La vía es uno de los componentes importantes de la PCB multicapa y el costo de perforación generalmente representa del 30% al 40% del costo de la placa PCB. En pocas palabras, cada orificio de la PCB se puede denominar vía.
El concepto básico de la vía:
Desde el punto de vista funcional, la vía se puede dividir en dos categorías: una se utiliza como conexión eléctrica entre las capas y la otra se utiliza como fijación o posicionamiento del dispositivo. Según el proceso, estos agujeros generalmente se dividen en tres categorías: agujeros ciegos, agujeros enterrados y agujeros pasantes.
Los orificios ciegos están ubicados en las superficies superior e inferior de la placa de circuito impreso y tienen una cierta profundidad para la conexión del circuito de superficie y el circuito interno debajo, y la profundidad de los orificios generalmente no excede una cierta relación (apertura).
El orificio enterrado se refiere al orificio de conexión ubicado en la capa interna de la placa de circuito impreso, que no se extiende hasta la superficie de la placa. Los dos tipos de orificios anteriores están ubicados en la capa interna de la placa de circuito, que se completa mediante el proceso de moldeo por orificio pasante antes de la laminación, y se pueden superponer varias capas internas durante la formación del orificio pasante.
El tercer tipo se llama orificios pasantes, que atraviesan toda la placa de circuito y pueden usarse para lograr la interconexión interna o como orificios de posicionamiento de instalación para componentes. Debido a que el orificio pasante es más fácil de lograr en el proceso y el costo es menor, la gran mayoría de las placas de circuito impreso lo utilizan, en lugar de los otros dos orificios pasantes. Los siguientes agujeros, sin instrucciones especiales, se consideran agujeros pasantes.
Desde el punto de vista del diseño, una vía se compone principalmente de dos partes, una es el centro del orificio de perforación y la otra es el área de la almohadilla de soldadura alrededor del orificio de perforación. El tamaño de estas dos partes determina el tamaño de la vía.
Obviamente, en el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, los diseñadores siempre quieren que el orificio sea lo más pequeño posible, para poder dejar más espacio para el cableado; además, cuanto más pequeña es la vía, su propia capacitancia parásita es más pequeña, más adecuada. para circuitos de alta velocidad.
Sin embargo, la reducción del tamaño de la vía también conlleva un aumento de los costes, y el tamaño del agujero no se puede reducir indefinidamente, sino que está limitado por la tecnología de perforación y galvanoplastia: cuanto más pequeño es el agujero, cuanto más tiempo lleva perforar, más fácil es es desviarse del centro; Cuando la profundidad del orificio es más de 6 veces el diámetro del orificio, es imposible garantizar que la pared del orificio pueda recubrirse uniformemente con cobre.
Por ejemplo, si el espesor (profundidad del orificio pasante) de una placa PCB normal de 6 capas es de 50 mil, entonces el diámetro mínimo de perforación que los fabricantes de PCB pueden proporcionar en condiciones normales solo puede alcanzar los 8 mil. Con el desarrollo de la tecnología de perforación láser, el tamaño de la perforación también puede ser cada vez más pequeño, y el diámetro del orificio es generalmente menor o igual a 6 Mils, lo que se denomina microagujeros.
Los microagujeros se utilizan a menudo en el diseño HDI (estructura de interconexión de alta densidad), y la tecnología de microagujeros puede permitir que el orificio se taladre directamente en la plataforma, lo que mejora en gran medida el rendimiento del circuito y ahorra espacio de cableado. La vía aparece como un punto de ruptura de discontinuidad de impedancia en la línea de transmisión, provocando un reflejo de la señal. Generalmente, la impedancia equivalente del orificio es aproximadamente un 12% menor que la de la línea de transmisión, por ejemplo, la impedancia de una línea de transmisión de 50 ohmios se reducirá en 6 ohmios cuando pase por el orificio (específicamente y el tamaño de la vía, el espesor de la placa también está relacionado, no una reducción absoluta).
Sin embargo, la reflexión causada por la discontinuidad de la impedancia es en realidad muy pequeña y su coeficiente de reflexión es solo:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Los problemas que surgen de la vía se concentran más en los efectos de la capacitancia e inductancia parásitas.
