Не дозволяйте переходам друкованої плати зіпсувати всю вашу плату

Не дозволяйте перехідним отворам на друкованій платі зіпсувати всю вашу плату! Перехідні отвори є важливою частиною багатошарових друкованих плат , а витрати на свердління зазвичай становлять від 30% до 40% вартості виробництва друкованої плати. Простіше кажучи, кожен отвір на друкованій платі можна назвати перехідним отвором.

Класифікація свердління друкованих плат

З функціональної точки зору переходи можна розділити на дві категорії:

Електричне з’єднання між шарами: використовується для з’єднання різних шарів друкованої плати для електричних цілей.
Кріплення або позиціонування для компонентів: використовується для фіксації або позиціонування компонентів.

З точки зору процесу, ці переходи зазвичай поділяються на три типи:

Глухі отвори, закопані отвори та наскрізні отвори.

Сліпі отвори: розташовані на верхній і нижній поверхнях друкованої плати, ці отвори мають певну глибину і використовуються для з’єднання поверхневих трас із трасами внутрішнього шару. Глибина отвору зазвичай не перевищує певного співвідношення (діаметра).
Заховані отвори: це отвори, розташовані у внутрішніх шарах друкованої плати, не виходячи на поверхню плати. Обидва ці типи отворів розташовані у внутрішніх шарах друкованої плати та формуються перед ламінуванням за допомогою процесів формування наскрізних отворів, які можуть перекривати кілька внутрішніх шарів під час формування отворів.
Наскрізні отвори: ці отвори проходять через всю друковану плату і можуть використовуватися для внутрішнього з’єднання або як монтажні отвори для компонентів.

Завдяки легшому застосуванню у виробничому процесі та нижчій вартості переважна більшість друкованих плат використовують наскрізні переходи, а не два інших типи переходів. Якщо не вказано інше, згадані нижче отвори вважаються наскрізними.

З точки зору дизайну, отвір в основному складається з двох частин:

• Компоненти перехідних отворів та конструктивні особливості : Перехідний отвір у конструкції друкованої плати складається з центрального отвору, оточеного площею контактної площадки, де розміри цих деталей визначають загальний розмір перехідного отвору. У високошвидкісних та високощільних конструкціях друкованих плат мінімізація розміру перехідного отвору є вирішальною для оптимізації простору для трасування та зменшення паразитної ємності, що підвищує придатність для високошвидкісних схем.

• Обмеження вартості та розміру : Однак зменшення розміру збільшує виробничі витрати через довший час свердління та потенційні відхилення в позиціонуванні під час таких процесів, як свердління та нанесення покриття. Коли глибина отвору перевищує шість разів його діаметр, забезпечення рівномірного міднення вздовж стінки отвору стає складним завданням, що впливає як на вартість, так і на технологічність.

• Технологічні досягнення та мікровідкриття : Нещодавні досягнення в технології лазерного свердління дозволили використовувати менші відкриття. Відкриття діаметром 6 міл або менше називаються мікровідкриттями та зазвичай використовуються в конструкціях HDI . Ці мікровідкриття підтримують конфігурації «відкриття-в-майданчику», значно покращуючи продуктивність схеми та заощаджуючи простір для трасування на друкованій платі.

• Проблеми цілісності сигналу : Перехідні отвори створюють розриви імпедансу в лініях передачі, що може призвести до відбиттів сигналу. Імпеданс перехідного отвору приблизно на 12% нижчий, ніж імпеданс лінії передачі, що призводить до незначного зниження імпедансу. Незважаючи на це, фактичний коефіцієнт відбиття мінімальний, зазвичай близько 0.06, завдяки добре керованим методам проектування та технологіям виробництва.

• Паразитна ємність та індуктивність : Основні проблеми, пов'язані з перехідними отворами в проектуванні друкованих плат, стосуються управління паразитними ефектами, такими як ємність та індуктивність. Ці фактори є критично важливими у високочастотних конструкціях, де підтримка якості сигналу та мінімізація втрат при передачі є першочерговими.

 Паразитна ємність та індуктивність переходів

Паразитна ємність переходів

Самі переходи мають паразитну ємність щодо землі. Якщо відомо, що діаметр ізоляційного отвору отвору на шарі землі дорівнює D2, а діаметр контактного отвору дорівнює D1, з товщиною друкованої плати T і діелектричною проникністю підкладки ε, паразитна ємність отвору становить приблизно :

C=1.41εTD1/(D2−D1)

Паразитна ємність переходу головним чином впливатиме на час наростання сигналу, зменшуючи швидкість ланцюга. Наприклад, для друкованої плати товщиною 50 мілі, якщо використовується отвір із внутрішнім діаметром 10 мілі та діаметром контактної площадки 20 мілі, а відстань між контактною площадкою та заземленою мідною ділянкою становить 32 мілі, паразитна ємність отвору можна приблизно розрахувати як:

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

Зміна часу наростання, викликана цією ємністю, становить:

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

Хоча вплив ємності одного отвору на час наростання не дуже очевидний, якщо отвори використовуються кілька разів у маршрутизації для міжрівневої комутації, розробники все одно повинні розглянути це уважно.

