In высокоскоростная печатная плата HDI design, via design is an important factor. It consists of a hole, a pad area around the hole, and an isolation area of ​​the POWER layer, which are usually divided into three types: blind holes, buried holes and through holes. In the PCB design process, through the analysis of the parasitic capacitance and parasitic inductance of the vias, some precautions in the design of high-speed PCB vias are summarized.

At present, high-speed PCB design is widely used in communications, computers, graphics and image processing and other fields. All high-tech value-added electronic product designs are pursuing features such as low power consumption, low electromagnetic radiation, high reliability, miniaturization, and light weight. In order to achieve the above goals, via design is an important factor in high-speed PCB design.

1. Через
Via is an important factor in multi-layer PCB design. A via is mainly composed of three parts, one is the hole; the other is the pad area around the hole; and the third is the isolation area of ​​the POWER layer. The process of the via hole is to plate a layer of metal on the cylindrical surface of the hole wall of the via hole by chemical deposition to connect the copper foil that needs to be connected to the middle layers, and the upper and lower sides of the via hole are made into ordinary pads The shape can be directly connected with the lines on the upper and lower sides, or not connected. Vias can play the role of electrical connection, fixing or positioning devices.

Переходные отверстия обычно делятся на три категории: глухие, заглубленные и сквозные.

Глухие отверстия расположены на верхней и нижней поверхностях печатной платы и имеют определенную глубину. Они используются, чтобы соединить линию поверхности и нижележащую внутреннюю линию. Глубина отверстия и диаметр отверстия обычно не превышают определенного соотношения.

Под скрытым отверстием понимается соединительное отверстие, расположенное во внутреннем слое печатной платы, которое не распространяется на поверхность печатной платы.

Blind vias and buried vias are both located in the inner layer of the circuit board, which is completed by a through-hole forming process before lamination, and several inner layers may be overlapped during the formation of vias.

Сквозные отверстия, которые проходят через всю печатную плату, могут использоваться для внутреннего соединения или в качестве установочного отверстия для установки компонента. Поскольку сквозные отверстия легче реализовать в процессе и дешевле, обычно в печатных платах используются сквозные отверстия.

2. Паразитная емкость переходных отверстий.
The via itself has parasitic capacitance to ground. If the diameter of the isolation hole on the ground layer of the via is D2, the diameter of the via pad is D1, the thickness of the PCB is T, and the dielectric constant of the board substrate is ε, then The parasitic capacitance of the via is similar to:

С = 1.41 εTD1 / (D2-D1)

The main effect of the parasitic capacitance of the via hole on the circuit is to extend the rise time of the signal and reduce the speed of the circuit. The smaller the capacitance value, the smaller the effect.

3. Parasitic inductance of vias
Само переходное отверстие имеет паразитную индуктивность. При проектировании высокоскоростных цифровых схем вред, причиняемый паразитной индуктивностью переходного отверстия, часто больше, чем влияние паразитной емкости. Паразитная последовательная индуктивность переходного отверстия ослабит функцию байпасного конденсатора и ослабит фильтрующий эффект всей энергосистемы. Если L относится к индуктивности переходного отверстия, h – длина переходного отверстия, а d – диаметр центрального отверстия, паразитная индуктивность переходного отверстия аналогична:

L = 5.08 ч ln (4 ч / сут) 1］

It can be seen from the formula that the diameter of the via has a small influence on the inductance, and the length of the via has the greatest influence on the inductance.

4. Non-through via technology
Non-through vias include blind vias and buried vias.

В технологии непроходных переходных отверстий применение глухих и скрытых переходных отверстий может значительно уменьшить размер и качество печатной платы, уменьшить количество слоев, улучшить электромагнитную совместимость, улучшить характеристики электронных продуктов, снизить затраты, а также сделать Дизайн работы более простой и быстрый. При традиционном проектировании и обработке печатных плат сквозные отверстия могут вызвать множество проблем. Во-первых, они занимают большой объем полезного пространства, а во-вторых, большое количество сквозных отверстий плотно упаковано в одном месте, что также создает огромное препятствие для разводки внутреннего слоя многослойной печатной платы. Эти сквозные отверстия занимают место, необходимое для проводки, и они интенсивно проходят через источник питания и землю. Поверхность слоя провода также нарушит характеристики импеданса слоя провода заземления питания и сделает слой провода заземления неэффективным. А традиционный механический метод бурения будет в 20 раз превышать рабочую нагрузку технологии сквозных отверстий.