Capacitancia e inductancia parásita de Via
Hay una capacitancia parásita en la propia vía. Si el diámetro de la zona de resistencia de soldadura en la capa colocada es D2, el diámetro de la almohadilla de soldadura es D1, el espesor de la placa PCB es T y la constante dieléctrica del sustrato es ε, la capacitancia parásita del orificio pasante es aproximadamente:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
El principal efecto de la capacitancia parásita en el circuito es prolongar el tiempo de subida de la señal y reducir la velocidad del circuito.
Por ejemplo, para una PCB con un espesor de 50 mil, si el diámetro de la almohadilla de vía es de 20 mil (el diámetro del orificio de perforación es de 10 mil) y el diámetro de la zona de resistencia de soldadura es de 40 mil, entonces podemos aproximar la capacitancia parásita de la vía por la fórmula anterior:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
La cantidad de cambio en el tiempo de subida causado por esta parte de la capacitancia es aproximadamente:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Se puede ver a partir de estos valores que, aunque la utilidad del retardo de subida causado por la capacitancia parásita de una única vía no es muy obvia, si la vía se usa varias veces en la línea para cambiar entre capas, se usarán múltiples orificios. y el diseño debe considerarse cuidadosamente. En el diseño actual, la capacitancia parásita se puede reducir aumentando la distancia entre el orificio y el área de cobre (Anti-pad) o reduciendo el diámetro de la almohadilla.
En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, el daño causado por la inductancia parásita suele ser mayor que la influencia de la capacitancia parásita. Su inductancia parásita en serie debilitará la contribución del condensador de derivación y debilitará la eficacia de filtrado de todo el sistema de energía.
Podemos usar la siguiente fórmula empírica para calcular simplemente la inductancia parásita de una aproximación de orificio pasante:
L=5,08h[ln(4h/día)+1]
Donde L se refiere a la inductancia de la vía, h es la longitud de la vía y d es el diámetro del orificio central. De la fórmula se puede ver que el diámetro de la vía tiene poca influencia sobre la inductancia, mientras que la longitud de la vía tiene la mayor influencia sobre la inductancia. Siguiendo con el ejemplo anterior, la inductancia fuera del pozo se puede calcular como:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Si el tiempo de subida de la señal es 1ns, entonces su tamaño de impedancia equivalente es:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Dicha impedancia no se puede ignorar en presencia de corriente de alta frecuencia; en particular, tenga en cuenta que el condensador de derivación debe pasar a través de dos orificios cuando se conecta la capa de energía y la formación, de modo que la inductancia parásita del orificio se multiplicará.
¿Cómo utilizar la vía?
A través del análisis anterior de las características parásitas del agujero, podemos ver que en el diseño de PCB de alta velocidad, los agujeros aparentemente simples a menudo traen grandes efectos negativos al diseño del circuito. Para reducir los efectos adversos provocados por el efecto parásito del agujero, el diseño puede ser en la medida de lo posible:
De los dos aspectos del costo y la calidad de la señal, elija un tamaño razonable de vía. Si es necesario, puede considerar el uso de diferentes tamaños de vías, como para la fuente de alimentación o los orificios del cable de tierra, puede considerar usar un tamaño más grande para reducir la impedancia y, para el cableado de señal, puede usar una vía más pequeña. Por supuesto, a medida que disminuye el tamaño de la vía, el costo correspondiente también aumentará.
Se puede concluir de las dos fórmulas discutidas anteriormente que el uso de una placa PCB más delgada favorece la reducción de los dos parámetros parásitos de la vía.
El cableado de señal en la placa PCB no se debe cambiar en la medida de lo posible, es decir, intentar no utilizar vías innecesarias.
Se deben perforar vías en los pines de la fuente de alimentación y de tierra. Cuanto más corto sea el paso entre los pines y las vías, mejor. Se pueden perforar varios agujeros en paralelo para reducir la inductancia equivalente.
Coloque algunos orificios pasantes conectados a tierra cerca de los orificios pasantes del cambio de señal para proporcionar el bucle más cercano para la señal. Incluso puedes colocar algunos agujeros de tierra sobrantes en la placa PCB.
Para placas PCB de alta velocidad y alta densidad, puede considerar el uso de microagujeros.