Ένας Βασική έννοια της διάτρησης

Η διαμπερή οπή (VIA) είναι ένα σημαντικό μέρος της Πολυστρωματικό PCB, και το κόστος των οπών διάτρησης συνήθως αντιπροσωπεύει το 30% έως 40% του κόστους κατασκευής σανίδων PCB. Με απλά λόγια, κάθε τρύπα σε ένα PCB μπορεί να ονομαστεί μια οπή διέλευσης. Όσον αφορά τη λειτουργία, η τρύπα μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: η μία χρησιμοποιείται για την ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των στρωμάτων. Το άλλο χρησιμοποιείται για στερέωση ή τοποθέτηση συσκευής. Όσον αφορά τη διαδικασία, αυτές οι διαμπερείς τρύπες χωρίζονται γενικά σε τρεις κατηγορίες, δηλαδή τις τυφλές μέσω, τις θαμμένες μέσω και τις διαμπερείς. Τυφλές οπές βρίσκονται στην επάνω και κάτω επιφάνεια της πλακέτας κυκλώματος ΕΚΤΥΠΩΜΕΝΗ και έχουν ένα συγκεκριμένο βάθος για τη σύνδεση του κυκλώματος επιφάνειας με το εσωτερικό κύκλωμα παρακάτω. Το βάθος των οπών συνήθως δεν υπερβαίνει μια ορισμένη αναλογία (άνοιγμα). Οι θαμμένες οπές είναι οπές σύνδεσης στο εσωτερικό στρώμα της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος που δεν εκτείνονται στην επιφάνεια της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος. Οι δύο τύποι οπών βρίσκονται στο εσωτερικό στρώμα της πλακέτας κυκλώματος, το οποίο ολοκληρώνεται με τη διαδικασία χύτευσης μέσω της οπής πριν από την πλαστικοποίηση, και πολλά εσωτερικά στρώματα μπορεί να επικαλύπτονται κατά τον σχηματισμό της διαμπερής οπής. Ο τρίτος τύπος, που ονομάζεται διαμπερείς οπές, διατρέχει ολόκληρη την πλακέτα κυκλώματος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εσωτερικές διασυνδέσεις ή ως οπές στερέωσης και εντοπισμού εξαρτημάτων. Επειδή η διαμπερή οπή είναι πιο εύκολο να εφαρμοστεί στη διαδικασία, το κόστος είναι χαμηλότερο, επομένως οι περισσότεροι πίνακες τυπωμένων κυκλωμάτων τη χρησιμοποιούν, παρά τα άλλα δύο είδη διαμπερών οπών. Τα ακόλουθα μέσα από τρύπες, χωρίς ειδική εξήγηση, θεωρούνται ως διαμπερές.

Βασική έννοια PCB μέσω οπής και εισαγωγή μεθόδου μέσω οπής

Από άποψη σχεδιασμού, μια διαμπερή τρύπα αποτελείται κυρίως από δύο μέρη, το ένα είναι η τρύπα στη μέση και το άλλο είναι η περιοχή του μαξιλαριού γύρω από την τρύπα. Το μέγεθος αυτών των δύο τμημάτων καθορίζει το μέγεθος της διαμπερής οπής. Προφανώς, στο σχεδιασμό PCB υψηλής ταχύτητας, υψηλής πυκνότητας, ο σχεδιαστής θέλει πάντα την τρύπα όσο το δυνατόν μικρότερη, αυτό το δείγμα μπορεί να αφήσει περισσότερο χώρο καλωδίωσης, επιπλέον, όσο μικρότερη είναι η τρύπα, η δική της παρασιτική χωρητικότητα είναι μικρότερη, περισσότερο κατάλληλο για κύκλωμα υψηλής ταχύτητας. Αλλά η μείωση του μεγέθους της τρύπας ταυτόχρονα φέρνει την αύξηση του κόστους και το μέγεθος της τρύπας δεν μπορεί να μειωθεί χωρίς όριο, περιορίζεται από διάτρηση (τρυπάνι) και επιμετάλλωση (επιμετάλλωση) και άλλη τεχνολογία: όσο μικρότερη είναι η τρύπα, τόσο περισσότερος χρόνος που χρειάζεται για να τρυπήσετε, τόσο πιο εύκολο είναι να αποκλίνετε από την κεντρική θέση. Όταν το βάθος της οπής είναι περισσότερο από 6 φορές το διάμετρο της οπής, είναι αδύνατο να εγγυηθεί την ομοιόμορφη επίστρωση χαλκού του τοιχώματος της οπής. Για παράδειγμα, εάν το πάχος (βάθος διαμπερούς οπής) μιας κανονικής πλακέτας PCB 6 στρώσεων είναι 50Mil, τότε η ελάχιστη διάμετρος οπής που μπορούν να παρέχουν οι κατασκευαστές PCB είναι 8Mil. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας γεώτρησης λέιζερ, το μέγεθος της γεώτρησης μπορεί επίσης να είναι μικρότερο και μικρότερο. Γενικά, η διάμετρος της τρύπας είναι μικρότερη ή ίση με 6 Mils, την ονομάζουμε micro hole. Οι μικροτρύπες χρησιμοποιούνται συχνά στο σχεδιασμό HDI (δομή διασύνδεσης υψηλής πυκνότητας). Η τεχνολογία Microhole επιτρέπει στην τρύπα να χτυπηθεί απευθείας στο μαξιλάρι (VIA-in-pad), κάτι που βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του κυκλώματος και εξοικονομεί χώρο καλωδίωσης.

