یک مفهوم اصلی سوراخ کردن

از طریق سوراخ (VIA) بخش مهمی از چند لایه PCB، و هزینه سوراخکاری معمولاً 30 تا 40 درصد هزینه ساخت تخته PCB را شامل می شود. به زبان ساده ، هر سوراخ روی PCB را می توان سوراخ عبور نامید. از نظر عملکرد ، سوراخ را می توان به دو دسته تقسیم کرد: یکی برای اتصال الکتریکی بین لایه ها استفاده می شود. دیگری برای تثبیت یا موقعیت یابی دستگاه استفاده می شود. از نظر فرآیند ، این سوراخ ها به طور کلی به سه دسته تقسیم می شوند ، یعنی از طریق کور ، از طریق و از طریق دفن. سوراخ های کور در سطوح بالا و پایین برد مدار چاپی قرار دارند و عمق مشخصی برای اتصال مدار سطحی به مدار داخلی زیر دارند. عمق سوراخ ها معمولاً از نسبت معینی (دیافراگم) تجاوز نمی کند. سوراخ های مدفون حفره های اتصال در لایه داخلی برد مدار چاپی هستند که تا سطح برد مدار چاپی امتداد نمی یابد. دو نوع سوراخ در لایه داخلی تخته مدار قرار دارد که با فرایند قالب گیری از طریق حفره قبل از لمینت تکمیل می شود و ممکن است چندین لایه داخلی در حین تشکیل حفره همپوشانی داشته باشند. نوع سوم که از طریق حفره ها نامیده می شود ، در تمام برد مدار عبور می کند و می تواند برای اتصالات داخلی یا به عنوان محل نصب و تعیین سوراخ قطعات استفاده شود. از آنجا که اجرای سوراخ در این فرآیند آسان تر است ، هزینه آن کمتر است ، بنابراین بیشتر تخته های مدار چاپی به جای دو نوع دیگر از سوراخ از آن استفاده می کنند. موارد زیر از طریق سوراخ ها ، بدون توضیح خاصی ، باید از طریق سوراخ ها در نظر گرفته شود.

PCB از طریق سوراخ مفهوم اساسی و از طریق سوراخ معرفی روش

از نقطه نظر طراحی، یک سوراخ عبوری 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 سوراخ را تعیین می کند. بدیهی است ، در طراحی PCB با سرعت بالا و چگالی بالا ، طراح همیشه می خواهد سوراخ را تا حد ممکن کوچک کند ، این نمونه می تواند فضای بیشتری برای سیم کشی باقی بگذارد ، علاوه بر این ، هرچه سوراخ کوچکتر باشد ، ظرفیت انگلی خود کوچکتر است ، بیشتر مناسب برای مدارهای با سرعت بالا اما کاهش اندازه سوراخ در همان زمان باعث افزایش هزینه می شود و اندازه سوراخ را نمی توان بدون محدودیت کاهش داد ، با حفاری (مته) و آبکاری (آبکاری) و سایر فناوری ها محدود می شود: هرچه سوراخ کوچکتر باشد ، زمان بیشتری برای سوراخ کردن طول می کشد، انحراف از موقعیت مرکزی آسان تر است. هنگامی که عمق سوراخ بیش از 6 برابر قطر سوراخ باشد ، نمی توان روکش مس یکنواخت دیوار حفره را تضمین کرد. به عنوان مثال، اگر ضخامت (عمق سوراخ) یک برد PCB 6 لایه معمولی 50Mil باشد، حداقل قطر سوراخی که تولیدکنندگان PCB می توانند ارائه دهند 8Mil است. با توسعه فناوری حفاری لیزری ، اندازه حفاری نیز می تواند کوچکتر و کوچکتر باشد. به طور کلی، قطر سوراخ کمتر یا مساوی 6 Mils است، ما آن را سوراخ میکرو می نامیم. میکروچاله ها اغلب در طراحی HDI (ساختار اتصال با چگالی بالا) استفاده می شوند. فناوری Microhole به سوراخ اجازه می دهد تا مستقیماً بر روی پد (VIA-in-pad) زده شود که عملکرد مدار را تا حد زیادی بهبود می بخشد و فضای سیم کشی را ذخیره می کند.

سوراخ عبوری در خط انتقال نقطه شکست ناپیوستگی امپدانس است که باعث انعکاس سیگنال می شود. به طور کلی، امپدانس معادل سوراخ عبوری حدود 12٪ کمتر از خط انتقال است. به عنوان مثال، امپدانس خط انتقال 50 اهم هنگام عبور از سوراخ عبوری به میزان 6 اهم کاهش می یابد (این ویژگی به اندازه سوراخ عبوری و ضخامت صفحه نیز مربوط می شود، اما کاهش مطلق نیست). با این حال، انعکاس ناشی از ناپیوستگی امپدانس از طریق سوراخ در واقع بسیار کوچک است و ضریب بازتاب آن فقط :(44-50)/(44+50) =0.06 است. مشکلات ناشی از حفره بیشتر بر روی تاثیر خازن و سلف القایی متمرکز است.

ظرفیت انگلی و اندوکتانس از طریق سوراخ

ظرفیت سرگردان انگلی در خود سوراخ وجود دارد. اگر قطر ناحیه مقاومت جوشکاری سوراخ روی لایه تخمگذار D2 باشد، قطر لنت جوش D1، ضخامت برد PCB T و ثابت دی الکتریک زیرلایه ε باشد، ظرفیت انگلی سوراخ تقریباً C=1.41εTD1/ (D2-D1) است.

