Το via είναι ένα από τα σημαντικά στοιχεία του πολυστρωματικού PCB και το κόστος διάτρησης συνήθως αντιστοιχεί στο 30% έως 40% του κόστους της πλακέτας PCB.Με απλά λόγια, κάθε τρύπα στο PCB μπορεί να ονομαστεί via.
Η βασική ιδέα του via:
Από την άποψη της λειτουργίας, το via μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: η μία χρησιμοποιείται ως ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των στρωμάτων και η άλλη χρησιμοποιείται ως στερέωση ή τοποθέτηση της συσκευής.Εάν από τη διαδικασία, αυτές οι τρύπες χωρίζονται γενικά σε τρεις κατηγορίες, δηλαδή τυφλές τρύπες, θαμμένες τρύπες και διαμπερείς οπές.
Οι τυφλές οπές βρίσκονται στην επάνω και στην κάτω επιφάνεια της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος και έχουν ορισμένο βάθος για τη σύνδεση του κυκλώματος επιφάνειας και του εσωτερικού κυκλώματος από κάτω και το βάθος των οπών συνήθως δεν υπερβαίνει μια ορισμένη αναλογία (διάφραγμα).
Η θαμμένη οπή αναφέρεται στην οπή σύνδεσης που βρίσκεται στο εσωτερικό στρώμα της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος, η οποία δεν εκτείνεται στην επιφάνεια της πλακέτας.Οι παραπάνω δύο τύποι οπών βρίσκονται στο εσωτερικό στρώμα της πλακέτας κυκλώματος, το οποίο ολοκληρώνεται με τη διαδικασία χύτευσης διαμπερούς οπής πριν από την πλαστικοποίηση, και πολλά εσωτερικά στρώματα μπορεί να επικαλύπτονται κατά το σχηματισμό της διαμπερούς οπής.
Ο τρίτος τύπος ονομάζεται διαμπερείς οπές, οι οποίες διέρχονται από ολόκληρη την πλακέτα κυκλώματος και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη εσωτερικής διασύνδεσης ή ως οπές τοποθέτησης εγκατάστασης για εξαρτήματα.Επειδή η διαμπερής οπή είναι ευκολότερο να επιτευχθεί στη διαδικασία και το κόστος είναι χαμηλότερο, η συντριπτική πλειονότητα των πλακών τυπωμένων κυκλωμάτων τη χρησιμοποιεί και όχι οι άλλες δύο διαμπερείς οπές.Οι παρακάτω τρύπες, χωρίς ειδικές οδηγίες, θεωρούνται ως διαμπερείς οπές.
Από σχεδιαστική άποψη, ένα via αποτελείται κυρίως από δύο μέρη, το ένα είναι το μέσο της οπής διάτρησης και το άλλο είναι η περιοχή του μαξιλαριού συγκόλλησης γύρω από την οπή διάτρησης.Το μέγεθος αυτών των δύο μερών καθορίζει το μέγεθος του via.
Προφανώς, σε σχεδιασμό PCB υψηλής ταχύτητας, υψηλής πυκνότητας, οι σχεδιαστές θέλουν πάντα την τρύπα όσο το δυνατόν μικρότερη, έτσι ώστε να αφήνεται περισσότερος χώρος καλωδίωσης, επιπλέον, όσο μικρότερο είναι το via, η δική του παρασιτική χωρητικότητα είναι μικρότερη, πιο κατάλληλη για κυκλώματα υψηλής ταχύτητας.
Ωστόσο, η μείωση του μεγέθους via επιφέρει επίσης αύξηση του κόστους και το μέγεθος της οπής δεν μπορεί να μειωθεί επ' αόριστον, περιορίζεται από την τεχνολογία διάτρησης και ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης: όσο μικρότερη είναι η τρύπα, τόσο περισσότερο διαρκεί η διάτρηση, τόσο πιο εύκολο είναι είναι να αποκλίνουν από το κέντρο?Όταν το βάθος της οπής είναι περισσότερο από 6 φορές τη διάμετρο της οπής, είναι αδύνατο να διασφαλιστεί ότι το τοίχωμα της οπής μπορεί να επιστρωθεί ομοιόμορφα με χαλκό.
