Läpivienti on yksi monikerroksisen piirilevyn tärkeistä osista, ja porauskustannukset ovat yleensä 30–40 prosenttia piirilevyn kustannuksista. Yksinkertaisesti sanottuna jokaista piirilevyn reikää voidaan kutsua läpivienniksi.
Vian peruskonsepti:
Toiminnan kannalta läpivienti voidaan jakaa kahteen luokkaan: toista käytetään kerrosten välisenä sähköisenä liitäntänä ja toista laitteen kiinnittämiseen tai sijoittamiseen. Jos prosessista nämä reiät jaetaan yleensä kolmeen luokkaan, nimittäin umpireikiin, haudattuihin reikiin ja läpimeneviin reikiin.
Sokeat reiät sijaitsevat painetun piirilevyn ylä- ja alapinnalla ja niillä on tietty syvyys pintapiirin ja alla olevan sisäpiirin liittämistä varten, eikä reikien syvyys yleensä ylitä tiettyä suhdetta (aukko).
Upotetulla reiällä tarkoitetaan piirilevyn sisäkerroksessa sijaitsevaa liitäntäreikää, joka ei ulotu levyn pintaan. Edellä mainitut kahden tyyppiset reiät sijaitsevat piirilevyn sisäkerroksessa, joka viimeistellään läpireikämuovauksella ennen laminointia, ja useita sisäkerroksia voi olla päällekkäin läpimenevän reiän muodostuksen aikana.
Kolmatta tyyppiä kutsutaan läpimeneviksi rei'iksi, jotka kulkevat koko piirilevyn läpi ja joita voidaan käyttää sisäiseen yhteenkytkemiseen tai komponenttien asennuspaikkojen reikiin. Koska läpivientireikä on helpompi saavuttaa prosessissa ja kustannukset ovat alhaisemmat, suurin osa painetuista piirilevyistä käyttää sitä kahden muun läpimenevän reiän sijaan. Seuraavia reikiä ilman erityisiä ohjeita pidetään läpimenevinä reikinä.
Suunnittelun näkökulmasta läpivienti koostuu pääasiassa kahdesta osasta, joista toinen on porausreiän keskiosa ja toinen on porausreiän ympärillä oleva hitsausalustan alue. Näiden kahden osan koko määrittää läpiviennin koon.
Ilmeisesti nopeassa ja tiheässä piirilevysuunnittelussa suunnittelijat haluavat aina mahdollisimman pienen reiän, jotta johdotustilaa voidaan jättää enemmän, lisäksi mitä pienempi läpivienti, sen oma loiskapasitanssi on pienempi, sopivampi nopeille piireille.
Reiän koon pienentäminen tuo kuitenkin mukanaan myös kustannusten nousua, eikä reiän kokoa voi pienentää loputtomiin, sitä rajoittaa poraus- ja galvanointitekniikka: mitä pienempi reikä, sitä kauemmin poraus kestää, sitä helpompaa. on poiketa keskustasta; Kun reiän syvyys on yli 6 kertaa reiän halkaisija, on mahdotonta varmistaa, että reiän seinämä voidaan pinnoittaa tasaisesti kuparilla.
Esimerkiksi, jos normaalin 6-kerroksisen piirilevyn paksuus (läpireiän syvyys) on 50 Mil, pienin poraushalkaisija, jonka piirilevyjen valmistajat voivat tarjota normaaleissa olosuhteissa, voi olla vain 8 Mil. Laserporaustekniikan kehittyessä porauksen koko voi olla myös pienempi ja pienempi, ja reiän halkaisija on yleensä pienempi tai yhtä suuri kuin 6Mils, meitä kutsutaan mikroreikiksi.
Mikroreikiä käytetään usein HDI (high density interconnect structure) -suunnittelussa, ja mikroreikätekniikka voi mahdollistaa reiän poraamisen suoraan alustaan, mikä parantaa huomattavasti piirin suorituskykyä ja säästää johdotustilaa. Läpivienti näkyy siirtojohdon impedanssin katkeamispisteenä, mikä aiheuttaa signaalin heijastuksen. Yleensä reiän ekvivalenttinen impedanssi on noin 12 % pienempi kuin voimajohdon, esimerkiksi 50 ohmin siirtojohdon impedanssi pienenee 6 ohmilla, kun se kulkee reiän läpi (erityisesti ja läpiviennin koko, levyn paksuus on myös suhteessa, ei absoluuttinen pienennys).
Impedanssin epäjatkuvuuden aiheuttama heijastus on kuitenkin itse asiassa hyvin pieni ja sen heijastuskerroin on vain:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Viasta aiheutuvat ongelmat keskittyvät enemmän loiskapasitanssin ja -induktanssin vaikutuksiin.
