağmen, vialar iletim hatlarında empedans süreksizliklerine neden olarak minimum sinyal yansımasına neden olabilir. Via'larla ilgili ana sorunlar, yüksek hızlı dijital devrelerde sinyal hızını ve filtrelemeyi etkileyebilen parazitik kapasitans ve endüktansla ilgilidir. Bu etkileri azaltmak için tasarımcılar, yüksek hızlı PCB tasarımlarında boyut, yerleştirme ve yönlendirme stratejilerini dikkatle düşünmelidir.