Το VIA είναι ένα από τα σημαντικά συστατικά του PCB πολλαπλών επιπέδων και το κόστος γεώτρησης συνήθως αντιπροσωπεύει το 30% έως 40% του κόστους του πίνακα PCB. Με απλά λόγια, κάθε τρύπα στο PCB μπορεί να ονομαστεί a via.
Η βασική έννοια της VIA:
Από την άποψη της λειτουργίας, η VIA μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: το ένα χρησιμοποιείται ως ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των στρωμάτων και το άλλο χρησιμοποιείται ως καθορισμός ή τοποθέτηση της συσκευής. Εάν από τη διαδικασία, αυτές οι τρύπες χωρίζονται γενικά σε τρεις κατηγορίες, δηλαδή τυφλές τρύπες, θαμμένες τρύπες και με τρύπες.
Οι τυφλές τρύπες βρίσκονται στις επάνω και κάτω επιφάνειες του πίνακα τυπωμένων κυκλωμάτων και έχουν ένα ορισμένο βάθος για τη σύνδεση του κυκλώματος επιφανείας και του εσωτερικού κυκλώματος κάτω και το βάθος των οπών συνήθως δεν υπερβαίνει μια συγκεκριμένη αναλογία (διάφραγμα).
Η θαμμένη οπή αναφέρεται στην οπή σύνδεσης που βρίσκεται στο εσωτερικό στρώμα του πίνακα τυπωμένων κυκλωμάτων, η οποία δεν εκτείνεται στην επιφάνεια του πίνακα. Οι παραπάνω δύο τύποι οπών βρίσκονται στο εσωτερικό στρώμα της πλακέτας κυκλώματος, το οποίο ολοκληρώνεται με τη διαδικασία χύτευσης με οπές πριν από την πλαστικοποίηση και διάφορα εσωτερικά στρώματα μπορούν να επικαλύπτονται κατά τη διάρκεια του σχηματισμού της οπής.
Ο τρίτος τύπος καλείται διαδόσεις, οι οποίες περνούν από ολόκληρο το πλαίσιο κυκλώματος και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη εσωτερικής διασύνδεσης ή ως οπές τοποθέτησης εγκατάστασης για εξαρτήματα. Επειδή η τρύπα είναι ευκολότερο να επιτευχθεί στη διαδικασία και το κόστος είναι χαμηλότερο, η συντριπτική πλειοψηφία των πίνακα τυπωμένων κυκλωμάτων το χρησιμοποιούν, αντί των άλλων δύο με τρύπες. Οι ακόλουθες τρύπες, χωρίς ειδικές οδηγίες, θεωρούνται μέσω οπών.
Από την άποψη του σχεδιασμού, το A VIA αποτελείται κυρίως από δύο μέρη, το ένα είναι το μέσο της οπής γεώτρησης και η άλλη είναι η περιοχή συγκόλλησης γύρω από την τρύπα γεώτρησης. Το μέγεθος αυτών των δύο εξαρτημάτων καθορίζει το μέγεθος της VIA.
Προφανώς, σε σχεδιασμό υψηλής ταχύτητας, υψηλής πυκνότητας PCB, οι σχεδιαστές θέλουν πάντα την τρύπα όσο το δυνατόν μικρότερη, έτσι ώστε να μπορεί να παραμείνει περισσότερο χώρο καλωδίωσης, επιπλέον, όσο μικρότερη είναι η δική του παρασιτική χωρητικότητα είναι μικρότερη, πιο κατάλληλη για κυκλώματα υψηλής ταχύτητας.
Ωστόσο, η μείωση του μεγέθους μέσω του μεγέθους επιφέρει επίσης την αύξηση του κόστους και το μέγεθος της οπής δεν μπορεί να μειωθεί επ 'αόριστον, περιορίζεται από τη διάτρηση και την ηλεκτρολυτική τεχνολογία: όσο μικρότερη είναι η τρύπα, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάτρηση, τόσο πιο εύκολο είναι να αποκλίνει από το κέντρο. Όταν το βάθος της οπής είναι περισσότερο από 6 φορές η διάμετρος της οπής, είναι αδύνατο να εξασφαλιστεί ότι ο τοίχος της οπής μπορεί να είναι ομοιόμορφα τοποθετημένη με χαλκό.
