Een. Het basisconcept van vias

Via is een van de belangrijke componenten van meerlagige printplaat, en de kosten van boren zijn gewoonlijk goed voor 30% tot 40% van de fabricagekosten van PCB’s. Simpel gezegd, elk gat op de print kan een via worden genoemd.

Vanuit het oogpunt van functie kunnen via’s worden onderverdeeld in twee categorieën: de ene wordt gebruikt voor elektrische verbindingen tussen lagen; de andere wordt gebruikt voor het bevestigen of positioneren van apparaten.

Qua proces zijn deze via’s over het algemeen onderverdeeld in drie categorieën, namelijk blinde via’s, begraven via’s en doorgaande via’s. Blinde gaten bevinden zich aan de boven- en onderkant van de printplaat en hebben een bepaalde diepte. Ze worden gebruikt om de oppervlaktelijn en de onderliggende binnenlijn te verbinden. De diepte van het gat overschrijdt meestal een bepaalde verhouding (diafragma) niet. Begraven gat verwijst naar het verbindingsgat in de binnenste laag van de printplaat, die zich niet uitstrekt tot het oppervlak van de printplaat. De bovengenoemde twee soorten gaten bevinden zich in de binnenste laag van de printplaat en worden voltooid door een doorgaand gatvormingsproces vóór het lamineren, en verschillende binnenlagen kunnen elkaar overlappen tijdens de vorming van de via. Het derde type wordt een doorgaand gat genoemd, dat door de hele printplaat dringt en kan worden gebruikt voor interne doorverbinding of als positioneringsgat voor de montage van componenten. Omdat het doorgaande gat gemakkelijker te implementeren is in het proces en de kosten lager zijn, gebruiken de meeste printplaten het in plaats van de andere twee soorten doorgaande gaten. De volgende via-gaten worden, tenzij anders aangegeven, beschouwd als via-gaten.

Vanuit een ontwerpoogpunt bestaat een via hoofdzakelijk uit twee delen, het ene is het boorgat in het midden en het andere is het kussengebied rond het boorgat. De grootte van deze twee delen bepaalt de grootte van de via. Het is duidelijk dat ontwerpers bij high-speed PCB-ontwerp met hoge dichtheid altijd hopen dat hoe kleiner het via-gat is, hoe beter, zodat er meer bedradingsruimte op het bord kan worden gelaten. Bovendien, hoe kleiner het via-gat, hoe groter de eigen parasitaire capaciteit. Hoe kleiner het is, hoe geschikter het is voor snelle circuits. De verkleining van de gatafmeting brengt echter ook een toename van de kosten met zich mee, en de afmeting van de doorgang kan niet oneindig worden verkleind. Het wordt beperkt door procestechnologieën zoals boren en plateren: hoe kleiner het gat, de boor Hoe langer het gat duurt, hoe gemakkelijker het is om van de middenpositie af te wijken; en wanneer de diepte van het gat 6 keer de diameter van het geboorde gat overschrijdt, kan niet worden gegarandeerd dat de gatwand uniform kan worden geplateerd met koper. De dikte (doorgaande gatdiepte) van een normale 6-laags printplaat is bijvoorbeeld ongeveer 50Mil, dus de minimale boordiameter die PCB-fabrikanten kunnen bieden, kan slechts 8Mil bereiken.

Ten tweede, de parasitaire capaciteit van de via

De via zelf heeft een parasitaire capaciteit naar aarde. Als het bekend is dat de diameter van het isolatiegat op de grondlaag van de via D2 is, is de diameter van het via-pad D1, is de dikte van de printplaat T en is de diëlektrische constante van het bordsubstraat ε, de grootte van de parasitaire capaciteit van de via is ongeveer: C=1.41εTD1/(D2-D1) De parasitaire capaciteit van de via zal ervoor zorgen dat het circuit de stijgtijd van het signaal verlengt en de snelheid van het circuit verlaagt. Bijvoorbeeld, voor een PCB met een dikte van 50Mil, als een via met een binnendiameter van 10Mil en een paddiameter van 20Mil wordt gebruikt, en de afstand tussen de pad en het geaarde koperen gebied is 32Mil, dan kunnen we de via benaderen met behulp van de bovenstaande formule De parasitaire capaciteit is ruwweg: C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032-0.020)=0.517pF, de stijgtijdverandering veroorzaakt door dit deel van de capaciteit is: T10-90=2.2C(Z0 /2)=2.2 x0.517x(55/2)=31.28ps. Uit deze waarden blijkt dat hoewel het effect van de stijgvertraging veroorzaakt door de parasitaire capaciteit van een enkele via niet duidelijk is, de ontwerper toch moet overwegen als de via meerdere keren in het spoor wordt gebruikt om tussen lagen te schakelen voorzichtig.