В конструкции печатной платы, хотя размер контактных площадок и переходных отверстий постепенно уменьшался, если толщина слоя платы не уменьшается пропорционально, соотношение сторон сквозного отверстия увеличится, а увеличение соотношения сторон сквозного отверстия уменьшится. надежность. С развитием передовых технологий лазерного сверления и плазменного сухого травления стало возможным применять непроникающие небольшие глухие отверстия и небольшие заглубленные отверстия. Если диаметр этих непроникающих переходных отверстий составляет 0.3 мм, паразитные параметры будут составлять примерно 1/10 от исходного стандартного отверстия, что повышает надежность печатной платы.

Due to the non-through via technology, there are few large vias on the PCB, which can provide more space for traces. The remaining space can be used for large-area shielding purposes to improve EMI/RFI performance. At the same time, more remaining space can also be used for the inner layer to partially shield the device and key network cables, so that it has the best electrical performance. The use of non-through vias makes it easier to fan out the device pins, making it easy to route high-density pin devices (such as BGA packaged devices), shortening the wiring length, and meeting the timing requirements of high-speed circuits.

5. Via selection in ordinary PCB
В обычной конструкции печатной платы паразитная емкость и паразитная индуктивность переходного отверстия мало влияют на конструкцию печатной платы. Для 1-4-слойной конструкции печатной платы 0.36 мм / 0.61 мм / 1.02 мм (обычно выбирается просверленное отверстие / контактная площадка / зона изоляции POWER)) переходные отверстия лучше. Для сигнальных линий с особыми требованиями (таких как линии питания, линии заземления, линии синхронизации и т. Д.) Можно использовать переходные отверстия 0.41 мм / 0.81 мм / 1.32 мм, или переходные отверстия других размеров могут быть выбраны в соответствии с реальной ситуацией.

6. Через дизайн в высокоскоростной печатной плате
Through the above analysis of the parasitic characteristics of vias, we can see that in high-speed PCB design, seemingly simple vias often bring great negative effects to the circuit design. In order to reduce the adverse effects caused by the parasitic effects of the vias, the following can be done in the design:

(1) Choose a reasonable via size. For multi-layer general-density PCB design, it is better to use 0.25mm/0.51mm/0.91mm (drilled holes/pads/POWER isolation area) vias; for some high-density PCBs, 0.20mm/0.46 can also be used mm/0.86mm vias, you can also try non-through vias; for power or ground vias, you can consider using a larger size to reduce impedance;

(2) Чем больше площадь изоляции POWER, тем лучше, учитывая плотность переходов на печатной плате, обычно D1 = D2 0.41;

(3) Try not to change the layers of the signal traces on the PCB, which means to minimize vias;

(4) The use of a thinner PCB is conducive to reducing the two parasitic parameters of the via;

(5) The power and ground pins should be made via holes nearby. The shorter the lead between the via hole and the pin, the better, because they will increase the inductance. At the same time, the power and ground leads should be as thick as possible to reduce impedance;

(6) Place some grounding vias near the vias of the signal layer to provide a short-distance loop for the signal.

Конечно, при проектировании необходимо детально проанализировать конкретные вопросы. Учитывая стоимость и качество сигнала в целом, при проектировании высокоскоростной печатной платы разработчики всегда надеются, что чем меньше будет сквозное отверстие, тем лучше, так что на плате останется больше места для проводки. Кроме того, чем меньше сквозное отверстие, тем меньше паразитная емкость, тем больше подходит для высокоскоростных цепей. В конструкции печатной платы высокой плотности использование непроходных переходных отверстий и уменьшение их размера также привело к увеличению стоимости, и размер переходных отверстий не может быть уменьшен до бесконечности. На него влияют процессы сверления и гальваники, производимые производителями печатных плат. При проектировании переходных отверстий высокоскоростных печатных плат необходимо сбалансированно учитывать технические ограничения.