Για παράδειγμα, εάν το πάχος (μέσω βάθους οπής) μιας κανονικής πλακέτας PCB 6 επιπέδων είναι 50mil, τότε η ελάχιστη διάμετρος γεώτρησης που μπορούν να παρέχουν οι κατασκευαστές PCB υπό κανονικές συνθήκες μπορεί να φτάσει μόνο τα 8mil. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας γεώτρησης με λέιζερ, το μέγεθος της γεώτρησης μπορεί επίσης να είναι μικρότερο και μικρότερο και η διάμετρος της οπής είναι γενικά μικρότερο ή ίσο με 6mils, ονομάζουμε μικροεπιχειρήσεις.
Οι μικροεπιχειρήσεις χρησιμοποιούνται συχνά στο σχεδιασμό HDI (δομή διασύνδεσης υψηλής πυκνότητας) και η τεχνολογία μικροεπισκόπησης μπορεί να επιτρέψει την άμεση διάτρηση της οπής στο PAD, το οποίο βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του κυκλώματος και εξοικονομεί τον χώρο καλωδίωσης. Το VIA εμφανίζεται ως σημείο διακοπής της ασυνέχειας σύνθετης αντίστασης στη γραμμή μετάδοσης, προκαλώντας αντανάκλαση 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 των 50 ohms θα μειωθεί κατά 6 ohms όταν περνάει από την οπή (συγκεκριμένα και το μέγεθος του πάχους της πλάκας σχετίζεται επίσης, όχι απόλυτη μείωση).
Ωστόσο, ο προβληματισμός που προκαλείται από την ασυνέχεια αντίστασης μέσω είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρός και ο συντελεστής αντανάκλασης είναι μόνο:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Τα προβλήματα που προκύπτουν από τη VIA είναι πιο συγκεντρωμένα στις επιδράσεις της παρασιτικής χωρητικότητας και της επαγωγικής.
Η παρασιτική χωρητικότητα και η επαγωγή της Via's
Υπάρχει μια παρασιτική αδέσποτη χωρητικότητα στο ίδιο. Εάν η διάμετρος της ζώνης αντίστασης συγκόλλησης στο στρώμα που έχει τοποθετηθεί 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 οπής είναι περίπου:
C = 1,41εtd1/(D2-D1)
Η κύρια επίδραση της παρασιτικής χωρητικότητας στο κύκλωμα είναι να παρατείνει τον χρόνο αύξησης του σήματος και να μειώσει την ταχύτητα του κυκλώματος.
Για παράδειγμα, για ένα PCB με πάχος 50mil, αν η διάμετρος του PAD VIA είναι 20mil (η διάμετρος της οπής γεώτρησης είναι 10mils) και η διάμετρος της ζώνης αντίστασης συγκόλλησης είναι 40mil, τότε μπορούμε να προσεγγίσουμε την παρασιτική χωρητικότητα του μέσω του παραπάνω τύπου:
C = 1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020) = 0.31pf
Το ποσό της αλλαγής χρόνου αύξησης που προκαλείται από αυτό το τμήμα της χωρητικότητας είναι περίπου:
T10-90 = 2.2c (z0/2) = 2.2x0.31x (50/2) = 17.05ps
Από αυτές τις τιμές μπορεί να φανεί ότι αν και η χρησιμότητα της καθυστέρησης ανύψωσης που προκαλείται από την παρασιτική χωρητικότητα ενός ενιαίου μέσω δεν είναι πολύ προφανής, εάν το VIA χρησιμοποιείται αρκετές φορές στη γραμμή για να αλλάξει μεταξύ των στρωμάτων, θα χρησιμοποιηθεί 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 περιοχής χαλκού (αντι-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 επαγωγική της παρασιτικής σειράς θα αποδυναμώσει τη συμβολή του πυκνωτή παράκαμψης και θα αποδυναμώσει την αποτελεσματικότητα του φιλτραρίσματος ολόκληρου του συστήματος ισχύος.
