Otvor je jedna od važnih komponenti višeslojne PCB ploče, a trošak bušenja obično iznosi 30% do 40% cijene PCB ploče. Jednostavno rečeno, svaka rupa na tiskanoj ploči može se nazvati prolazom.
Osnovni koncept via:
S gledišta funkcije, via se može podijeliti u dvije kategorije: jedna se koristi kao električna veza između slojeva, a druga se koristi kao pričvršćivanje ili pozicioniranje uređaja. Iz procesa, ove rupe općenito se dijele u tri kategorije, naime slijepe rupe, zakopane rupe i prolazne rupe.
Slijepe rupe nalaze se na gornjoj i donjoj površini tiskane pločice i imaju određenu dubinu za spajanje površinskog kruga i unutarnjeg kruga ispod, a dubina rupa obično ne prelazi određeni omjer (otvor).
Ukopana rupa odnosi se na rupu za spajanje koja se nalazi u unutarnjem sloju tiskane ploče, a koja se ne proteže do površine ploče. Gornje dvije vrste rupa nalaze se u unutarnjem sloju tiskane ploče, koji se dovršava postupkom oblikovanja kroz rupe prije laminacije, a nekoliko unutarnjih slojeva može se preklapati tijekom formiranja kroz rupe.
Treći tip se zove prolazne rupe, koje prolaze kroz cijelu tiskanu ploču i mogu se koristiti za postizanje unutarnjeg međusobnog povezivanja ili kao rupe za postavljanje komponenti. Budući da je prolazni otvor lakše postići u procesu i cijena je niža, velika većina tiskanih pločica koristi ga, umjesto druge dvije prolazne rupe. Sljedeće rupe, bez posebnih uputa, smatraju se prolaznim rupama.
Sa stajališta dizajna, otvor se uglavnom sastoji od dva dijela, jedan je sredina izbušene rupe, a drugi je područje zavarivačke ploče oko izbušene rupe. Veličina ova dva dijela određuje veličinu otvora.
Očito, u dizajnu PCB-a velike brzine i velike gustoće, dizajneri uvijek žele što manju rupu, tako da se može ostaviti više prostora za ožičenje, osim toga, što je otvor manji, njegov vlastiti parazitski kapacitet je manji, prikladniji za strujne krugove velike brzine.
Međutim, smanjenje veličine otvora također dovodi do povećanja troškova, a veličina rupe se ne može beskonačno smanjivati, ograničena je tehnologijom bušenja i galvanizacije: što je rupa manja, bušenje dulje traje, to je lakše je odstupiti od središta; Kada je dubina rupe više od 6 puta veća od promjera rupe, nemoguće je osigurati da se stijenka rupe može ravnomjerno obložiti bakrom.
Na primjer, ako je debljina (dubina otvora) normalne 6-slojne PCB ploče 50 Mil, tada minimalni promjer bušenja koji proizvođači PCB-a mogu osigurati u normalnim uvjetima može doseći samo 8 Mil. S razvojem tehnologije laserskog bušenja, veličina bušenja također može biti sve manja i manja, a promjer rupe je općenito manji ili jednak 6 Mils, nazivamo se mikrorupama.
Mikrorupe se često koriste u HDI (high density interconnect structure) dizajnu, a tehnologija mikrorupa može omogućiti da se rupa izravno izbuši na podlozi, što uvelike poboljšava izvedbu kruga i štedi prostor za ožičenje. Prelaz se pojavljuje kao prekidna točka diskontinuiteta impedancije na dalekovodu, što uzrokuje refleksiju signala. Općenito, ekvivalentna impedancija otvora je oko 12% niža od dalekovoda, na primjer, impedancija dalekovoda od 50 ohma smanjit će se za 6 ohma kada prolazi kroz otvor (posebno i veličina otvora, debljina ploče je također povezana, a ne apsolutno smanjenje).
Međutim, refleksija uzrokovana diskontinuitetom impedancije preko je zapravo vrlo mala, a njen koeficijent refleksije je samo:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Problemi koji proizlaze iz via više su koncentrirani na učinke parazitskog kapaciteta i induktiviteta.