Για παράδειγμα, εάν το πάχος (από το βάθος της οπής) μιας κανονικής πλακέτας PCB 6 στρώσεων είναι 50 Mil, τότε η ελάχιστη διάμετρος διάτρησης που μπορούν να παρέχουν οι κατασκευαστές PCB υπό κανονικές συνθήκες μπορεί να φτάσει μόνο τα 8Mil.Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας διάτρησης με λέιζερ, το μέγεθος της γεώτρησης μπορεί επίσης να είναι μικρότερο και μικρότερο και η διάμετρος της οπής είναι γενικά μικρότερη ή ίση με 6 Mils, ονομαζόμαστε μικροτρύπες.
Οι μικροοπές χρησιμοποιούνται συχνά στο σχεδιασμό HDI (δομή διασύνδεσης υψηλής πυκνότητας) και η τεχνολογία μικροοπών μπορεί να επιτρέψει την απευθείας διάνοιξη της οπής στο μαξιλάρι, γεγονός που βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του κυκλώματος και εξοικονομεί χώρο καλωδίωσης.Το via εμφανίζεται ως σημείο διακοπής της ασυνέχειας της σύνθετης αντίστασης στη γραμμή μεταφοράς, προκαλώντας ανάκλαση του σήματος.Γενικά, η ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση της οπής είναι περίπου 12% χαμηλότερη από τη γραμμή μετάδοσης, για παράδειγμα, η σύνθετη αντίσταση μιας γραμμής μετάδοσης 50 ohms θα μειωθεί κατά 6 ohms όταν διέρχεται από την οπή (συγκεκριμένα και το μέγεθος της διόδου, το πάχος της πλάκας σχετίζεται επίσης, όχι μια απόλυτη μείωση).
Ωστόσο, η ανάκλαση που προκαλείται από την ασυνέχεια της σύνθετης αντίστασης μέσω είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρή και ο συντελεστής ανάκλασής της είναι μόνο:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Τα προβλήματα που προκύπτουν από το via επικεντρώνονται περισσότερο στις επιδράσεις της παρασιτικής χωρητικότητας και επαγωγής.
Μέσω της παρασιτικής χωρητικότητας και της επαγωγής
Υπάρχει μια παρασιτική αδέσποτη χωρητικότητα στο ίδιο το via.Εάν η διάμετρος της ζώνης αντίστασης συγκόλλησης στο στρώμα είναι D2, η διάμετρος του μαξιλαριού συγκόλλησης είναι D1, το πάχος της πλακέτας PCB είναι T και η διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος είναι ε, η παρασιτική χωρητικότητα της διαμπερούς οπής είναι περίπου:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Η κύρια επίδραση της παρασιτικής χωρητικότητας στο κύκλωμα είναι η παράταση του χρόνου ανόδου του σήματος και η μείωση της ταχύτητας του κυκλώματος.
Για παράδειγμα, για ένα PCB με πάχος 50Mil, εάν η διάμετρος του μαξιλαριού είναι 20Mil (η διάμετρος της οπής διάτρησης είναι 10Mils) και η διάμετρος της ζώνης αντίστασης συγκόλλησης είναι 40Mil, τότε μπορούμε να προσεγγίσουμε την παρασιτική χωρητικότητα του το via από τον παραπάνω τύπο:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
Το μέγεθος της αλλαγής του χρόνου ανόδου που προκαλείται από αυτό το τμήμα της χωρητικότητας είναι περίπου:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Μπορεί να φανεί από αυτές τις τιμές ότι παρόλο που η χρησιμότητα της καθυστέρησης ανόδου που προκαλείται από την παρασιτική χωρητικότητα μιας μονής via δεν είναι πολύ προφανής, εάν η via χρησιμοποιηθεί πολλές φορές στη γραμμή για εναλλαγή μεταξύ στρωμάτων, θα χρησιμοποιηθούν πολλαπλές οπές. και ο σχεδιασμός θα πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά.Στον πραγματικό σχεδιασμό, η παρασιτική χωρητικότητα μπορεί να μειωθεί αυξάνοντας την απόσταση μεταξύ της οπής και της χάλκινης περιοχής (Anti-pad) ή μειώνοντας τη διάμετρο του μαξιλαριού.
Στο σχεδιασμό ψηφιακών κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας, η βλάβη που προκαλείται από την παρασιτική επαγωγή είναι συχνά μεγαλύτερη από την επίδραση της παρασιτικής χωρητικότητας.Η επαγωγή παρασιτικής σειράς του θα αποδυναμώσει τη συμβολή του πυκνωτή παράκαμψης και θα αποδυναμώσει την αποτελεσματικότητα φιλτραρίσματος ολόκληρου του συστήματος ισχύος.
