via یکی از اجزای مهم PCB چند لایه است و هزینه حفاری معمولاً 30٪ تا 40٪ از هزینه برد PCB را تشکیل می دهد. به زبان ساده، هر سوراخ روی PCB را می توان یک via نامید.
مفهوم اساسی via:
از نظر عملکرد، via را می توان به دو دسته تقسیم کرد: یکی به عنوان اتصال الکتریکی بین لایه ها و دیگری به عنوان ثابت یا موقعیت یابی دستگاه استفاده می شود. اگر از فرآیند، این سوراخ ها به طور کلی به سه دسته، یعنی سوراخ های کور، سوراخ های مدفون و سوراخ های عبوری تقسیم می شوند.
سوراخ های کور در سطوح بالا و پایین برد مدار چاپی قرار دارند و دارای عمق مشخصی برای اتصال مدار سطح و مدار داخلی زیر می باشند و عمق سوراخ ها معمولاً از نسبت معینی (دیافراگم) تجاوز نمی کند.
سوراخ مدفون به سوراخ اتصالی اطلاق می شود که در لایه داخلی برد مدار چاپی قرار دارد که تا سطح برد گسترش نمی یابد. دو نوع سوراخ فوق در لایه داخلی تخته مدار قرار دارند که توسط فرآیند قالب گیری سوراخی قبل از لمینیت تکمیل می شود و ممکن است چندین لایه داخلی در طول تشکیل سوراخ عبوری روی هم قرار گیرند.
نوع سوم، سوراخ‌های عبوری نامیده می‌شود که از کل صفحه مدار عبور می‌کنند و می‌توانند برای دستیابی به اتصال داخلی یا به عنوان سوراخ‌های تعیین موقعیت نصب برای قطعات استفاده شوند. از آنجایی که حفره عبوری در فرآیند آسان‌تر به دست می‌آید و هزینه آن کمتر است، اکثریت قریب به اتفاق بردهای مدار چاپی به جای دو سوراخ دیگر از آن استفاده می‌کنند. سوراخ های زیر بدون دستورالعمل خاصی به عنوان سوراخ در نظر گرفته می شوند.
از نقطه نظر طراحی، a via عمدتا از دو قسمت تشکیل شده است، یکی وسط سوراخ حفاری، و دیگری ناحیه پد جوش در اطراف سوراخ حفاری است. اندازه این دو قسمت اندازه via را تعیین می کند.
بدیهی است که در طراحی PCB با سرعت بالا و چگالی بالا، طراحان همیشه می خواهند سوراخ تا حد امکان کوچک باشد، به طوری که فضای سیم کشی بیشتری باقی بماند، علاوه بر این، هرچه از طریق کوچکتر باشد، ظرفیت انگلی خود کوچکتر و مناسب تر است. برای مدارهای پرسرعت
با این حال، کاهش اندازه ویا باعث افزایش هزینه‌ها نیز می‌شود و اندازه سوراخ را نمی‌توان به طور نامحدود کاهش داد، آن را با تکنولوژی حفاری و آبکاری محدود می‌کند: هرچه سوراخ کوچکتر باشد، حفاری بیشتر طول می‌کشد، آسان‌تر است. انحراف از مرکز است. هنگامی که عمق سوراخ بیش از 6 برابر قطر سوراخ باشد، اطمینان از اینکه دیوار سوراخ را می توان به طور یکنواخت با مس پوشش داد، غیرممکن است.
به عنوان مثال، اگر ضخامت (از طریق عمق سوراخ) یک برد PCB 6 لایه معمولی 50Mil باشد، حداقل قطر حفاری که تولیدکنندگان PCB می توانند در شرایط عادی ارائه دهند تنها می تواند به 8Mil برسد. با توسعه فناوری حفاری لیزری، اندازه حفاری نیز می تواند کوچکتر و کوچکتر شود و قطر سوراخ به طور کلی کمتر یا مساوی 6Mils است که به ما ریزچاله می گویند.
میکروچاله‌ها اغلب در طراحی HDI (ساختار اتصال با چگالی بالا) استفاده می‌شوند و فناوری میکروچاله می‌تواند به سوراخ مستقیماً روی پد حفر شود، که عملکرد مدار را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد و فضای سیم‌کشی را ذخیره می‌کند. Via به عنوان نقطه شکست ناپیوستگی امپدانس در خط انتقال ظاهر می شود و باعث انعکاس سیگنال می شود. به طور کلی، امپدانس معادل سوراخ حدود 12٪ کمتر از خط انتقال است، به عنوان مثال، امپدانس یک خط انتقال 50 اهم زمانی که از سوراخ عبور می کند، 6 اهم کاهش می یابد (به طور خاص و اندازه خط انتقال، ضخامت صفحه نیز مرتبط است، نه کاهش مطلق).
با این حال، انعکاس ناشی از ناپیوستگی امپدانس از طریق در واقع بسیار کوچک است و ضریب بازتاب آن فقط:
(44-50)/(44 + 50) = 0.06
مشکلات ناشی از via بیشتر بر روی اثرات خازن و اندوکتانس انگلی متمرکز است.
