Průchod je jednou z důležitých součástí vícevrstvé desky plošných spojů a náklady na vrtání obvykle tvoří 30 % až 40 % ceny desky plošných spojů.Zjednodušeně lze říci, že každý otvor na desce plošných spojů lze nazvat průchodem.
Základní koncept via:
Z hlediska funkce lze prokovu rozdělit do dvou kategorií: jedna se používá jako elektrické spojení mezi vrstvami a druhá se používá jako upevnění nebo polohování zařízení.Pokud z procesu, tyto díry jsou obecně rozděleny do tří kategorií, a to slepé díry, zakopané díry a průchozí díry.
Slepé otvory jsou umístěny na horní a spodní ploše plošného spoje a mají určitou hloubku pro spojení povrchového obvodu a vnitřního obvodu pod ním a hloubka otvorů obvykle nepřesahuje určitý poměr (otvor).
Zakopaný otvor označuje spojovací otvor umístěný ve vnitřní vrstvě desky s plošnými spoji, který nezasahuje až k povrchu desky.Výše uvedené dva typy otvorů jsou umístěny ve vnitřní vrstvě obvodové desky, která je dokončena procesem formování průchozího otvoru před laminací, a několik vnitřních vrstev se může během vytváření průchozího otvoru překrývat.
Třetí typ se nazývá průchozí otvory, které procházejí celou obvodovou deskou a lze je použít k dosažení vnitřního propojení nebo jako instalační otvory pro umístění součástek.Protože je v procesu snadněji dosažitelný průchozí otvor a náklady jsou nižší, používá ho velká většina desek plošných spojů spíše než další dva průchozí otvory.Následující otvory jsou bez zvláštních pokynů považovány za průchozí otvory.
Z konstrukčního hlediska se prokov skládá hlavně ze dvou částí, jedna je střed vrtného otvoru a druhá je oblast svařovací podložky kolem vrtaného otvoru.Velikost těchto dvou částí určuje velikost via.
Je zřejmé, že ve vysokorychlostním návrhu plošných spojů s vysokou hustotou chtějí konstruktéři vždy otvor co nejmenší, aby bylo možné ponechat více prostoru pro kabeláž, navíc čím menší je průchod, jeho vlastní parazitní kapacita je menší, vhodnější pro vysokorychlostní okruhy.
Zmenšení velikosti prokovu však také přináší zvýšení nákladů a velikost otvoru nelze zmenšovat donekonečna, je omezena technologií vrtání a galvanického pokovování: čím je otvor menší, tím déle vrtání trvá, tím je snazší. je odchýlit se od středu;Když je hloubka otvoru větší než 6násobek průměru otvoru, není možné zajistit, aby stěna otvoru mohla být rovnoměrně pokovena mědí.
Pokud je například tloušťka (hloubka průchozího otvoru) běžné 6vrstvé desky plošných spojů 50 mil, pak minimální průměr vrtání, který mohou výrobci desek plošných spojů poskytnout za normálních podmínek, může dosáhnout pouze 8 mil.S rozvojem technologie laserového vrtání může být velikost vrtání také menší a menší a průměr otvoru je obecně menší nebo roven 6Mils, nazýváme se mikrootvory.
Mikrootvory se často používají v designu HDI (high density interconnect structure) a technologie mikrootvorů umožňuje přímé vyvrtání otvoru na podložce, což výrazně zlepšuje výkon obvodu a šetří prostor pro kabeláž.Průchod se objeví jako bod přerušení impedanční diskontinuity na přenosové lince, což způsobí odraz signálu.Obecně je ekvivalentní impedance otvoru asi o 12 % nižší než u přenosového vedení, například impedance 50 ohmového přenosového vedení se sníží o 6 ohmů, když projde otvorem (konkrétně a velikost průchodu, souvisí také tloušťka desky, nikoli absolutní redukce).
Odraz způsobený impedanční diskontinuitou je však ve skutečnosti velmi malý a jeho koeficient odrazu je pouze:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Problémy vyplývající z prokovu se více soustředí na účinky parazitní kapacity a indukčnosti.
