Eine Grundkonzept der Perforation

Durchgangsloch (VIA) ist ein wichtiger Bestandteil von Mehrschichtleiterplatte, und die Kosten für das Bohren von Löchern machen normalerweise 30 bis 40 % der Kosten für die Herstellung von Leiterplatten aus. Einfach ausgedrückt kann jedes Loch auf einer Leiterplatte als Passloch bezeichnet werden. Funktionell lässt sich das Loch in zwei Kategorien einteilen: Eine dient der elektrischen Verbindung zwischen Schichten; Der andere wird zur Gerätefixierung oder -positionierung verwendet. Prozesstechnisch werden diese Durchgangslöcher im Allgemeinen in drei Kategorien eingeteilt, nämlich Blind Via, Buried Via und Through Via. Auf der Ober- und Unterseite der gedruckten Leiterplatte befinden sich Sacklöcher, die eine bestimmte Tiefe haben, um die Oberflächenschaltung mit der darunter liegenden inneren Schaltung zu verbinden. Die Tiefe der Löcher überschreitet in der Regel ein bestimmtes Verhältnis (Apertur) nicht. Vergrabene Löcher sind Verbindungslöcher in der Innenschicht der Leiterplatte, die nicht bis zur Oberfläche der Leiterplatte reichen. Die beiden Arten von Löchern befinden sich in der Innenschicht der Leiterplatte, die vor dem Laminieren durch den Durchgangslochformprozess fertiggestellt wird, und mehrere Innenschichten können während der Bildung des Durchgangslochs überlappt werden. Der dritte Typ, Durchgangslöcher genannt, verläuft durch die gesamte Leiterplatte und kann für interne Verbindungen oder als Montage- und Positionierungslöcher für Komponenten verwendet werden. Da das Durchgangsloch im Prozess einfacher zu implementieren ist, sind die Kosten niedriger, so dass die meisten Leiterplatten anstelle der anderen beiden Arten von Durchgangslöchern verwendet werden. Die folgenden Durchgangslöcher sollen ohne besondere Erläuterung als Durchgangslöcher betrachtet werden.

PCB-Durchgangsgrundkonzept und Einführung in die Durchgangslochmethode

Aus gestalterischer Sicht besteht ein Durchgangsloch hauptsächlich aus zwei Teilen, einem ist das Bohrloch in der Mitte und das andere ist der Padbereich um das Bohrloch herum. Die Größe dieser beiden Teile bestimmt die Größe des Durchgangslochs. Offensichtlich möchte der Designer beim Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs mit hoher Dichte immer, dass das Loch so klein wie möglich ist. Dieses Beispiel kann mehr Verdrahtungsraum lassen. Je kleiner das Loch ist, desto kleiner ist seine eigene parasitäre Kapazität geeignet für High-Speed-Schaltung. Die Reduzierung der Lochgröße bringt jedoch gleichzeitig die Kostenerhöhung mit sich, und die Größe des Lochs kann nicht unbegrenzt reduziert werden, sie wird durch Bohren (Bohrer) und Plattieren (Beschichten) und andere Technologien begrenzt: Je kleiner das Loch, desto Je länger die Bohrzeit, desto leichter kann man von der Mittelstellung abweichen; Wenn die Tiefe des Lochs mehr als das Sechsfache des Lochdurchmessers beträgt, ist es unmöglich, eine gleichmäßige Kupferbeschichtung der Lochwand zu gewährleisten. Wenn beispielsweise die Dicke (Durchgangslochtiefe) einer normalen 6-lagigen Leiterplatte 50 Mil beträgt, dann beträgt der minimale Lochdurchmesser, den PCB-Hersteller bereitstellen können, 8 Mil. Mit der Entwicklung der Laserbohrtechnologie kann auch die Bohrgröße immer kleiner werden. Im Allgemeinen ist der Durchmesser des Lochs kleiner oder gleich 6 Mils, wir nennen es Mikroloch. Mikrolöcher werden häufig im HDI-Design (High Density Interconnect Structure) verwendet. Die Microhole-Technologie ermöglicht es, das Loch direkt auf das Pad zu schlagen (VIA-in-pad), was die Schaltungsleistung erheblich verbessert und Verdrahtungsraum spart.

Das Durchgangsloch in der Übertragungsleitung ist eine Unterbrechungsstelle der Impedanzdiskontinuität, die die Reflexion des Signals verursacht. Im Allgemeinen ist die äquivalente Impedanz des Durchgangslochs etwa 12% niedriger als die der Übertragungsleitung. Zum Beispiel nimmt die Impedanz der 50-Ohm-Übertragungsleitung um 6 Ohm ab, wenn sie durch das Durchgangsloch verläuft (die Spezifische hängt auch von der Größe des Durchgangslochs und der Plattendicke ab, aber keine absolute Abnahme). Die durch die Impedanzdiskontinuität durch das Loch verursachte Reflexion ist jedoch tatsächlich sehr klein, und ihr Reflexionskoeffizient beträgt nur: (44-50)/(44+50) = 0.06. Die durch das Loch verursachten Probleme konzentrieren sich eher auf den Einfluss von parasitärer Kapazität und Induktivität.

Parasitäre Kapazität und Induktivität durch das Loch

Die parasitäre Streukapazität existiert im Loch selbst. Wenn der Durchmesser der Schweißwiderstandszone des Lochs auf der Verlegeschicht D2 ist, ist der Durchmesser des Schweißpads D1, die Dicke der Leiterplatte ist T und die Dielektrizitätskonstante des Substrats ist ε, die parasitäre Kapazität von das Loch ist ungefähr C=1.41εTD1/ (D2-D1).

