หนึ่ง แนวคิดพื้นฐานของการเจาะ

รูทะลุ (VIA) เป็นส่วนสำคัญของ PCB หลายชั้นและค่าใช้จ่ายในการเจาะรูมักจะคิดเป็น 30% ถึง 40% ของต้นทุนการผลิตแผ่น PCB พูดง่ายๆ ทุกรูบน PCB สามารถเรียกได้ว่าเป็นรูทะลุ ในแง่ของการทำงาน รูสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: หนึ่งใช้สำหรับการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้น อีกอันหนึ่งใช้สำหรับการตรึงอุปกรณ์หรือการวางตำแหน่ง ในแง่ของกระบวนการ รูทะลุเหล่านี้โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ แบบตาบอดทาง ฝังทางและทางผ่าน รูบอดอยู่ที่พื้นผิวด้านบนและด้านล่างของแผงวงจรพิมพ์และมีความลึกที่แน่นอนสำหรับเชื่อมต่อวงจรพื้นผิวกับวงจรด้านในด้านล่าง ความลึกของรูมักจะไม่เกินอัตราส่วนที่แน่นอน (รูรับแสง) รูฝังเป็นรูเชื่อมต่อในชั้นในของแผงวงจรพิมพ์ที่ไม่ขยายไปถึงพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ รูทั้งสองประเภทจะอยู่ที่ชั้นในของแผงวงจร ซึ่งเสร็จสิ้นโดยกระบวนการขึ้นรูปรูทะลุก่อนการเคลือบ และชั้นในหลายๆ ชั้นอาจทับซ้อนกันระหว่างการก่อตัวของรูทะลุ ประเภทที่สาม เรียกว่ารูทะลุ (through-holes) จะวิ่งผ่านแผงวงจรทั้งหมด และสามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อภายในหรือเป็นรูสำหรับติดตั้งและระบุตำแหน่งสำหรับส่วนประกอบต่างๆ เนื่องจากรูเจาะทะลุได้ง่ายกว่าในกระบวนการ จึงมีต้นทุนต่ำกว่า ดังนั้นจึงใช้แผงวงจรพิมพ์ส่วนใหญ่ แทนที่จะใช้รูทะลุอีกสองประเภท รูทะลุต่อไปโดยไม่มีคำอธิบายพิเศษให้ถือเป็นรูทะลุ

แนวคิดพื้นฐานของ PCB ผ่านรูและการแนะนำวิธีการเจาะรู

จากมุมมองของการออกแบบ รูเจาะทะลุส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วน ส่วนหนึ่งคือรูเจาะที่อยู่ตรงกลาง และอีกส่วนหนึ่งคือพื้นที่แผ่นรองรอบๆ รูเจาะ ขนาดของทั้งสองส่วนนี้จะกำหนดขนาดของรูทะลุ เห็นได้ชัดว่าในการออกแบบ PCB ที่มีความหนาแน่นและความเร็วสูง ผู้ออกแบบมักต้องการให้รูมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ตัวอย่างนี้สามารถปล่อยพื้นที่เดินสายได้มากขึ้น นอกจากนี้ รูที่เล็กกว่า ความจุกาฝากของตัวเองก็เล็กลง มากขึ้น เหมาะสำหรับวงจรความเร็วสูง แต่การลดขนาดรูไปพร้อม ๆ กันทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น และขนาดของรูก็ลดลงอย่างไม่มีขีดจำกัด มันถูกจำกัดด้วยการเจาะ (เจาะ) และการชุบ (plating) และเทคโนโลยีอื่นๆ: ยิ่งรูเล็กเท่าไหร่ เวลาที่ใช้ในการเจาะนานขึ้นก็จะยิ่งเบี่ยงเบนจากตำแหน่งกึ่งกลางได้ง่ายขึ้น เมื่อความลึกของรูมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของรูมากกว่า 6 เท่า เป็นไปไม่ได้ที่จะรับประกันการชุบทองแดงที่สม่ำเสมอของผนังรู ตัวอย่างเช่น หากความหนา (ความลึกทะลุรู) ของบอร์ด PCB 6 ชั้นปกติคือ 50Mil เส้นผ่านศูนย์กลางรูต่ำสุดที่ผู้ผลิต PCB สามารถให้ได้คือ 8Mil ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเจาะด้วยเลเซอร์ ขนาดของการเจาะสามารถเล็กลงและเล็กลงได้ โดยทั่วไป เส้นผ่านศูนย์กลางของรูจะน้อยกว่าหรือเท่ากับ 6 มิล เราเรียกว่ารูขนาดเล็ก ไมโครรูมักจะใช้ในการออกแบบ HDI (โครงสร้างการเชื่อมต่อระหว่างกันที่มีความหนาแน่นสูง) เทคโนโลยี Microhole ช่วยให้เจาะรูได้โดยตรงบนแผ่นรอง (VIA-in-pad) ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรอย่างมากและประหยัดพื้นที่ในการเดินสาย

