یکی مفهوم اساسی vias

Via یکی از اجزای مهم است PCB چند لایهو هزینه حفاری معمولاً 30 تا 40 درصد هزینه تولید PCB را تشکیل می دهد. به زبان ساده، هر سوراخ روی PCB را می توان یک via نامید.

از نقطه نظر عملکرد، vias را می توان به دو دسته تقسیم کرد: یکی برای اتصالات الکتریکی بین لایه ها استفاده می شود. دیگری برای تثبیت یا موقعیت یابی دستگاه ها استفاده می شود.

از نظر فرآیند، این vias ها به طور کلی به سه دسته Blind vias، buried vias و through vias تقسیم می شوند. سوراخ های کور در سطوح بالا و پایین برد مدار چاپی قرار دارند و عمق مشخصی دارند. آنها برای اتصال خط سطح و خط داخلی زیرین استفاده می شوند. عمق سوراخ معمولاً از یک نسبت معین (دیافراگم) تجاوز نمی کند. سوراخ مدفون به سوراخ اتصالی اطلاق می شود که در لایه داخلی برد مدار چاپی قرار دارد که تا سطح برد مدار امتداد ندارد. دو نوع سوراخ فوق الذکر در لایه داخلی برد مدار قرار دارند و قبل از ورقه ورقه شدن توسط یک فرآیند شکل دهی از طریق سوراخ تکمیل می شوند و ممکن است چندین لایه داخلی در طول تشکیل ویا روی هم قرار گیرند. نوع سوم یک سوراخ عبوری نامیده می شود که به کل برد مدار نفوذ می کند و می تواند برای اتصال داخلی یا به عنوان سوراخ موقعیت یابی برای نصب قطعات استفاده شود. از آنجایی که سوراخ عبوری در فرآیند پیاده‌سازی آسان‌تر است و هزینه کمتری دارد، اکثر بردهای مدار چاپی از آن به جای دو نوع دیگر سوراخ‌های ورودی استفاده می‌کنند. موارد زیر از طریق سوراخ ها، مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد، به عنوان سوراخ های عبوری در نظر گرفته می شوند.

از نقطه نظر طراحی، یک via عمدتاً از دو قسمت تشکیل شده است، یکی سوراخ مته در وسط، و دیگری ناحیه پد در اطراف سوراخ مته است. اندازه این دو قسمت اندازه via را تعیین می کند. بدیهی است که در طراحی PCB با سرعت بالا و چگالی بالا، طراحان همیشه امیدوارند که هرچه سوراخ ورودی کوچکتر باشد، بهتر است، به طوری که فضای سیم کشی بیشتری روی برد باقی بماند. علاوه بر این، هرچه سوراخ ورودی کوچکتر باشد، ظرفیت انگلی خود را دارد. هرچه کوچکتر باشد برای مدارهای پرسرعت مناسب تر است. با این حال، کاهش اندازه سوراخ باعث افزایش هزینه نیز می‌شود و اندازه ویا را نمی‌توان به طور نامحدود کاهش داد. با فناوری‌های فرآیندی مانند حفاری و آبکاری محدود می‌شود: هرچه سوراخ کوچک‌تر باشد، مته هر چه بیشتر طول بکشد، انحراف از موقعیت مرکزی آسان‌تر است. و هنگامی که عمق سوراخ بیش از 6 برابر قطر سوراخ حفر شده باشد، نمی توان تضمین کرد که دیوار سوراخ می تواند به طور یکنواخت با مس روکش شود. به عنوان مثال، ضخامت (از طریق عمق سوراخ) یک برد PCB 6 لایه معمولی حدود 50Mil است، بنابراین حداقل قطر حفاری که تولید کنندگان PCB می توانند ارائه دهند تنها می تواند به 8Mil برسد.

دوم، ظرفیت انگلی از طریق

خود via دارای ظرفیت انگلی نسبت به زمین است. اگر مشخص باشد که قطر سوراخ جداسازی روی لایه زمینی ویا D2، قطر ویا پد D1، ضخامت برد PCB T و ثابت دی الکتریک بستر تخته ε است، اندازه ظرفیت انگلی via تقریباً است: C=1.41εTD1/(D2-D1) ظرفیت انگلی via باعث طولانی شدن زمان افزایش سیگنال و کاهش سرعت مدار مدار می شود. به عنوان مثال، برای PCB با ضخامت 50Mil، اگر از یک via با قطر داخلی 10Mil و قطر پد 20Mil استفاده شود و فاصله بین لنت و سطح مسی 32Mil باشد، می‌توانیم via را تقریب بزنیم. با استفاده از فرمول فوق، ظرفیت انگلی تقریباً برابر است با: C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032-0.020)=0.517pF، تغییر زمان افزایش ناشی از این بخش از ظرفیت عبارت است از: T10-90=2.2C (Z0) /2)=2.2 x0.517x(55/2)=31.28ps. از این مقادیر می توان دریافت که اگرچه اثر تاخیر افزایش ناشی از ظرفیت انگلی یک ویا مشخص نیست، اگر از via چندین بار در ردیابی برای جابجایی بین لایه ها استفاده شود، طراح همچنان باید در نظر داشته باشد. با دقت.