Ten derde, de parasitaire inductantie van de via

Evenzo zijn er parasitaire inductanties samen met de parasitaire capaciteit van de via’s. Bij het ontwerp van snelle digitale circuits is de schade veroorzaakt door de parasitaire inductantie van de via’s vaak groter dan de impact van de parasitaire capaciteit. De parasitaire serie-inductantie zal de bijdrage van de bypass-condensator verzwakken en het filtereffect van het gehele voedingssysteem verzwakken. We kunnen eenvoudig de geschatte parasitaire inductantie van een via berekenen met de volgende formule: L=5.08h[ln(4h/d)+1] waarbij L verwijst naar de inductantie van de via, h is de lengte van de via, en d is het centrum De diameter van het gat. Uit de formule blijkt dat de diameter van de via een kleine invloed heeft op de inductantie en dat de lengte van de via de grootste invloed heeft op de inductantie. Nog steeds met het bovenstaande voorbeeld, kan de inductantie van de via worden berekend als: L=5.08×0.050 [ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH. Als de stijgtijd van het signaal 1ns is, dan is de equivalente impedantie: XL=πL/T10-90=3.19Ω. Een dergelijke impedantie kan niet langer worden genegeerd wanneer hoogfrequente stromen passeren. Speciale aandacht moet worden besteed aan het feit dat de bypass-condensator door twee via’s moet gaan bij het verbinden van het vermogensvlak en het grondvlak, zodat de parasitaire inductantie van de via’s exponentieel zal toenemen.

Ten vierde, via ontwerp in high-speed PCB

Door de bovenstaande analyse van de parasitaire kenmerken van via’s, kunnen we zien dat in high-speed PCB-ontwerp schijnbaar eenvoudige via’s vaak grote negatieve effecten hebben op het circuitontwerp. Om de nadelige effecten veroorzaakt door de parasitaire effecten van de via’s te verminderen, kan in het ontwerp het volgende worden gedaan:

1. Kies vanuit het oogpunt van kosten en signaalkwaliteit een redelijk formaat via. Voor het PCB-ontwerp van de 6-10-laags geheugenmodule is het bijvoorbeeld beter om 10/20Mil (geboorde/pad) via’s te gebruiken. Voor sommige kleine boards met een hoge dichtheid kun je ook proberen 8/18Mil te gebruiken. gat. Onder de huidige technische omstandigheden is het moeilijk om kleinere via’s te gebruiken. Voor stroom- of aardvia’s kunt u overwegen een groter formaat te gebruiken om de impedantie te verminderen.

2. Uit de twee hierboven besproken formules kan worden geconcludeerd dat het gebruik van een dunnere PCB bevorderlijk is voor het verminderen van de twee parasitaire parameters van de via.

3. Probeer de lagen van de signaalsporen op de printplaat niet te veranderen, dat wil zeggen, probeer geen onnodige via’s te gebruiken.

4. De voedings- en aardingspennen moeten in de buurt worden geboord en de leiding tussen de via en de pen moet zo kort mogelijk zijn, omdat ze de inductantie verhogen. Tegelijkertijd moeten de voedings- en aardingskabels zo dik mogelijk zijn om de impedantie te verminderen.

5. Plaats enkele geaarde via’s in de buurt van de via’s van de signaallaag om de dichtstbijzijnde lus voor het signaal te krijgen. Het is zelfs mogelijk om een ​​groot aantal redundante massa via’s op de printplaat te plaatsen. Natuurlijk moet het ontwerp flexibel zijn. Het eerder besproken via-model is het geval waarbij er pads op elke laag zijn. Soms kunnen we de kussentjes van sommige lagen verminderen of zelfs verwijderen. Vooral wanneer de dichtheid van via’s erg hoog is, kan dit leiden tot de vorming van een breukgroef die de lus in de koperlaag scheidt. Om dit probleem op te lossen, kunnen we naast het verplaatsen van de positie van de via ook overwegen om de via op de koperlaag te plaatsen. De padgrootte is verkleind.