Vian parasiittisen kapasitanssin ja induktanssin kautta
Itse läpiviennissä on loishajakapasitanssi. Jos levitetyn kerroksen juotosvastusvyöhykkeen halkaisija on D2, juotostyynyn halkaisija on D1, piirilevyn paksuus on T ja alustan dielektrisyysvakio on ε, läpimenevän reiän loiskapasitanssi on suunnilleen:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Parasiittisen kapasitanssin tärkein vaikutus piiriin on pidentää signaalin nousuaikaa ja vähentää piirin nopeutta.
Esimerkiksi PCB:lle, jonka paksuus on 50 Miliä, jos läpivientiaukon halkaisija on 20 mil (porausreiän halkaisija on 10 mil) ja juotteen vastustusvyöhykkeen halkaisija on 40 mil, voimme likimääräisesti arvioida loiskapasitanssin kautta yllä olevalla kaavalla:
C=1,41 x 4,4 x 0,050 x 0,020/(0,040-0,020)=0,31 pF
Kapasitanssin tämän osan aiheuttama nousuajan muutoksen määrä on suunnilleen:
T10-90 = 2,2 C (Z0/2) = 2,2 x 0,31 x (50/2) = 17,05 ps
Näistä arvoista voidaan nähdä, että vaikka yksittäisen läpiviennin loiskapasitanssin aiheuttaman nousuviiveen hyödyllisyys ei ole kovin ilmeinen, jos läpivientiä käytetään useita kertoja rivissä kerrosten välillä vaihtamiseen, käytetään useita reikiä, ja suunnittelua tulee harkita huolellisesti. Varsinaisessa suunnittelussa loiskapasitanssia voidaan pienentää lisäämällä reiän ja kuparialueen välistä etäisyyttä (Anti-pad) tai pienentämällä tyynyn halkaisijaa.
Nopeiden digitaalisten piirien suunnittelussa parasiittisen induktanssin aiheuttama haitta on usein suurempi kuin parasiittisen kapasitanssin vaikutus. Sen loissarjainduktanssi heikentää ohituskondensaattorin panosta ja heikentää koko sähköjärjestelmän suodatustehoa.
Voimme käyttää seuraavaa empiiristä kaavaa yksinkertaisesti laskeaksemme läpimenevän reiän likimäärän parasiittisen induktanssin:
L=5,08 h[ln(4t/d)+1]
Kun L viittaa läpiviennin induktanssiin, h on läpiviennin pituus ja d on keskireiän halkaisija. Kaavasta voidaan nähdä, että läpiviennin halkaisijalla on vähän vaikutusta induktanssiin, kun taas läpiviennin pituudella on suurin vaikutus induktanssiin. Yllä olevaa esimerkkiä käyttäen reiän ulkopuolinen induktanssi voidaan laskea seuraavasti:
L = 5,08 x 0,050 [ln(4x0,050/0,010)+1] = 1,015 nH
Jos signaalin nousuaika on 1ns, niin sen vastaava impedanssikoko on:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Tällaista impedanssia ei voida jättää huomiotta korkeataajuisen virran läsnäollessa, erityisesti huomioi, että ohituskondensaattorin täytyy kulkea kahden reiän läpi kytkettäessä tehokerrosta ja muodostusta, jotta reiän loisinduktanssi moninkertaistuu.
Miten kauttaa käytetään?
Yllä olevan reiän loisominaisuuksien analyysin avulla voimme nähdä, että nopeassa piirilevysuunnittelussa näennäisesti yksinkertaiset reiät tuovat usein suuria negatiivisia vaikutuksia piirin suunnitteluun. Reiän loisvaikutuksen aiheuttamien haitallisten vaikutusten vähentämiseksi suunnittelu voi olla mahdollisimman pitkä:
Valitse kahdesta kustannus- ja signaalilaadun näkökulmasta kohtuullinen läpiviennin koko. Tarvittaessa voit harkita erikokoisten läpivientien käyttöä, kuten virtalähteen tai maadoitusjohtimien reikiä varten, voit harkita suuremman koon käyttöä impedanssin pienentämiseksi ja signaalijohdotuksessa voit käyttää pienempää läpivientiä. Tietenkin, kun läpiviennin koko pienenee, vastaavat kustannukset kasvavat myös
Edellä käsitellyt kaksi kaavaa voidaan päätellä, että ohuemman piirilevyn käyttö vähentää läpiviennin kahta parasiittiparametria.
Piirilevyn signaalijohdotusta ei pidä muuttaa niin pitkälle kuin mahdollista, eli yritä olla käyttämättä tarpeettomia läpivientejä.
Läpiviennit on porattava virtalähteen nastoihin ja maahan. Mitä lyhyempi johto nastojen ja läpivientien välillä, sitä parempi. Samanaikaisen induktanssin pienentämiseksi voidaan porata useita reikiä rinnakkain.
Aseta maadoitettuja läpimeneviä reikiä lähelle signaalinvaihdon läpimeneviä reikiä, jotta signaalille saadaan lähin silmukka. Voit jopa sijoittaa ylimääräisiä maadoitusreikiä piirilevylle.
Nopeille piirilevyille, joilla on suuri tiheys, voit harkita mikroreikien käyttöä.