اثر اصلی خازن انگلی بر روی مدار ، طولانی شدن زمان افزایش سیگنال و کاهش سرعت مدار است. به عنوان مثال، برای یک برد PCB با ضخامت 50Mil، اگر قطر پد سوراخ 20Mil (قطر گمانه 10Mils) و قطر بلوک لحیم کاری 40Mil باشد، می توانیم ظرفیت انگلی را تقریبی کنیم. سوراخ از طریق فرمول بالا: C=1.41×4.4×0.050×0.020/ (0.040-0.020) = 0.31pF تغییر زمان افزایش ناشی از ظرفیت تقریباً به شرح زیر است: T10-90= 2.2c (Z0/2) =2.2×0.31x (50/2) =17.05ps از این مقادیر، می توان دریافت که اگرچه اثر افزایش تاخیر و کندی ناشی از ظرفیت انگلی یک گذرگاه منفرد سوراخ خیلی واضح نیست، اگر سوراخ عبوری برای جابجایی بین لایه ها برای چندین بار استفاده شود، از سوراخ های متعدد استفاده می شود. در طراحی خود دقت کنید. در طراحی عملی، ظرفیت خازن انگلی را می توان با افزایش فاصله بین سوراخ و منطقه مسی (ضد پد) یا با کاهش قطر لنت کاهش داد. در طراحی مدارهای دیجیتال پرسرعت، اندوکتانس انگلی سوراخ عبوری مضرتر از ظرفیت خازن انگلی است. القاء سری انگلی آن سهم خازن بای پس را تضعیف کرده و اثر فیلترینگ کل سیستم قدرت را کاهش می دهد. ما به سادگی می‌توانیم اندوکتانس انگلی یک تقریب از طریق سوراخ را با استفاده از فرمول تجربی زیر محاسبه کنیم: L=5.08h [ln (4h/d) +1]

در جایی که L به اندوکتانس سوراخ اشاره دارد، H طول سوراخ و D قطر سوراخ مرکزی است. از معادله می توان دریافت که قطر سوراخ تأثیر کمی بر استقراض دارد ، در حالی که طول سوراخ بیشترین تأثیر را بر استقراء دارد. هنوز هم با استفاده از مثال بالا، اندوکتانس خارج از سوراخ را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

L = 5.08 × 0.050 [ln (4 0.050 0.010/1) +1.015] = 1nh اگر زمان افزایش سیگنال 10ns باشد ، اندازه امپدانس معادل آن: XL = πL/T90-3.19 = XNUMX ω است. این امپدانس را در صورت وجود جریان فرکانس بالا نمی توان نادیده گرفت. به طور خاص ، خازن بای پس باید از دو سوراخ عبور کند تا لایه تغذیه را به سازند وصل کند ، بنابراین سلف انگلی سوراخ را دوچندان می کند.

سه، نحوه استفاده از سوراخ

از طریق تجزیه و تحلیل فوق از ویژگی های انگلی سوراخ های عبوری، می توانیم ببینیم که در طراحی PCB با سرعت بالا، سوراخ های به ظاهر ساده اغلب اثرات منفی زیادی بر طراحی مدار می آورند. به منظور کاهش اثرات منفی اثر انگلی حفره ، می توانیم موارد زیر را در طراحی انجام دهیم:

1. با توجه به هزینه و کیفیت سیگنال، اندازه سوراخ مناسب انتخاب می شود. در صورت لزوم، استفاده از سوراخ ها با اندازه های مختلف را در نظر بگیرید. به عنوان مثال، برای کابل های برق یا زمین، از اندازه های بزرگتر برای کاهش امپدانس استفاده کنید و برای سیم کشی سیگنال، از سوراخ های کوچکتر استفاده کنید. البته با کاهش اندازه سوراخ، هزینه مربوطه افزایش خواهد یافت.

2. دو فرمول مورد بحث در بالا نشان می دهد که استفاده از صفحات نازک PCB به کاهش دو پارامتر انگلی سوراخ ها کمک می کند.

3. سیم کشی سیگنال روی برد PCB تا حد امکان لایه ها را تغییر ندهید، یعنی تا حد امکان از سوراخ های غیر ضروری استفاده نکنید.

4. پایه های منبع تغذیه و زمین باید در نزدیکترین سوراخ سوراخ شوند و سرب بین سوراخ و پین ها باید تا حد امکان کوتاه باشد. برای کاهش اندوکتانس معادل، می توان چندین سوراخ عبوری را به صورت موازی در نظر گرفت.

5. برخی از حفره های زمین در نزدیکی سوراخ های لایه بندی سیگنال قرار می گیرند تا نزدیک ترین حلقه را برای سیگنال فراهم کنند. حتی می توانید تعداد زیادی حفره اضافی روی PCB قرار دهید. البته ، شما باید در طراحی خود انعطاف پذیر باشید. مدل حفره ای که در بالا مورد بحث قرار گرفت ، وضعیتی است که در هر لایه پد وجود دارد. گاهی اوقات ، می توانیم پدها را در برخی لایه ها کاهش داده یا حتی حذف کنیم. به خصوص در مورد چگالی سوراخ بسیار زیاد است ، ممکن است منجر به تشکیل شیار مدار قطع شده در لایه مس شود ، برای حل چنین مشکلی علاوه بر جابجایی محل سوراخ ، می توانیم سوراخ را نیز در نظر بگیریم در لایه مس برای کاهش اندازه پد.

6. برای بردهای مدار چاپی پرسرعت با چگالی بالاتر، می توان سوراخ های میکرو را در نظر گرفت.