รูทะลุบนสายส่งเป็นจุดขาดของความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ ซึ่งจะทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ โดยทั่วไป อิมพีแดนซ์เทียบเท่าของรูทะลุจะต่ำกว่าของสายส่งประมาณ 12% ตัวอย่างเช่น อิมพีแดนซ์ของสายส่ง 50 โอห์มจะลดลง 6 โอห์มเมื่อผ่านรูทะลุ (ค่าเฉพาะยังสัมพันธ์กับขนาดของรูทะลุและความหนาของแผ่น แต่ไม่ลดลงแน่นอน) อย่างไรก็ตาม การสะท้อนที่เกิดจากความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่ทะลุผ่านรูนั้นมีขนาดเล็กมาก และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับมีค่าเพียง :(44-50)/(44+50) =0.06 ปัญหาที่เกิดจากรูจะเน้นไปที่อิทธิพลของความจุและการเหนี่ยวนำของกาฝาก

ความจุกาฝากและการเหนี่ยวนำผ่านรู

ความจุของปรสิตจรจัดอยู่ในรูนั้นเอง ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางของโซนต้านทานการเชื่อมของรูบนชั้นวางคือ D2 เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นเชื่อมคือ D1 ความหนาของบอร์ด PCB คือ T และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของพื้นผิวคือ ε ความจุกาฝากของ รูอยู่ที่ประมาณ C=1.41εTD1/ (D2-D1)

ผลกระทบหลักของความจุกาฝากในวงจรคือการยืดเวลาการเพิ่มขึ้นของสัญญาณและลดความเร็วของวงจร ตัวอย่างเช่น สำหรับบอร์ด PCB ที่มีความหนา 50Mil หากเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรองรูทะลุคือ 20Mil (เส้นผ่านศูนย์กลางของรูเจาะคือ 10Mils) และเส้นผ่านศูนย์กลางของบล็อกบัดกรีคือ 40Mil เราสามารถประมาณความจุกาฝากของ รูทะลุตามสูตรด้านบน: C=1.41×4.4×0.050×0.020/ (0.040-0.020) =0.31pF การเปลี่ยนแปลงเวลาเพิ่มขึ้นที่เกิดจากความจุโดยประมาณดังนี้: T10-90= 2.2c (Z0/2) =2.2×0.31x (50/2) =17.05ps จากค่าเหล่านี้ จะเห็นได้ว่าถึงแม้ผลกระทบของการหน่วงเวลาที่เพิ่มขึ้นและการชะลอตัวที่เกิดจากความจุกาฝากของตัวเดียว รูไม่ชัดเจนนัก หากใช้รูทะลุเพื่อสลับไปมาระหว่างชั้นหลาย ๆ ครั้ง ก็จะใช้รูทะลุหลายรู ระมัดระวังในการออกแบบของคุณ ในการออกแบบที่ใช้งานได้จริง ความจุของกาฝากสามารถลดลงได้โดยการเพิ่มระยะห่างระหว่างรูและโซนการวางทองแดง (แอนตี้แพด) หรือโดยการลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของแพด ในการออกแบบวงจรดิจิตอลความเร็วสูง การเหนี่ยวนำกาฝากของรูทะลุมีอันตรายมากกว่าความจุของกาฝาก การเหนี่ยวนำอนุกรมกาฝากของมันจะทำให้การมีส่วนร่วมของความจุบายพาสลดลงและลดประสิทธิภาพการกรองของระบบไฟฟ้าทั้งหมด เราสามารถคำนวณค่าความเหนี่ยวนำกาฝากของการประมาณรูทะลุโดยใช้สูตรเชิงประจักษ์ต่อไปนี้: L=5.08h [ln (4h/d) +1]

