Yksi. Vian peruskäsite

Via on yksi tärkeimmistä osista monikerroksinen piirilevy, ja porauskustannukset muodostavat yleensä 30–40 prosenttia piirilevyjen valmistuskustannuksista. Yksinkertaisesti sanottuna jokaista piirilevyn reikää voidaan kutsua läpivienniksi.

Toiminnan kannalta läpivientiaukot voidaan jakaa kahteen luokkaan: toista käytetään kerrosten välisiin sähköliitäntöihin; toista käytetään laitteiden kiinnittämiseen tai sijoittamiseen.

Prosessin suhteen nämä läpivientiaukot jaetaan yleensä kolmeen luokkaan, nimittäin sokeisiin läpivienteihin, haudattuihin läpivienteihin ja läpivienteihin. Sokeat reiät sijaitsevat piirilevyn ylä- ja alapinnalla ja niillä on tietty syvyys. Niitä käytetään pintalinjan ja alla olevan sisälinjan yhdistämiseen. Reiän syvyys ei yleensä ylitä tiettyä suhdetta (aukko). Hautautumalla reiällä tarkoitetaan piirilevyn sisäkerroksessa sijaitsevaa liitäntäreikää, joka ei ulotu piirilevyn pintaan. Edellä mainitut kahden tyyppiset reiät sijaitsevat piirilevyn sisäkerroksessa, ja ne täydennetään läpimenevällä reiän muodostusprosessilla ennen laminointia, ja useita sisäkerroksia voi olla päällekkäin läpiviennin muodostuksen aikana. Kolmatta tyyppiä kutsutaan läpimeneväksi rei’iksi, joka tunkeutuu koko piirilevyn läpi ja jota voidaan käyttää sisäiseen yhteenliittämiseen tai komponenttien asennuksen asennusreikään. Koska läpivientireikä on helpompi toteuttaa prosessissa ja kustannukset ovat alhaisemmat, useimmat painetut piirilevyt käyttävät sitä kahden muun tyyppisten läpivientireikien sijaan. Seuraavia läpivientireikiä pidetään läpivientireikinä, ellei toisin mainita.

Suunnittelun näkökulmasta läpivienti koostuu pääasiassa kahdesta osasta, joista toinen on porausreikä keskellä ja toinen on porausreiän ympärillä oleva tyynyalue. Näiden kahden osan koko määrittää läpiviennin koon. On selvää, että nopeiden ja tiheiden piirilevyjen suunnittelussa suunnittelijat toivovat aina, että mitä pienempi läpivientireikä on, sitä parempi, jotta levylle voidaan jättää enemmän johdotustilaa. Lisäksi mitä pienempi läpivientireikä on, sen loiskapasitanssi on oma. Mitä pienempi se on, sitä paremmin se sopii nopeille piireille. Reiän koon pienentäminen aiheuttaa kuitenkin myös kustannusten nousun, eikä läpiviennin kokoa voi pienentää loputtomiin. Sitä rajoittavat prosessitekniikat, kuten poraus ja pinnoitus: mitä pienempi reikä, sitä poraa Mitä kauemmin reikä kestää, sitä helpompi on poiketa keskiasennosta; ja kun reiän syvyys ylittää 6 kertaa poratun reiän halkaisijan, ei voida taata, että reiän seinämä voidaan pinnoittaa tasaisesti kuparilla. Esimerkiksi normaalin 6-kerroksisen piirilevyn paksuus (reiän syvyys) on noin 50 Miliä, joten piirilevyjen valmistajien vähimmäisporauksen halkaisija voi olla vain 8 miljoonaa.

Toiseksi läpiviennin loiskapasitanssi

Itse läpiviennillä on loiskapasitanssi maahan. Jos tiedetään, että läpiviennin maakerroksen eristysreiän halkaisija on D2, läpivientityynyn halkaisija on D1, piirilevyn paksuus on T ja levysubstraatin dielektrisyysvakio on ε, läpiviennin parasiittikapasitanssin koko on noin: C=1.41εTD1/(D2-D1) Läpiviennin loiskapasitanssi saa piirin pidentämään signaalin nousuaikaa ja vähentämään piirin nopeutta. Esimerkiksi PCB:lle, jonka paksuus on 50 Miliä, jos käytetään läpivientiä, jonka sisähalkaisija on 10 Mil ja tyynyn halkaisija 20 Mil, ja tyynyn ja jauhetun kuparialueen välinen etäisyys on 32 Mil, voimme arvioida läpiviennin käyttämällä yllä olevaa kaavaa loiskapasitanssi on suunnilleen: C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032-0.020)=0.517 pF, kapasitanssin tämän osan aiheuttama nousuajan muutos on: T10-90=2.2C(Z0 /2) = 2.2 x 0.517 x (55/2) = 31.28 ps. Näistä arvoista voidaan nähdä, että vaikka yksittäisen läpiviennin loiskapasitanssin aiheuttaman nousuviiveen vaikutus ei ole ilmeinen, jos läpivientiä käytetään useita kertoja jäljessä kerrosten välillä vaihtamiseen, suunnittelijan tulee silti harkita huolellisesti.