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ακόλουθο εμπειρικό τύπο για να υπολογίσουμε απλώς την παρασιτική επαγωγή μιας προσέγγισης μεταξύ των οπών:
L = 5.08H [LN (4H/D) +1]
Όπου το L αναφέρεται στην επαγωγή της VIA, το H είναι το μήκος της VIA και D είναι η διάμετρος της κεντρικής οπής. Μπορεί να φανεί από τον τύπο ότι η διάμετρος της VIA έχει μικρή επιρροή στην επαγωγή, ενώ το μήκος του VIA έχει τη μεγαλύτερη επιρροή στην επαγωγή. Ακόμα χρησιμοποιώντας το παραπάνω παράδειγμα, η επαγωγή εκτός οπής μπορεί να υπολογιστεί ως:
L = 5.08x0.050 [LN (4x0.050/0.010) +1] = 1.015NH
Εάν ο χρόνος αύξησης του σήματος είναι 1NS, τότε το ισοδύναμο μέγεθος της σύνθετης αντίστασης είναι:
Xl = π./T10-90 = 3.19Ω
Αυτή η αντίσταση δεν μπορεί να αγνοηθεί παρουσία ρεύματος υψηλής συχνότητας μέσω, ειδικότερα, σημειώστε ότι ο πυκνωτής παράκαμψης πρέπει να περάσει από δύο τρύπες κατά τη σύνδεση του στρώματος ισχύος και του σχηματισμού, έτσι ώστε να πολλαπλασιαστεί η παραγωγική επαγωγή της οπής.
Πώς να χρησιμοποιήσετε το VIA;
Μέσα από την παραπάνω ανάλυση των παρασιτικών χαρακτηριστικών της οπής, μπορούμε να δούμε ότι σε σχεδιασμό PCB υψηλής ταχύτητας, φαινομενικά απλές τρύπες συχνά φέρνουν μεγάλες αρνητικές επιπτώσεις στο σχεδιασμό του κυκλώματος. Προκειμένου να μειωθούν οι ανεπιθύμητες ενέργειες που προκαλούνται από το παρασιτικό αποτέλεσμα της οπής, 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 τη χρήση διαφορετικών μεγεθών VIA, όπως για τροφοδοσίες ή οπές εδάφους, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα μεγαλύτερο μέγεθος για να μειώσετε την αντίσταση και για την καλωδίωση σήματος, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα μικρότερο μέσω. Φυσικά, καθώς το μέγεθος της VIA μειώνεται, το αντίστοιχο κόστος θα αυξηθεί επίσης
Οι δύο τύποι που συζητήθηκαν παραπάνω μπορούν να συναχθούν το συμπέρασμα ότι η χρήση ενός λεπτότερου πίνακα PCB είναι ευνοϊκή για τη μείωση των δύο παρασιτικών παραμέτρων της VIA
Η καλωδίωση σήματος στην πλακέτα PCB δεν πρέπει να αλλάζει όσο το δυνατόν περισσότερο, δηλαδή να μην χρησιμοποιήσετε περιττές βολές.
Οι βυθοκόροι πρέπει να τρυπηθούν στις καρφίτσες της τροφοδοσίας και του εδάφους. Όσο μικρότερο είναι το προβάδισμα μεταξύ των ακίδων και των βημάτων, τόσο το καλύτερο. Πολλαπλές οπές μπορούν να τρυπηθούν παράλληλα για να μειώσουν την ισοδύναμη επαγωγή.
Τοποθετήστε μερικές γειωμένες διαδόσεις κοντά στις διαδόσεις της αλλαγής του σήματος για να παρέχετε τον πλησιέστερο βρόχο για το σήμα. Μπορείτε ακόμη και να τοποθετήσετε μερικές υπερβολικές οπές εδάφους στην πλακέτα PCB.
Για πίνακες PCB υψηλής ταχύτητας με υψηλή πυκνότητα, μπορείτε να εξετάσετε τη χρήση μικρο-τρύπων.