Η διαμπερή οπή στη γραμμή μεταφοράς είναι ένα σημείο διακοπής ασυνέχειας σύνθετης αντίστασης, το οποίο θα προκαλέσει την αντανάκλαση του σήματος. Γενικά, η ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση της διαμπερής οπής είναι περίπου 12% χαμηλότερη από εκείνη της γραμμής μεταφοράς. Για παράδειγμα, η σύνθετη αντίσταση της γραμμής μετάδοσης των 50 ohm θα μειωθεί κατά 6 ohm όταν περάσει από τη διαμπερή οπή (το συγκεκριμένο σχετίζεται επίσης με το μέγεθος της διαμπερούς οπής και το πάχος της πλάκας, αλλά όχι με απόλυτη μείωση). Ωστόσο, η ανάκλαση που προκαλείται από την ασυνέχεια της σύνθετης αντίστασης μέσω της οπής είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρή και ο συντελεστής ανάκλασης είναι μόνο :(44-50)/(44+50) =0.06. Τα προβλήματα που προκαλούνται από την τρύπα επικεντρώνονται περισσότερο στην επίδραση της παρασιτικής χωρητικότητας και επαγωγής.

Παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγή μέσω της οπής

Η παρασιτική αδέσποτη χωρητικότητα υπάρχει στην ίδια την τρύπα. Εάν η διάμετρος της ζώνης αντίστασης συγκόλλησης της οπής στο στρώμα τοποθέτησης είναι D2, η διάμετρος του μαξιλαριού συγκόλλησης είναι D1, το πάχος της πλακέτας PCB είναι T και η διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος είναι ε, η παρασιτική χωρητικότητα του η τρύπα είναι περίπου C = 1.41εTD1/ (D2-D1).

Η κύρια επίδραση της παρασιτικής χωρητικότητας στο κύκλωμα είναι η παράταση του χρόνου ανόδου του σήματος και η μείωση της ταχύτητας του κυκλώματος. Για παράδειγμα, για έναν πίνακα PCB με πάχος 50Mil, εάν η διάμετρος του μαξιλαριού διαμέτρου είναι 20Mil (η διάμετρος της γεώτρησης είναι 10Mils) και η διάμετρος του συγκολλητικού συγκροτήματος είναι 40Mil, μπορούμε να υπολογίσουμε την παρασιτική χωρητικότητα η διαμπερής οπή με τον παραπάνω τύπο: C=1.41×4.4×0.050×0.020/ (0.040-0.020) =0.31pF η αλλαγή του χρόνου ανόδου που προκαλείται από την χωρητικότητα είναι περίπου ως εξής: T10-90 = 2.2c (Z0/2) = 2.2 × 0.31x (50/2) = 17.05ps Από αυτές τις τιμές, μπορεί να φανεί ότι αν και το αποτέλεσμα της αυξανόμενης καθυστέρησης και επιβράδυνσης που προκαλείται από την παρασιτική χωρητικότητα ενός μόνο η τρύπα δεν είναι πολύ προφανής, εάν η διαμπερή οπή χρησιμοποιείται για εναλλαγή μεταξύ στρωμάτων για πολλές φορές, θα χρησιμοποιηθούν πολλαπλές διαμπερείς οπές. Να είστε προσεκτικοί στο σχεδιασμό σας. Στον πρακτικό σχεδιασμό, η παρασιτική χωρητικότητα μπορεί να μειωθεί αυξάνοντας την απόσταση μεταξύ της οπής και της ζώνης τοποθέτησης χαλκού (anti-pad) ή με τη μείωση της διαμέτρου του μαξιλαριού. Στο σχεδιασμό ψηφιακού κυκλώματος υψηλής ταχύτητας, η παρασιτική επαγωγή της διαμπερής οπής είναι πιο επιβλαβής από αυτή της παρασιτικής χωρητικότητας. Η παραγοντική σειρά επαγωγής του θα αποδυναμώσει τη συμβολή της χωρητικότητας παράκαμψης και θα μειώσει την αποτελεσματικότητα φιλτραρίσματος ολόκληρου του συστήματος ισχύος. Μπορούμε απλά να υπολογίσουμε την παρασιτική επαγωγή μιας προσέγγισης διαμπερών οπών χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο εμπειρικό τύπο: L = 5.08h [ln (4h/d) +1]

