Ενας. Η βασική έννοια των vias

Το Via είναι ένα από τα σημαντικά συστατικά του πολυστρωματικό PCB, και το κόστος της γεώτρησης συνήθως αντιπροσωπεύει το 30% έως 40% του κόστους κατασκευής PCB. Με απλά λόγια, κάθε τρύπα στο PCB μπορεί να ονομαστεί via.

Από την άποψη της λειτουργίας, τα vias μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: η μία χρησιμοποιείται για ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ στρωμάτων. το άλλο χρησιμοποιείται για συσκευές στερέωσης ή τοποθέτησης.

Όσον αφορά τη διαδικασία, αυτές οι διόδους διακρίνονται γενικά σε τρεις κατηγορίες, δηλαδή τις τυφλές διόδους, τις θαμμένες διόδους και τις διόδους. Οι τυφλές οπές βρίσκονται στην επάνω και στην κάτω επιφάνεια της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος και έχουν ορισμένο βάθος. Χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση της επιφανειακής γραμμής και της υποκείμενης εσωτερικής γραμμής. Το βάθος της οπής συνήθως δεν υπερβαίνει μια ορισμένη αναλογία (διάφραγμα). Η θαμμένη οπή αναφέρεται στην οπή σύνδεσης που βρίσκεται στο εσωτερικό στρώμα της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος, η οποία δεν εκτείνεται στην επιφάνεια της πλακέτας κυκλώματος. Οι προαναφερθέντες δύο τύποι οπών βρίσκονται στο εσωτερικό στρώμα της πλακέτας κυκλώματος και ολοκληρώνονται με μια διαδικασία σχηματισμού διαμπερούς οπής πριν από την πλαστικοποίηση και πολλά εσωτερικά στρώματα μπορεί να επικαλύπτονται κατά τη διάρκεια του σχηματισμού της διόδου. Ο τρίτος τύπος ονομάζεται διαμπερής οπή, η οποία διαπερνά ολόκληρη την πλακέτα κυκλώματος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εσωτερική διασύνδεση ή ως οπή τοποθέτησης εξαρτημάτων. Επειδή η διαμπερής οπή είναι ευκολότερο να εφαρμοστεί στη διαδικασία και το κόστος είναι χαμηλότερο, οι περισσότερες πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων τη χρησιμοποιούν αντί για τους άλλους δύο τύπους οπών. Οι ακόλουθες διαμπερείς οπές, εκτός εάν ορίζεται διαφορετικά, θεωρούνται ως διαμπερείς οπές.

Από σχεδιαστική σκοπιά, ένα via αποτελείται κυρίως από δύο μέρη, το ένα είναι η οπή διάτρησης στη μέση και το άλλο είναι η περιοχή του μαξιλαριού γύρω από την οπή διάτρησης. Το μέγεθος αυτών των δύο μερών καθορίζει το μέγεθος του via. Προφανώς, σε σχεδιασμό PCB υψηλής ταχύτητας, υψηλής πυκνότητας, οι σχεδιαστές ελπίζουν πάντα ότι όσο μικρότερη είναι η οπή διέλευσης, τόσο το καλύτερο, ώστε να μπορεί να μείνει περισσότερος χώρος καλωδίωσης στην πλακέτα. Επιπλέον, όσο μικρότερη είναι η οπή διέλευσης, τόσο η παρασιτική χωρητικότητα από μόνη της. Όσο μικρότερο είναι, τόσο πιο κατάλληλο είναι για κυκλώματα υψηλής ταχύτητας. Ωστόσο, η μείωση του μεγέθους της οπής επιφέρει επίσης αύξηση του κόστους και το μέγεθος της διόδου δεν μπορεί να μειωθεί επ’ αόριστον. Περιορίζεται από τεχνολογίες διεργασιών, όπως διάτρηση και επιμετάλλωση: όσο μικρότερη είναι η τρύπα, τόσο περισσότερο όσο διαρκεί η τρύπα, τόσο πιο εύκολο είναι να αποκλίνει κανείς από την κεντρική θέση. Και όταν το βάθος της οπής υπερβαίνει το 6 φορές τη διάμετρο της τρυπημένης οπής, δεν μπορούμε να εγγυηθούμε ότι το τοίχωμα της οπής μπορεί να επιστρωθεί ομοιόμορφα με χαλκό. Για παράδειγμα, το πάχος (μέσα από το βάθος της οπής) μιας κανονικής πλακέτας PCB 6 στρώσεων είναι περίπου 50 Mil, επομένως η ελάχιστη διάμετρος διάτρησης που μπορούν να παρέχουν οι κατασκευαστές PCB μπορεί να φτάσει μόνο τα 8Mil.