Паразитна індуктивність переходів

Паразитна індуктивність перехідних отворів Аналогічно, хоча перехідні отвори мають паразитну ємність, вони також мають паразитну індуктивність. При розробці високошвидкісних цифрових схем шкода, спричинена паразитною індуктивністю отворів, часто більша, ніж паразитна ємність. Його паразитна послідовна індуктивність послаблює внесок обхідної ємності та послаблює ефект фільтрації всієї системи живлення.

Ми можемо використати наступну формулу для розрахунку приблизної паразитної індуктивності переходу:

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

Де L — індуктивність отвору, h — довжина отвору, а d — діаметр центрального отвору. З формули видно, що діаметр отвору має відносно невеликий вплив на індуктивність, тоді як довжина отвору впливає на індуктивність. Використовуючи наведений вище приклад, ми можемо розрахувати індуктивність переходу таким чином:

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

Якщо час наростання сигналу становить 1 нс, то його еквівалентний опір:

XL=πL/T10−90​=3.19 Ом

Такий імпеданс не можна ігнорувати, коли через нього проходить високочастотний струм. Зокрема, при підключенні байпасного конденсатора до шарів живлення та заземлення він повинен проходити через два отвору, що подвоює паразитну індуктивність отвору.

Via Design у високошвидкісних друкованих платах

Завдяки аналізу паразитних характеристик перехідних отворів, наведених вище, можна побачити, що у високошвидкісному дизайні друкованої плати, здавалося б, прості перехідні отвори часто можуть призвести до значних негативних наслідків для конструкції схеми.

Щоб зменшити несприятливі наслідки паразитних впливів переходів, наступний вміст може бути організовано в конструкції, наскільки це можливо:

Вибирайте переходи розумного розміру, враховуючи вартість і якість сигналу. Наприклад, для дизайну друкованої плати 6-10-шарових модулів пам’яті краще використовувати переходи діаметром 10/20 mils (свердління/майданчик). Для деяких невеликих плат високої щільності ви також можете спробувати використовувати отвори 8/18 mils. У сучасних технологічних умовах важко використовувати менші переходи. Для переходів живлення або заземлення розгляньте можливість використання більших розмірів, щоб зменшити опір.

Як обговорювалося вище, використання тоншої друкованої плати є вигідним для зменшення двох паразитних параметрів переходів.
Виводи живлення та заземлення повинні бути розміщені якомога ближче до отворів, а проводи між отворами та висновками мають бути якомога коротшими, оскільки вони збільшать індуктивність. У той же час проводи живлення і заземлення повинні бути якомога товщі, щоб зменшити опір.

Спробуйте звести до мінімуму використання переходів для маршрутизації сигналу на друкованій платі, тобто спробуйте зменшити непотрібні переходи.
Розмістіть кілька заземлюючих отворів поблизу отворів, де сигнал змінює шари, щоб забезпечити найближчий зворотний шлях для сигналу. Ви навіть можете розмістити велику кількість резервних отворів заземлення на друкованій платі. Звичайно, гнучкість і мінливість також необхідні в конструкції.

Наведене вище обговорення моделі переходів припускає, що кожен шар має майданчики. Іноді ми можемо зменшити або навіть видалити прокладки на деяких шарах. Особливо, коли щільність отворів дуже висока, це може призвести до утворення прорізу у вигляді бар’єрної петлі в мідному шарі. На додаток до зміни положення отвору, ми також можемо зменшити розмір майданчика отвору на мідному шарі.

Висновок

Перехідні отвори для друкованих плат є ключовими компонентами багатошарових друкованих плат, на які припадає значна частина виробничих витрат. Перехідні отвори класифікуються на основі їх функції: вони забезпечують електричні з’єднання між шарами або служать кріпленнями для компонентів. З точки зору процесу отвори класифікуються на глухі, заглиблені та наскрізні. У той час як сліпі та заховані переходи розташовані у внутрішніх шарах друкованої плати, наскрізні отвори проходять через всю плату.

Розробники прагнуть використовувати менші перехідні отвори у високошвидкісних та високощільних друкованих платах , щоб максимізувати простір для трасування та зменшити паразитну ємність. Однак існують обмеження щодо зменшення розміру через виробничі обмеження, такі як свердління та покриття. Розвиток технології лазерного свердління дозволив використовувати мікроперехідні отвори, покращуючи продуктивність схеми та економлячи простір.

Незважаючи на свої переваги, переходи можуть створювати розриви імпедансу на лініях передачі, спричиняючи мінімальне відображення сигналу. Основні проблеми з переходами пов’язані з паразитною ємністю та індуктивністю, які можуть впливати на швидкість сигналу та фільтрацію у високошвидкісних цифрових схемах. Щоб пом’якшити ці наслідки, розробникам слід ретельно розглянути стратегії розміру, розміщення та маршрутизації високошвидкісних друкованих плат.