Via parazitski kapacitet i induktivitet
Postoji parazitski lutajući kapacitet u samom otvoru. Ako je promjer zone otpora lemljenja na položenom sloju D2, promjer lemne ploče je D1, debljina PCB ploče je T, a dielektrična konstanta supstrata je ε, parazitni kapacitet prolazne rupe je otprilike:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Glavni učinak parazitskog kapaciteta na krug je produljenje vremena porasta signala i smanjenje brzine kruga.
Na primjer, za PCB s debljinom od 50 Mil, ako je promjer jastučića 20 Mil (promjer rupe za bušenje je 10 Mil), a promjer zone otpora lemljenja je 40 Mil, tada možemo približno odrediti parazitni kapacitet preko gornje formule:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
Količina promjene vremena porasta koju uzrokuje ovaj dio kapacitivnosti je otprilike:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Iz ovih se vrijednosti može vidjeti da iako korisnost odgode porasta uzrokovane parazitskim kapacitetom jednog otvora nije vrlo očita, ako se otvor koristi nekoliko puta u liniji za prebacivanje između slojeva, koristit će se više rupa, a dizajn treba pažljivo razmotriti. U stvarnom dizajnu, parazitski kapacitet se može smanjiti povećanjem udaljenosti između rupe i bakrenog područja (Anti-pad) ili smanjenjem promjera jastučića.
U dizajnu digitalnih sklopova velike brzine, šteta uzrokovana parazitskim induktivitetom često je veća od utjecaja parazitskog kapaciteta. Njegov parazitski serijski induktivitet oslabit će doprinos premosnog kondenzatora i oslabiti učinkovitost filtriranja cijelog elektroenergetskog sustava.
Možemo koristiti sljedeću empirijsku formulu za jednostavno izračunavanje parazitske induktivnosti aproksimacije kroz rupu:
L=5,08h[ln(4h/d)+1]
Gdje se L odnosi na induktivitet otvora, h je duljina otvora, a d je promjer središnjeg otvora. Iz formule je vidljivo da promjer otvora ima mali utjecaj na induktivitet, dok duljina otvora ima najveći utjecaj na induktivitet. I dalje koristeći gornji primjer, induktivitet izvan otvora može se izračunati kao:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Ako je vrijeme porasta signala 1ns, tada je njegova ekvivalentna veličina impedancije:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Takva se impedancija ne može zanemariti u prisutnosti visokofrekventne struje kroz, posebno imajte na umu da premosni kondenzator treba proći kroz dvije rupe pri povezivanju sloja snage i formacije, tako da će se parazitski induktivitet rupe višestruko povećati.
Kako koristiti via?
Kroz gornju analizu parazitskih karakteristika rupe, možemo vidjeti da u PCB dizajnu velike brzine, naizgled jednostavne rupe često donose velike negativne učinke na dizajn strujnog kruga. Kako bi se smanjili štetni učinci uzrokovani parazitskim učinkom rupe, dizajn može biti što je više moguće:
Od dva aspekta cijene i kvalitete signala, odaberite razumnu veličinu otvora. Ako je potrebno, možete razmisliti o korištenju različitih veličina otvora, kao što su rupe za napajanje ili uzemljenje, možete razmisliti o korištenju veće veličine kako biste smanjili impedanciju, a za ožičenje signala možete koristiti manji otvor. Naravno, kako se veličina via smanjuje, odgovarajući trošak će također rasti
Na temelju dviju gore razmotrenih formula može se zaključiti da uporaba tanje PCB ploče doprinosi smanjenju dvaju parazitskih parametara veznog
Signalno ožičenje na PCB ploči ne bi trebalo mijenjati koliko god je to moguće, to jest pokušajte ne koristiti nepotrebne priključke.
Priključci moraju biti izbušeni u kontakte napajanja i uzemljenje. Što je kraći vod između pinova i vias, to bolje. Više rupa se može izbušiti paralelno kako bi se smanjio ekvivalentni induktivitet.
Postavite nekoliko uzemljenih prolaznih otvora blizu prolaznih otvora promjene signala kako biste osigurali najbližu petlju za signal. Možete čak postaviti neke višak rupa za uzemljenje na PCB ploči.
Za brze PCB ploče visoke gustoće, možete razmotriti korištenje mikro-rupa.