หนึ่ง. แนวคิดพื้นฐานของ Vias

Via เป็นหนึ่งในองค์ประกอบสำคัญของ PCB หลายชั้นและค่าใช้จ่ายในการเจาะมักจะคิดเป็น 30% ถึง 40% ของต้นทุนการผลิต PCB พูดง่ายๆ ทุกรูบน PCB สามารถเรียกได้ว่าผ่าน

จากมุมมองของฟังก์ชัน Vias สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: หนึ่งใช้สำหรับการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้น อีกอันใช้สำหรับยึดหรือจัดตำแหน่งอุปกรณ์

ในแง่ของกระบวนการ Vias เหล่านี้โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ Vias ที่มองไม่เห็น Vias ที่ฝังและ Vias รูบอดจะอยู่ที่พื้นผิวด้านบนและด้านล่างของแผงวงจรพิมพ์และมีความลึกระดับหนึ่ง ใช้สำหรับเชื่อมต่อเส้นพื้นผิวและเส้นด้านใน ความลึกของรูมักจะไม่เกินอัตราส่วนที่แน่นอน (รูรับแสง) รูฝังหมายถึงรูเชื่อมต่อที่อยู่ในชั้นในของแผงวงจรพิมพ์ซึ่งไม่ขยายไปถึงพื้นผิวของแผงวงจร รูสองประเภทที่กล่าวถึงข้างต้นจะอยู่ที่ชั้นในของแผงวงจร และเสร็จสิ้นโดยกระบวนการขึ้นรูปรูทะลุก่อนการเคลือบ และชั้นในหลายๆ ชั้นอาจทับซ้อนกันระหว่างการก่อตัวของช่องทาง ประเภทที่สามเรียกว่ารูทะลุซึ่งทะลุผ่านแผงวงจรทั้งหมดและสามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อภายในหรือเป็นรูสำหรับติดตั้งส่วนประกอบ เนื่องจากรูเจาะทะลุได้ง่ายกว่าในกระบวนการและต้นทุนก็ต่ำกว่า แผงวงจรพิมพ์ส่วนใหญ่จึงใช้รูนี้แทนรูทะลุอีกสองประเภท รูต่อไปนี้ เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ให้ถือว่าเป็นรู

จากมุมมองของการออกแบบ a via ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วน หนึ่งคือรูเจาะที่อยู่ตรงกลาง และอีกส่วนหนึ่งคือบริเวณแผ่นรองรอบรูเจาะ ขนาดของทั้งสองส่วนนี้จะกำหนดขนาดของช่อง เห็นได้ชัดว่าในการออกแบบ PCB ที่มีความเร็วสูงและมีความหนาแน่นสูง นักออกแบบมักหวังเสมอว่ายิ่งรูผ่านมีขนาดเล็กเท่าใดก็ยิ่งดีเท่านั้น เพื่อให้สามารถเหลือพื้นที่ในการเดินสายบนบอร์ดได้มากขึ้น นอกจากนี้ ยิ่งรูผ่านมีขนาดเล็กเท่าใด ความจุกาฝากของมันเอง ยิ่งมีขนาดเล็กก็ยิ่งเหมาะสำหรับวงจรความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม การลดขนาดรูยังทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นด้วย และขนาดของรูผ่านไม่สามารถลดลงอย่างไม่มีกำหนดได้ มันถูกจำกัดโดยเทคโนโลยีกระบวนการ เช่น การเจาะและการชุบ ยิ่งรูเล็กเท่าไหร่ ยิ่งใช้รูนานเท่าไหร่ ก็ยิ่งเบี่ยงออกจากตำแหน่งตรงกลางได้ง่ายขึ้น และเมื่อความลึกของรูเกิน 6 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของรูที่เจาะ ก็ไม่สามารถรับรองได้ว่าผนังของรูสามารถชุบทองแดงได้อย่างสม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่น ความหนา (ผ่านความลึกของรู) ของบอร์ด PCB 6 ชั้นปกติคือประมาณ 50Mil ดังนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะขั้นต่ำที่ผู้ผลิต PCB สามารถให้ได้นั้นสามารถเข้าถึงได้ถึง 8Mil เท่านั้น

ประการที่สอง ความจุกาฝากของ via

ตัวมันเองมีความจุปรสิตต่อกราวด์ หากทราบว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของรูแยกบนชั้นพื้นดินของช่องทางคือ D2 เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นผ่านคือ D1 ความหนาของแผ่น PCB คือ T และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของพื้นผิวกระดานคือ ε ขนาดของความจุกาฝากของผ่านทางจะอยู่ที่ประมาณ: C=1.41εTD1/(D2-D1) ความจุกาฝากของทางผ่านจะทำให้วงจรขยายเวลาที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณและลดความเร็วของวงจร ตัวอย่างเช่น สำหรับ PCB ที่มีความหนา 50Mil หากใช้ a via ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 10Mil และเส้นผ่านศูนย์กลางของ pad 20Mil และระยะห่างระหว่างแผ่นรองกับพื้นที่ทองแดงที่พื้นคือ 32Mil เราสามารถประมาณค่า via โดยใช้สูตรข้างต้น ค่าความจุกาฝากมีค่าประมาณ: C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032-0.020)=0.517pF การเปลี่ยนแปลงเวลาที่เพิ่มขึ้นที่เกิดจากความจุส่วนนี้คือ T10-90=2.2C(Z0 / 2)=2.2 x0.517x(55/2)=31.28ps. จากค่าเหล่านี้จะเห็นได้ว่าแม้ผลของการหน่วงเวลาที่เพิ่มขึ้นที่เกิดจากความจุกาฝากของ single via จะไม่ชัดเจน แต่หาก via ถูกใช้หลายครั้งในการติดตามเพื่อสลับระหว่างเลเยอร์ ผู้ออกแบบก็ควรพิจารณา อย่างระมัดระวัง.