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ακόλουθο εμπειρικό τύπο για να υπολογίσουμε απλώς την παρασιτική επαγωγή μιας προσέγγισης διαμπερούς οπής:
L=5,08h[ln(4h/d)+1]
Όπου το L αναφέρεται στην αυτεπαγωγή του via, h είναι το μήκος του via και d είναι η διάμετρος της κεντρικής οπής.Μπορεί να φανεί από τον τύπο ότι η διάμετρος του via έχει μικρή επίδραση στην αυτεπαγωγή, ενώ το μήκος του via έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην αυτεπαγωγή.Ακόμα χρησιμοποιώντας το παραπάνω παράδειγμα, η αυτεπαγωγή εκτός οπής μπορεί να υπολογιστεί ως:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Εάν ο χρόνος ανόδου του σήματος είναι 1 ns, τότε το ισοδύναμο μέγεθος σύνθετης αντίστασης του είναι:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Αυτή η σύνθετη αντίσταση δεν μπορεί να αγνοηθεί παρουσία ρεύματος υψηλής συχνότητας μέσω, ιδιαίτερα, σημειώστε ότι ο πυκνωτής παράκαμψης πρέπει να περάσει από δύο οπές κατά τη σύνδεση του στρώματος ισχύος και του σχηματισμού, έτσι ώστε η παρασιτική επαγωγή της οπής να πολλαπλασιαστεί.
Πώς να χρησιμοποιήσετε το via;
Μέσα από την παραπάνω ανάλυση των παρασιτικών χαρακτηριστικών της οπής, μπορούμε να δούμε ότι στον σχεδιασμό PCB υψηλής ταχύτητας, οι φαινομενικά απλές τρύπες συχνά επιφέρουν μεγάλα αρνητικά αποτελέσματα στο σχεδιασμό του κυκλώματος.Προκειμένου να μειωθούν οι αρνητικές επιπτώσεις που προκαλούνται από την παρασιτική επίδραση της τρύπας, ο σχεδιασμός μπορεί να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο:
Από τις δύο πτυχές του κόστους και της ποιότητας του σήματος, επιλέξτε ένα λογικό μέγεθος του μεγέθους via.Εάν είναι απαραίτητο, μπορείτε να εξετάσετε το ενδεχόμενο να χρησιμοποιήσετε διαφορετικά μεγέθη vias, όπως για τρύπες τροφοδοσίας ρεύματος ή καλωδίων γείωσης, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μεγαλύτερο μέγεθος για να μειώσετε την σύνθετη αντίσταση και για καλωδίωση σήματος, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα μικρότερο via.Φυσικά όσο μειώνεται το μέγεθος της via θα αυξάνεται και το αντίστοιχο κόστος
Οι δύο τύποι που συζητήθηκαν παραπάνω μπορούν να συναχθούν στο συμπέρασμα ότι η χρήση μιας πιο λεπτής πλακέτας PCB συμβάλλει στη μείωση των δύο παρασιτικών παραμέτρων του via
Η καλωδίωση σήματος στην πλακέτα PCB δεν πρέπει να αλλάξει όσο το δυνατόν περισσότερο, δηλαδή προσπαθήστε να μην χρησιμοποιείτε περιττές διόδους.
Οι Vias πρέπει να τρυπηθούν στους ακροδέκτες του τροφοδοτικού και στο έδαφος.Όσο μικρότερη είναι η απαγωγή μεταξύ των ακίδων και των ακίδων, τόσο το καλύτερο.Μπορούν να ανοίξουν πολλές οπές παράλληλα για να μειωθεί η ισοδύναμη αυτεπαγωγή.
Τοποθετήστε μερικές γειωμένες διαμπερείς οπές κοντά στις διαμπερείς οπές της αλλαγής σήματος για να δώσετε τον πλησιέστερο βρόχο για το σήμα.Μπορείτε ακόμη να τοποθετήσετε μερικές πλεονάζουσες τρύπες γείωσης στην πλακέτα PCB.
Για πλακέτες PCB υψηλής ταχύτητας με υψηλή πυκνότητα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μικρο-οπές.