โดยที่ L หมายถึงความเหนี่ยวนำของรู H คือความยาวของรู และ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของรูตรงกลาง จากสมการจะเห็นได้ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของรูมีอิทธิพลน้อยต่อการเหนี่ยวนำ ในขณะที่ความยาวของรูมีอิทธิพลมากที่สุดต่อการเหนี่ยวนำ ยังคงใช้ตัวอย่างข้างต้น การเหนี่ยวนำออกจากรูสามารถคำนวณได้ดังนี้:

L=5.08×0.050 [ln (4×0.050/0.010) +1] = 1.015nh หากเวลาที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณคือ 1ns ดังนั้นขนาดอิมพีแดนซ์ที่เทียบเท่าคือ: XL=πL/T10-90=3.19 ω ไม่สามารถละเลยอิมพีแดนซ์นี้ได้เมื่อมีกระแสความถี่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คาปาซิเตอร์บายพาสต้องผ่านสองรูเพื่อเชื่อมต่อชั้นอุปทานกับชั้นหิน ดังนั้นจึงเพิ่มการเหนี่ยวนำกาฝากของรูเป็นสองเท่า

สามวิธีใช้รู

จากการวิเคราะห์ลักษณะปรสิตของรูเจาะทะลุด้านบน เราจะเห็นได้ว่าในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง รูทะลุที่ดูเหมือนง่ายมักจะส่งผลเสียอย่างมากต่อการออกแบบวงจร เพื่อลดผลกระทบจากปรสิตของหลุม เราสามารถลองทำดังนี้ในการออกแบบ:

1. เมื่อพิจารณาถึงราคาและคุณภาพสัญญาณแล้ว ขนาดของรูที่เหมาะสมจะถูกเลือก หากจำเป็น ให้พิจารณาใช้รูขนาดต่างๆ ตัวอย่างเช่น สำหรับสายไฟหรือสายกราวด์ ให้พิจารณาใช้ขนาดที่ใหญ่ขึ้นเพื่อลดอิมพีแดนซ์ และสำหรับการเดินสายสัญญาณ ให้ใช้รูที่เล็กกว่า แน่นอน เมื่อขนาดของรูลดลง ต้นทุนที่เกี่ยวข้องก็จะเพิ่มขึ้น

2. สูตรทั้งสองที่กล่าวถึงข้างต้นแสดงให้เห็นว่าการใช้แผ่น PCB ที่บางกว่าช่วยลดพารามิเตอร์ปรสิตสองตัวของการปรุ

3. การเดินสายสัญญาณบนบอร์ด PCB ไม่ควรเปลี่ยนเลเยอร์ให้ไกลที่สุด กล่าวคือ ห้ามใช้รูที่ไม่จำเป็นให้มากที่สุด

4. หมุดของแหล่งจ่ายไฟและกราวด์ควรเจาะในรูที่ใกล้ที่สุด และตะกั่วระหว่างรูกับหมุดควรสั้นที่สุด สามารถพิจารณารูทะลุหลายรูขนานกันเพื่อลดการเหนี่ยวนำที่เท่ากัน

5. รูกราวด์บางรูถูกวางไว้ใกล้กับรูของการจัดชั้นสัญญาณเพื่อให้มีลูปที่ใกล้ที่สุดสำหรับสัญญาณ คุณสามารถใส่รูกราวด์เพิ่มเติมจำนวนมากบน PCB ได้ แน่นอน คุณต้องมีความยืดหยุ่นในการออกแบบของคุณ รูปแบบการเจาะทะลุที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นสถานการณ์ที่มีแผ่นรองในแต่ละชั้น บางครั้งเราสามารถลดหรือถอดแผ่นอิเล็กโทรดในบางชั้นได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ความหนาแน่นของรูมีขนาดใหญ่มาก อาจทำให้เกิดร่องวงจรในชั้นทองแดงเพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว นอกเหนือจากการย้ายตำแหน่งของรู เรายังพิจารณารู ในชั้นทองแดงเพื่อลดขนาดของแผ่น

6. สำหรับบอร์ด PCB ความเร็วสูงที่มีความหนาแน่นสูง ควรพิจารณารูไมโคร