Kolmanneksi läpiviennin parasiittisen induktanssin

Samoin läpivientien loiskapasitanssin ohella on loisinduktansseja. Nopeiden digitaalisten piirien suunnittelussa läpivientien parasiittisen induktanssin aiheuttama haitta on usein suurempi kuin parasiittisen kapasitanssin vaikutus. Sen loissarjainduktanssi heikentää ohituskondensaattorin panosta ja heikentää koko tehojärjestelmän suodatusvaikutusta. Voimme yksinkertaisesti laskea läpiviennin likimääräisen loisen induktanssin seuraavalla kaavalla: L=5.08h[ln(4h/d)+1] missä L viittaa läpiviennin induktanssiin, h on läpiviennin pituus ja d on keskipiste Reiän halkaisija. Kaavasta voidaan nähdä, että läpiviennin halkaisijalla on pieni vaikutus induktanssiin ja läpiviennin pituudella on suurin vaikutus induktanssiin. Edelleen käyttämällä yllä olevaa esimerkkiä, läpiviennin induktanssi voidaan laskea seuraavasti: L=5.08×0.050 [ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015 nH. Jos signaalin nousuaika on 1ns, niin sen ekvivalenttiimpedanssi on: XL=πL/T10-90=3.19Ω. Tällaista impedanssia ei voida enää jättää huomiotta, kun suurtaajuiset virrat kulkevat ohi. Erityistä huomiota tulee kiinnittää siihen, että ohituskondensaattorin täytyy kulkea kahden läpiviennin läpi kytkettäessä tehotaso ja maataso, jotta läpivientien parasiittisen induktanssi kasvaa eksponentiaalisesti.

Neljänneksi suunnittelun kautta nopeassa piirilevyssä

Yllä olevan läpivientien parasiittisten ominaisuuksien analyysin avulla voimme nähdä, että nopeassa piirilevysuunnittelussa näennäisesti yksinkertaiset viat tuovat usein suuria negatiivisia vaikutuksia piirisuunnitteluun. Vian loisvaikutusten aiheuttamien haitallisten vaikutusten vähentämiseksi suunnittelussa voidaan tehdä seuraavaa:

1. Valitse kustannusten ja signaalin laadun kannalta kohtuullinen koko. Esimerkiksi 6-10-kerroksisen muistimoduulin piirilevyn suunnittelussa on parempi käyttää 10/20Mil (porattuja/tyyny) läpivientejä. Joillekin suuritiheyksisille pienikokoisille levyille voit myös yrittää käyttää 8/18Mil. reikä. Nykyisissä teknisissä olosuhteissa pienempien läpivientien käyttö on vaikeaa. Teho- tai maaläpivientiä varten voit harkita suuremman koon käyttöä impedanssin vähentämiseksi.

2. Edellä käsitellyt kaksi kaavaa voidaan päätellä, että ohuemman PCB:n käyttö on omiaan vähentämään läpiviennin kahta loisparametria.

3. Yritä olla muuttamatta piirilevyn signaalijälkien kerroksia, eli älä käytä tarpeettomia läpivientejä.

4. Teho- ja maadoitusnastat tulee porata lähelle ja läpiviennin ja nastan välisen johdon tulee olla mahdollisimman lyhyt, koska ne lisäävät induktanssia. Samanaikaisesti teho- ja maajohtojen tulee olla mahdollisimman paksuja impedanssin vähentämiseksi.

5. Aseta maadoitettuja läpivientejä lähelle signaalikerroksen läpivientiä, jotta signaalille saadaan lähin silmukka. On jopa mahdollista sijoittaa suuri määrä redundantteja maadoitusläpivientejä piirilevylle. Suunnittelun on tietysti oltava joustava. Aiemmin käsitelty via-malli on tapaus, jossa jokaisessa kerroksessa on tyynyt. Joskus voimme pienentää tai jopa poistaa joidenkin kerrosten tyynyjä. Varsinkin kun läpivientien tiheys on erittäin korkea, se voi johtaa murtouran muodostumiseen, joka erottaa silmukan kuparikerroksessa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi voidaan läpiviennin sijainnin siirtämisen lisäksi harkita läpiviennin sijoittamista kuparikerroksen päälle. Pehmusteen kokoa pienennetään.