Přes parazitní kapacitu a indukčnost
V samotném průchodu je parazitní rozptylová kapacita.Pokud je průměr zóny odporu pájky na položené vrstvě D2, průměr pájecí plošky je D1, tloušťka desky plošných spojů je T a dielektrická konstanta substrátu je ε, parazitní kapacita průchozího otvoru je přibližně:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Hlavním vlivem parazitní kapacity na obvodu je prodloužení doby náběhu signálu a snížení rychlosti obvodu.
Například pro desku plošných spojů o tloušťce 50Mil, je-li průměr propojovací podložky 20Mil (průměr vyvrtaného otvoru je 10Mils) a průměr zóny odporu pájky je 40Mil, pak můžeme aproximovat parazitní kapacitu via podle výše uvedeného vzorce:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
Velikost změny doby náběhu způsobená touto částí kapacity je zhruba:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Z těchto hodnot je vidět, že ačkoliv užitečnost náběhového zpoždění způsobeného parazitní kapacitou jednoho prokovu není příliš zřejmá, pokud je prokov v lince použit několikrát pro přepínání mezi vrstvami, bude použito více děr, a design by měl být pečlivě zvážen.Ve skutečném provedení lze parazitní kapacitu snížit zvětšením vzdálenosti mezi otvorem a měděnou plochou (Anti-pad) nebo zmenšením průměru podložky.
Při návrhu vysokorychlostních digitálních obvodů je poškození způsobené parazitní indukčností často větší než vliv parazitní kapacity.Jeho parazitní sériová indukčnost oslabí příspěvek obtokového kondenzátoru a oslabí filtrační účinnost celého energetického systému.
Pro jednoduchý výpočet parazitní indukčnosti aproximace průchozí díry můžeme použít následující empirický vzorec:
L=5,08h[ln(4h/d)+1]
Kde L znamená indukčnost prokovu, h je délka prokovu a d je průměr středového otvoru.Ze vzorce je vidět, že průměr prokovu má malý vliv na indukčnost, zatímco délka prokovu má největší vliv na indukčnost.Stále s použitím výše uvedeného příkladu lze indukčnost mimo díru vypočítat jako:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015 nH
Pokud je doba náběhu signálu 1ns, pak jeho ekvivalentní velikost impedance je:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Takovou impedanci nelze ignorovat v přítomnosti vysokofrekvenčního proudu skrz, zvláště si všimněte, že bypass kondenzátor musí při připojení výkonové vrstvy a formace projít dvěma otvory, takže parazitní indukčnost otvoru se znásobí.
Jak používat via?
Prostřednictvím výše uvedené analýzy parazitních charakteristik díry můžeme vidět, že při návrhu vysokorychlostního PCB zdánlivě jednoduché díry často přinášejí velké negativní účinky na návrh obvodu.Aby se omezily nepříznivé účinky způsobené parazitním účinkem otvoru, může být návrh pokud možno:
Ze dvou aspektů ceny a kvality signálu vyberte přiměřenou velikost velikosti průchodu.V případě potřeby můžete zvážit použití různých velikostí prokovů, například pro otvory pro napájení nebo zemnící vodiče, můžete zvážit použití větší velikosti pro snížení impedance a pro signálové vedení můžete použít menší prostup.Samozřejmě, jak se velikost průchodu zmenšuje, odpovídající náklady se také zvýší
Ze dvou výše diskutovaných vzorců lze vyvodit závěr, že použití tenčí desky s plošnými spoji vede ke snížení dvou parazitních parametrů průchodu.
Signálové zapojení na desce plošných spojů by se pokud možno nemělo měnit, to znamená, snažte se nepoužívat zbytečné prokovy.
Prokovy musí být vyvrtány do kolíků napájecího zdroje a do země.Čím kratší je náskok mezi kolíky a prokovy, tím lépe.Pro snížení ekvivalentní indukčnosti lze paralelně vyvrtat více otvorů.
Umístěte několik uzemněných průchozích otvorů blízko průchozích otvorů změny signálu, abyste zajistili nejbližší smyčku pro signál.Na desku PCB můžete dokonce umístit nějaké přebytečné uzemňovací otvory.
U vysokorychlostních desek plošných spojů s vysokou hustotou můžete zvážit použití mikrootvorů.