Die Hauptwirkung der parasitären Kapazität auf die Schaltung besteht darin, die Signalanstiegszeit zu verlängern und die Schaltungsgeschwindigkeit zu verringern. Für eine Leiterplatte mit einer Dicke von 50 Mil können wir beispielsweise, wenn der Durchmesser des Durchgangsloch-Pads 20 Mil beträgt (der Durchmesser des Bohrlochs beträgt 10 Mil) und der Durchmesser des Lötblocks 40 Mil beträgt, die parasitäre Kapazität von das Durchgangsloch nach obiger Formel: C = 1.41 × 4.4 × 0.050 × 0.020/ (0.040 – 0.020) = 0.31 pF die durch die Kapazität verursachte Anstiegszeitänderung ist ungefähr wie folgt: T10-90= 2.2c (Z0/2) = 2.2 × 0.31x (50/2) = 17.05 ps Aus diesen Werten ist ersichtlich, dass, obwohl der Effekt der ansteigenden Verzögerung und Verlangsamung durch die parasitäre Kapazität eines einzelnen Durchgangs Loch ist nicht sehr offensichtlich, wenn das Durchgangsloch zum mehrmaligen Umschalten zwischen Schichten verwendet wird, werden mehrere Durchgangslöcher verwendet. Seien Sie vorsichtig bei Ihrem Design. Im praktischen Design kann die parasitäre Kapazität reduziert werden, indem der Abstand zwischen dem Loch und der Kupferverlegezone (Anti-Pad) vergrößert wird oder indem der Durchmesser des Pads verringert wird. Beim Entwurf einer digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltung ist die parasitäre Induktivität des Durchgangslochs schädlicher als die der parasitären Kapazität. Seine parasitäre Serieninduktivität schwächt den Beitrag der Bypass-Kapazität und verringert die Filterwirkung des gesamten Stromversorgungssystems. Wir können die parasitäre Induktivität einer Durchgangsloch-Näherung einfach mit der folgenden empirischen Formel berechnen: L=5.08h [ln (4h/d) +1]

Dabei bezeichnet L die Induktivität des Lochs, H die Länge des Lochs und D den Durchmesser des zentralen Lochs. Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Lochs wenig Einfluss auf die Induktivität hat, während die Länge des Lochs den größten Einfluss auf die Induktivität hat. Mit dem obigen Beispiel kann die Induktivität aus dem Loch heraus wie folgt berechnet werden:

L=5.08×0.050 [ln (4×0.050/0.010) +1] = 1.015nh Wenn die Signalanstiegszeit 1ns beträgt, dann ist die äquivalente Impedanzgröße: XL=πL/T10-90=3.19 ω. Diese Impedanz kann in Gegenwart von Hochfrequenzstrom nicht ignoriert werden. Insbesondere muss der Bypass-Kondensator durch zwei Löcher hindurchgehen, um die Versorgungsschicht mit der Formation zu verbinden, wodurch die parasitäre Induktivität des Lochs verdoppelt wird.

Drittens, wie man das Loch benutzt

Durch die obige Analyse der parasitären Eigenschaften der Durchgangslöcher können wir sehen, dass beim Hochgeschwindigkeits-PCB-Design die scheinbar einfachen Durchgangslöcher oft große negative Auswirkungen auf das Schaltungsdesign haben. Um die nachteiligen Auswirkungen des parasitären Effekts des Lochs zu reduzieren, können wir Folgendes im Design versuchen:

1. Unter Berücksichtigung der Kosten und der Signalqualität wird eine vernünftige Lochgröße gewählt. Ziehen Sie gegebenenfalls die Verwendung unterschiedlicher Lochgrößen in Betracht. Ziehen Sie beispielsweise für Strom- oder Erdungskabel die Verwendung größerer Kabel in Betracht, um die Impedanz zu reduzieren, und verwenden Sie für die Signalverkabelung kleinere Löcher. Mit abnehmender Lochgröße steigen natürlich die entsprechenden Kosten.

2. Die beiden oben diskutierten Formeln zeigen, dass die Verwendung dünnerer Leiterplatten hilft, die beiden parasitären Parameter der Perforationen zu reduzieren.

3. Die Signalverdrahtung auf der Leiterplatte sollte möglichst keine Lagen wechseln, dh möglichst keine unnötigen Löcher verwenden.

4. Die Stifte des Netzteils und des Bodens sollten in das nächstgelegene Loch gebohrt werden, und die Zuleitung zwischen dem Loch und den Stiften sollte so kurz wie möglich sein. Mehrere Durchgangslöcher können parallel betrachtet werden, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren.

5. Einige Masselöcher werden in der Nähe der Löcher der Signalschichtung platziert, um die nächste Schleife für das Signal bereitzustellen. Sie können sogar viele zusätzliche Erdungslöcher auf der Platine platzieren. Natürlich müssen Sie bei der Gestaltung flexibel sein. Das oben diskutierte Durchgangslochmodell ist eine Situation, in der Kontaktstellen in jeder Schicht vorhanden sind. Manchmal können wir Pads in einigen Schichten reduzieren oder sogar entfernen. Insbesondere wenn die Lochdichte sehr groß ist, kann dies zur Bildung einer abgeschnittenen Schaltungsrille in der Kupferschicht führen. Um ein solches Problem zu lösen, können wir neben der Verschiebung der Lochposition auch das Loch berücksichtigen in der Kupferschicht, um die Größe des Pads zu reduzieren.

6. Für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten mit höherer Dichte können Mikrolöcher in Betracht gezogen werden.