سوم، اندوکتانس انگلی از طریق

به طور مشابه، اندوکتانس های انگلی همراه با ظرفیت انگلی vias وجود دارد. در طراحی مدارهای دیجیتال پرسرعت، آسیب ناشی از اندوکتانس انگلی vias اغلب بیشتر از تاثیر ظرفیت انگلی است. سلف سری انگلی آن باعث تضعیف سهم خازن بای پس و تضعیف اثر فیلتر کل سیستم قدرت می شود. ما به سادگی می توانیم اندوکتانس انگلی تقریبی a via را با فرمول زیر محاسبه کنیم: L=5.08h[ln(4h/d)+1] که در آن L به اندوکتانس via اشاره دارد، h طول via است و d مرکز قطر سوراخ است. از فرمول می توان دریافت که قطر via تأثیر کمی بر اندوکتانس دارد و طول via بیشترین تأثیر را بر روی اندوکتانس دارد. هنوز هم با استفاده از مثال بالا، اندوکتانس via را می توان به صورت زیر محاسبه کرد: L=5.08×0.050 [ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH. اگر زمان افزایش سیگنال 1 ثانیه باشد، امپدانس معادل آن عبارت است از: XL=πL/T10-90=3.19Ω. هنگامی که جریان های فرکانس بالا عبور می کنند، دیگر نمی توان چنین امپدانسی را نادیده گرفت. باید توجه ویژه ای به این نکته داشت که خازن بای پس هنگام اتصال صفحه قدرت و صفحه زمین نیاز به عبور از دو ویز دارد تا اندوکتانس انگلی ویاس ها به صورت تصاعدی افزایش یابد.

چهارم، از طریق طراحی در PCB با سرعت بالا

از طریق تجزیه و تحلیل فوق از ویژگی‌های انگلی vias، می‌توانیم ببینیم که در طراحی مدار چاپی پرسرعت، via‌های به ظاهر ساده اغلب اثرات منفی زیادی بر طراحی مدار می‌آورند. به منظور کاهش اثرات نامطلوب ناشی از اثرات انگلی vias می توان موارد زیر را در طراحی انجام داد:

1. از دیدگاه هزینه و کیفیت سیگنال، یک اندازه معقول را انتخاب کنید. به عنوان مثال، برای طراحی PCB ماژول حافظه 6-10 لایه، بهتر است از vias 10/20Mil (دریل/پد) استفاده کنید. برای برخی از تخته های سایز کوچک با چگالی بالا، می توانید از 8/18Mil نیز استفاده کنید. سوراخ در شرایط فنی کنونی، استفاده از ویوهای کوچکتر دشوار است. برای اتصالات برق یا زمین، می توانید از اندازه بزرگتر برای کاهش امپدانس استفاده کنید.

2. از دو فرمول مورد بحث در بالا می توان نتیجه گرفت که استفاده از PCB نازکتر برای کاهش دو پارامتر انگلی via مفید است.

3. سعی کنید لایه های رد سیگنال روی برد PCB را تغییر ندهید، یعنی سعی کنید از vias های غیر ضروری استفاده نکنید.

4. پایه های پاور و زمین باید در نزدیکی سوراخ شوند و سرب بین via و پین باید تا حد امکان کوتاه باشد، زیرا باعث افزایش اندوکتانس می شوند. در عین حال، سیم برق و زمین باید تا حد امکان ضخیم باشند تا امپدانس کاهش یابد.

5. تعدادی گذرگاه متصل به زمین را در نزدیکی دریچه های لایه سیگنال قرار دهید تا نزدیکترین حلقه برای سیگنال فراهم شود. حتی امکان قرار دادن تعداد زیادی ویای زمین اضافی روی برد PCB وجود دارد. البته، طراحی باید انعطاف پذیر باشد. مدل via که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، موردی است که روی هر لایه پدهایی وجود دارد. گاهی اوقات می‌توانیم لنت‌های برخی از لایه‌ها را کم یا حتی حذف کنیم. به خصوص هنگامی که تراکم vias بسیار زیاد است، ممکن است منجر به تشکیل یک شیار شکسته شود که حلقه را در لایه مسی جدا می کند. برای حل این مشکل می توان علاوه بر جابجایی موقعیت via، قرار دادن via را روی لایه مسی نیز در نظر گرفت. اندازه پد کاهش می یابد.