ประการที่สามการเหนี่ยวนำกาฝากของ via

ในทำนองเดียวกัน มีการเหนี่ยวนำกาฝากพร้อมกับความจุกาฝากของจุดแวะ ในการออกแบบวงจรดิจิตอลความเร็วสูง อันตรายที่เกิดจากการเหนี่ยวนำกาฝากของจุดแวะมักจะมากกว่าผลกระทบของความจุกาฝาก การเหนี่ยวนำอนุกรมกาฝากของมันจะทำให้การมีส่วนร่วมของตัวเก็บประจุบายพาสลดลงและทำให้ผลการกรองของระบบไฟฟ้าทั้งหมดอ่อนลง เราสามารถคำนวณค่าความเหนี่ยวนำโดยปรสิตโดยประมาณของ a via ด้วยสูตรต่อไปนี้: L=5.08h[ln(4h/d)+1] โดยที่ L หมายถึงค่าความเหนี่ยวนำของ via, h คือความยาวของ via และ d คือศูนย์กลาง เส้นผ่านศูนย์กลางของรู จะเห็นได้จากสูตรที่ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผ่านมีอิทธิพลเล็กน้อยต่อการเหนี่ยวนำ และความยาวของเส้นผ่านมีอิทธิพลมากที่สุดต่อการเหนี่ยวนำ ยังคงใช้ตัวอย่างข้างต้น การเหนี่ยวนำของค่าผ่านทางสามารถคำนวณได้ดังนี้: L=5.08×0.050 [ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH หากเวลาที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณคือ 1ns อิมพีแดนซ์เทียบเท่าของมันคือ: XL=πL/T10-90=3.19Ω อิมพีแดนซ์ดังกล่าวไม่สามารถละเลยได้อีกต่อไปเมื่อกระแสความถี่สูงผ่าน ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับความจริงที่ว่าตัวเก็บประจุบายพาสต้องผ่านจุดแวะสองจุดเมื่อเชื่อมต่อระนาบกำลังกับระนาบกราวด์เพื่อให้การเหนี่ยวนำกาฝากของจุดแวะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ

ประการที่สี่ ผ่านการออกแบบใน PCB ความเร็วสูง

จากการวิเคราะห์ลักษณะปรสิตของจุดแวะข้างต้น เราจะเห็นได้ว่าในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง จุดแวะที่ดูเหมือนง่ายมักจะส่งผลเสียอย่างมากต่อการออกแบบวงจร เพื่อลดผลกระทบที่เกิดจากปรสิตของจุดแวะ ต่อไปนี้สามารถทำได้ในการออกแบบ:

1. จากมุมมองของต้นทุนและคุณภาพสัญญาณ ให้เลือกขนาดที่เหมาะสมผ่าน ตัวอย่างเช่น สำหรับการออกแบบ PCB โมดูลหน่วยความจำ 6-10 ชั้น ควรใช้จุดแวะ 10/20Mil (เจาะ/แผ่น) สำหรับบอร์ดขนาดเล็กที่มีความหนาแน่นสูง คุณยังสามารถลองใช้ 8/18Mil รู. ภายใต้เงื่อนไขทางเทคนิคในปัจจุบัน การใช้จุดแวะที่มีขนาดเล็กลงเป็นเรื่องยาก สำหรับจุดอ่อนกำลังหรือกราวด์ คุณอาจพิจารณาใช้ขนาดที่ใหญ่ขึ้นเพื่อลดอิมพีแดนซ์

2. สูตรทั้งสองที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถสรุปได้ว่าการใช้ PCB ที่บางลงจะเอื้อต่อการลดพารามิเตอร์ปรสิตสองตัวของผ่านทาง

3. พยายามอย่าเปลี่ยนเลเยอร์ของร่องรอยสัญญาณบนบอร์ด PCB นั่นคือพยายามอย่าใช้จุดแวะที่ไม่จำเป็น

4. ควรเจาะหมุดกำลังและกราวด์ในบริเวณใกล้เคียงและตะกั่วระหว่างทางผ่านและพินควรสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้เพราะจะเพิ่มการเหนี่ยวนำ ในเวลาเดียวกัน สายไฟและสายดินควรหนาที่สุดเพื่อลดอิมพีแดนซ์

5. วางจุดแวะที่ต่อสายดินไว้ใกล้กับจุดแวะของชั้นสัญญาณเพื่อให้เป็นวงที่ใกล้ที่สุดสำหรับสัญญาณ เป็นไปได้ที่จะวางจุดแวะกราวด์ที่ซ้ำซ้อนจำนวนมากบนบอร์ด PCB แน่นอนว่าการออกแบบต้องมีความยืดหยุ่น แบบจำลองทางผ่านที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้คือกรณีที่มีแผ่นอิเล็กโทรดในแต่ละชั้น บางครั้งเราสามารถลดหรือถอดแผ่นบางชั้นออกได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจุดอ่อนมีความหนาแน่นสูงมาก อาจนำไปสู่การก่อตัวของร่องแตกที่แยกห่วงในชั้นทองแดง เพื่อแก้ปัญหานี้ นอกจากการย้ายตำแหน่งของช่องสัญญาณแล้ว เรายังสามารถพิจารณาวางช่องผ่านบนชั้นทองแดงได้อีกด้วย ขนาดแผ่นจะลดลง