Όπου το L αναφέρεται στην επαγωγή της οπής, H είναι το μήκος της οπής και D είναι η διάμετρος της κεντρικής οπής. Από την εξίσωση φαίνεται ότι η διάμετρος της οπής έχει μικρή επίδραση στην επαγωγή, ενώ το μήκος της οπής έχει τη μεγαλύτερη επιρροή στην επαγωγή. Ακόμα χρησιμοποιώντας το παραπάνω παράδειγμα, η αυτεπαγωγή έξω από την οπή μπορεί να υπολογιστεί ως:

L = 5.08 × 0.050 [ln (4 × 0.050/0.010) +1] = 1.015nh Εάν ο χρόνος ανόδου του σήματος είναι 1ns, τότε το ισοδύναμο μέγεθος σύνθετης αντίστασης είναι: XL = πL/T10-90 = 3.19 ω. Αυτή η σύνθετη αντίσταση δεν μπορεί να αγνοηθεί παρουσία ρεύματος υψηλής συχνότητας. Συγκεκριμένα, ο πυκνωτής παράκαμψης πρέπει να περάσει από δύο οπές για να συνδέσει το στρώμα τροφοδοσίας στον σχηματισμό, διπλασιάζοντας έτσι την παρασιτική επαγωγή της οπής.

Τρία, πώς να χρησιμοποιήσετε την τρύπα

Μέσω της παραπάνω ανάλυσης των παρασιτικών χαρακτηριστικών των διαμπερών οπών, μπορούμε να δούμε ότι στον σχεδιασμό PCB υψηλής ταχύτητας, οι φαινομενικά απλές οπές συχνά φέρνουν μεγάλες αρνητικές επιπτώσεις στο σχεδιασμό του κυκλώματος. Για να μειώσουμε τις αρνητικές επιπτώσεις της παρασιτικής επίδρασης της τρύπας, μπορούμε να προσπαθήσουμε να κάνουμε τα εξής στο σχεδιασμό:

1. Λαμβάνοντας υπόψη το κόστος και την ποιότητα του σήματος, επιλέγεται ένα λογικό μέγεθος οπής. Εάν είναι απαραίτητο, σκεφτείτε τη χρήση διαφορετικών μεγεθών οπών. Για παράδειγμα, για καλώδια τροφοδοσίας ή γείωσης, σκεφτείτε να χρησιμοποιήσετε μεγαλύτερα μεγέθη για να μειώσετε την αντίσταση και για καλωδίωση σήματος, χρησιμοποιήστε μικρότερες οπές. Φυσικά, όσο μειώνεται το μέγεθος της τρύπας, θα αυξάνεται και το αντίστοιχο κόστος.

2. Οι δύο τύποι που συζητήθηκαν παραπάνω δείχνουν ότι η χρήση πιο λεπτών πλακών PCB συμβάλλει στη μείωση των δύο παρασιτικών παραμέτρων των διατρήσεων.

3. Η καλωδίωση σήματος στην πλακέτα PCB δεν πρέπει να αλλάζει επίπεδα όσο το δυνατόν περισσότερο, δηλαδή να μην χρησιμοποιείτε περιττές οπές στο μέτρο του δυνατού.

4. Οι πείροι του τροφοδοτικού και του εδάφους πρέπει να τρυπιούνται στην πλησιέστερη οπή και το καλώδιο μεταξύ της οπής και των πείρων να είναι όσο το δυνατόν πιο σύντομο. Πολλαπλές διαμπερείς οπές μπορούν να ληφθούν υπόψη παράλληλα για τη μείωση της ισοδύναμης επαγωγής.

5. Ορισμένες οπές γείωσης τοποθετούνται κοντά στις οπές της στρώσης του σήματος για να παρέχουν τον πλησιέστερο βρόχο για το σήμα. Μπορείτε ακόμη να βάλετε πολλές επιπλέον οπές γείωσης στο PCB. Φυσικά, πρέπει να είστε ευέλικτοι στο σχεδιασμό σας. Το μοντέλο μέσω οπών που συζητήθηκε παραπάνω είναι μια κατάσταση όπου υπάρχουν μαξιλάρια σε κάθε στρώμα. Μερικές φορές, μπορούμε να μειώσουμε ή ακόμη και να αφαιρέσουμε τα μαξιλάρια σε ορισμένα στρώματα. Ειδικά στην περίπτωση που η πυκνότητα της τρύπας είναι πολύ μεγάλη, μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό μιας αυλάκωσης αποκοπής κυκλώματος στο στρώμα χαλκού, για να λύσουμε ένα τέτοιο πρόβλημα εκτός από τη μετακίνηση της θέσης της τρύπας, μπορούμε επίσης να εξετάσουμε την τρύπα στο στρώμα χαλκού για να μειωθεί το μέγεθος του μαξιλαριού.

6. Για πλακέτες PCB υψηλής ταχύτητας με μεγαλύτερη πυκνότητα, μπορούν να ληφθούν υπόψη οι μικροοπές.