از طریق ظرفیت انگلی و اندوکتانس
یک خازن سرگردان انگلی در خود via وجود دارد. اگر قطر ناحیه مقاومت لحیم کاری روی لایه گذاشته شده D2 باشد، قطر پد لحیم کاری D1، ضخامت برد PCB T و ثابت دی الکتریک زیرلایه ε باشد، ظرفیت انگلی سوراخ عبوری. تقریباً است:
C=1.41εTD1/(D2-D1)
اثر اصلی ظرفیت انگلی بر روی مدار، طولانی شدن زمان افزایش سیگنال و کاهش سرعت مدار است.
به عنوان مثال، برای PCB با ضخامت 50Mil، اگر قطر لنت via 20Mil (قطر سوراخ حفاری 10Mils) و قطر ناحیه مقاومت لحیم کاری 40Mil باشد، می توانیم ظرفیت انگلی را تقریبی کنیم. توسط فرمول بالا:
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF
مقدار تغییر زمان افزایش ناشی از این بخش از ظرفیت تقریباً به صورت زیر است:
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
از این مقادیر می توان دریافت که اگرچه سودمندی تاخیر افزایش ناشی از ظرفیت انگلی یک ویا منفرد چندان مشهود نیست، اما اگر از via چندین بار در خط برای سوئیچ بین لایه ها استفاده شود، از سوراخ های متعدد استفاده می شود. و طراحی باید به دقت مورد توجه قرار گیرد. در طراحی واقعی، ظرفیت انگلی را می توان با افزایش فاصله بین سوراخ و ناحیه مسی (Anti-pad) یا کاهش قطر پد کاهش داد.
در طراحی مدارهای دیجیتالی با سرعت بالا، آسیب ناشی از اندوکتانس انگلی اغلب بیشتر از تأثیر ظرفیت انگلی است. اندوکتانس سری انگلی آن سهم خازن بای پس را تضعیف می کند و کارایی فیلتر کل سیستم قدرت را تضعیف می کند.
ما می توانیم از فرمول تجربی زیر برای محاسبه ساده اندوکتانس انگلی یک تقریب از سوراخ استفاده کنیم:
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
در جایی که L به اندوکتانس via اشاره دارد، h طول via و d قطر سوراخ مرکزی است. از فرمول می توان دریافت که قطر via تأثیر کمی بر اندوکتانس دارد، در حالی که طول via بیشترین تأثیر را روی اندوکتانس دارد. هنوز هم با استفاده از مثال بالا، اندوکتانس خارج از سوراخ را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
اگر زمان افزایش سیگنال 1 ثانیه باشد، اندازه امپدانس معادل آن برابر است با:
XL=πL/T10-90=3.19Ω
چنین امپدانسی را نمی توان در حضور جریان با فرکانس بالا نادیده گرفت، به ویژه توجه داشته باشید که خازن بای پس هنگام اتصال لایه قدرت و سازند باید از دو سوراخ عبور کند تا اندوکتانس انگلی سوراخ چند برابر شود.
چگونه از via استفاده کنیم؟
از طریق تجزیه و تحلیل فوق از خصوصیات انگلی سوراخ، می‌توان دریافت که در طراحی مدار چاپی پرسرعت، سوراخ‌های به ظاهر ساده اغلب اثرات منفی زیادی بر طراحی مدار می‌آورند. به منظور کاهش اثرات نامطلوب ناشی از اثر انگلی سوراخ، طراحی می تواند تا حد امکان:
از دو جنبه هزینه و کیفیت سیگنال، اندازه معقولی از اندازه را انتخاب کنید. در صورت لزوم، می‌توانید از اندازه‌های مختلف vias استفاده کنید، مانند منبع تغذیه یا سوراخ‌های سیم زمین، می‌توانید از اندازه بزرگ‌تر برای کاهش امپدانس و برای سیم‌کشی سیگنال، می‌توانید از ویا کوچکتر استفاده کنید. البته با کاهش سایز via هزینه مربوطه نیز افزایش می یابد
از دو فرمول مورد بحث در بالا می توان نتیجه گرفت که استفاده از یک برد PCB نازک تر برای کاهش دو پارامتر انگلی از طریق کمک می کند.
سیم‌کشی سیگنال روی برد PCB را تا حد امکان نباید تغییر داد، یعنی سعی کنید از Vias غیر ضروری استفاده نکنید.
Vias باید در پین های منبع تغذیه و زمین سوراخ شود. هرچه فاصله بین پین ها و ویاس ها کوتاه تر باشد، بهتر است. برای کاهش اندوکتانس معادل، می توان چندین سوراخ به صورت موازی حفر کرد.
برخی از سوراخ‌های ارت‌داده‌شده را در نزدیکی سوراخ‌های ورودی تغییر سیگنال قرار دهید تا نزدیک‌ترین حلقه برای سیگنال فراهم شود. حتی می توانید تعدادی سوراخ اضافی زمین را روی برد PCB قرار دهید.
برای بردهای PCB با سرعت بالا با چگالی بالا، می توانید از سوراخ های میکرو استفاده کنید.