Δεύτερον, η παρασιτική χωρητικότητα του via

Το ίδιο το via έχει μια παρασιτική χωρητικότητα στη γείωση. Εάν είναι γνωστό ότι η διάμετρος της οπής απομόνωσης στο στρώμα εδάφους της διέλευσης είναι D2, η διάμετρος της διόδου είναι D1, το πάχος της πλακέτας PCB είναι T και η διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος της πλακέτας είναι ε, το μέγεθος της παρασιτικής χωρητικότητας της via είναι περίπου: C=1.41εTD1/(D2-D1) Η παρασιτική χωρητικότητα της via θα προκαλέσει το κύκλωμα να παρατείνει το χρόνο ανόδου του σήματος και να μειώσει την ταχύτητα του κυκλώματος. Για παράδειγμα, για ένα PCB με πάχος 50Mil, εάν χρησιμοποιείται μια ράβδος με εσωτερική διάμετρο 10Mil και διάμετρος μαξιλαριού 20Mil και η απόσταση μεταξύ του μαξιλαριού και της επιφάνειας του αλεσμένου χαλκού είναι 32Mil, τότε μπορούμε να προσεγγίσουμε το via χρησιμοποιώντας τον παραπάνω τύπο Η παρασιτική χωρητικότητα είναι περίπου: C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032-0.020)=0.517pF, η αλλαγή του χρόνου ανόδου που προκαλείται από αυτό το τμήμα της χωρητικότητας είναι: T10-90=2.2C(Z0 /2)=2.2 x0.517x(55/2)=31.28ps. Μπορεί να φανεί από αυτές τις τιμές ότι, αν και η επίδραση της καθυστέρησης ανόδου που προκαλείται από την παρασιτική χωρητικότητα ενός μεμονωμένου via δεν είναι προφανής, εάν η via χρησιμοποιηθεί πολλές φορές στο ίχνος για εναλλαγή μεταξύ των στρωμάτων, ο σχεδιαστής θα πρέπει να εξετάσει προσεκτικά.

Τρίτον, η παρασιτική επαγωγή του via

Ομοίως, υπάρχουν παρασιτικές επαγωγές μαζί με την παρασιτική χωρητικότητα των vias. Στη σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας, η βλάβη που προκαλείται από την παρασιτική επαγωγή των vias είναι συχνά μεγαλύτερη από την επίδραση της παρασιτικής χωρητικότητας. Η παρασιτική σειρά αυτεπαγωγής του θα αποδυναμώσει τη συμβολή του πυκνωτή παράκαμψης και θα αποδυναμώσει το αποτέλεσμα φιλτραρίσματος ολόκληρου του συστήματος ισχύος. Μπορούμε απλά να υπολογίσουμε την κατά προσέγγιση παρασιτική επαγωγή της via με τον ακόλουθο τύπο: L=5.08h[ln(4h/d)+1] όπου L αναφέρεται στην επαγωγή της via, h είναι το μήκος της via και d είναι το κέντρο Η διάμετρος της οπής. Μπορεί να φανεί από τον τύπο ότι η διάμετρος του via έχει μικρή επίδραση στην αυτεπαγωγή και το μήκος του via έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην αυτεπαγωγή. Ακόμα χρησιμοποιώντας το παραπάνω παράδειγμα, η αυτεπαγωγή του via μπορεί να υπολογιστεί ως: L=5.08×0.050 [ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH. Αν ο χρόνος ανόδου του σήματος είναι 1ns, τότε η ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση του είναι: XL=πL/T10-90=3.19Ω. Αυτή η αντίσταση δεν μπορεί πλέον να αγνοηθεί όταν περνούν ρεύματα υψηλής συχνότητας. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στο γεγονός ότι ο πυκνωτής παράκαμψης πρέπει να διέρχεται από δύο αγωγούς κατά τη σύνδεση του επιπέδου ισχύος και του επιπέδου γείωσης, έτσι ώστε η παρασιτική επαγωγή των vias να αυξάνεται εκθετικά.

Τέταρτον, μέσω σχεδίασης σε PCB υψηλής ταχύτητας

Μέσα από την παραπάνω ανάλυση των παρασιτικών χαρακτηριστικών των vias, μπορούμε να δούμε ότι στη σχεδίαση PCB υψηλής ταχύτητας, οι φαινομενικά απλές διόδους συχνά επιφέρουν μεγάλα αρνητικά αποτελέσματα στο σχεδιασμό του κυκλώματος. Προκειμένου να μειωθούν οι δυσμενείς επιπτώσεις που προκαλούνται από τις παρασιτικές επιδράσεις των vias, μπορούν να γίνουν τα ακόλουθα στο σχεδιασμό:

1. Από την άποψη του κόστους και της ποιότητας του σήματος, επιλέξτε ένα λογικό μέγεθος μέσω. Για παράδειγμα, για τη σχεδίαση PCB της μονάδας μνήμης 6-10 επιπέδων, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε vias 10/20Mil (διάτρητο/pad). Για ορισμένες πλακέτες μικρού μεγέθους υψηλής πυκνότητας, μπορείτε επίσης να δοκιμάσετε να χρησιμοποιήσετε 8/18Mil. τρύπα. Υπό τις τρέχουσες τεχνικές συνθήκες, είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν μικρότερες διόδους. Για αγωγούς ισχύος ή γείωσης, μπορείτε να εξετάσετε το ενδεχόμενο να χρησιμοποιήσετε μεγαλύτερο μέγεθος για να μειώσετε την αντίσταση.

2. Οι δύο τύποι που συζητήθηκαν παραπάνω μπορούν να συναχθούν στο συμπέρασμα ότι η χρήση ενός λεπτότερου PCB συμβάλλει στη μείωση των δύο παρασιτικών παραμέτρων του via.

3. Προσπαθήστε να μην αλλάξετε τα στρώματα των ιχνών σήματος στην πλακέτα PCB, δηλαδή προσπαθήστε να μην χρησιμοποιήσετε περιττές διόδους.

4. Οι ακίδες ισχύος και γείωσης θα πρέπει να τρυπηθούν κοντά και η απαγωγή μεταξύ της διόδου και της ακίδας πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη, γιατί θα αυξήσουν την αυτεπαγωγή. Ταυτόχρονα, τα καλώδια ισχύος και γείωσης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο παχιά για να μειωθεί η σύνθετη αντίσταση.

5. Τοποθετήστε μερικές γειωμένες διόδους κοντά στις διόδους του στρώματος σήματος για να δώσετε τον πλησιέστερο βρόχο για το σήμα. Είναι ακόμη δυνατό να τοποθετήσετε έναν μεγάλο αριθμό πλεονασμάτων γείωσης στην πλακέτα PCB. Φυσικά, ο σχεδιασμός πρέπει να είναι ευέλικτος. Το μοντέλο via που συζητήθηκε νωρίτερα είναι η περίπτωση όπου υπάρχουν επιθέματα σε κάθε στρώμα. Μερικές φορές, μπορούμε να μειώσουμε ή ακόμα και να αφαιρέσουμε τα τακάκια ορισμένων στρώσεων. Ειδικά όταν η πυκνότητα των vias είναι πολύ υψηλή, μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό ενός αυλακιού θραύσης που χωρίζει τον βρόχο στο στρώμα χαλκού. Για να λύσουμε αυτό το πρόβλημα, εκτός από τη μετακίνηση της θέσης του via, μπορούμε επίσης να εξετάσουμε την τοποθέτηση του via στο στρώμα χαλκού. Το μέγεθος του μαξιλαριού μειώνεται.