Via adalah salah satu komponen penting dari PCB multi-lapis, dan biaya pengeboran biasanya menyumbang 30% hingga 40% dari biaya papan PCB. Sederhananya, setiap lubang pada PCB bisa disebut via.
Konsep dasar via:
Dilihat dari fungsinya, via dapat dibagi menjadi dua kategori: satu digunakan sebagai sambungan listrik antar lapisan, dan yang lainnya digunakan sebagai pengikat atau pemosisian perangkat. Jika dilihat dari prosesnya, secara umum lubang-lubang tersebut terbagi menjadi tiga kategori, yaitu lubang buta, lubang terkubur, dan lubang tembus.
Lubang buta terletak pada permukaan atas dan bawah papan sirkuit tercetak dan memiliki kedalaman tertentu untuk sambungan sirkuit permukaan dan sirkuit bagian dalam di bawahnya, dan kedalaman lubang biasanya tidak melebihi rasio (bukaan) tertentu.
Lubang terkubur mengacu pada lubang sambungan yang terletak di lapisan dalam papan sirkuit tercetak, yang tidak meluas ke permukaan papan. Kedua jenis lubang di atas terletak di lapisan dalam papan sirkuit, yang diselesaikan dengan proses pencetakan lubang tembus sebelum laminasi, dan beberapa lapisan dalam mungkin tumpang tindih selama pembentukan lubang tembus.
Tipe ketiga disebut lubang tembus, yang melewati seluruh papan sirkuit dan dapat digunakan untuk mencapai interkoneksi internal atau sebagai lubang posisi pemasangan untuk komponen. Karena lubang tembus lebih mudah dicapai dalam prosesnya dan biayanya lebih rendah, sebagian besar papan sirkuit tercetak menggunakannya, dibandingkan dua lubang tembus lainnya. Lubang-lubang berikut, tanpa instruksi khusus, dianggap sebagai lubang tembus.
Dari sudut pandang desain, via terutama terdiri dari dua bagian, satu bagian tengah lubang pengeboran, dan bagian lainnya adalah area bantalan las di sekitar lubang pengeboran. Besar kecilnya kedua bagian ini menentukan besar kecilnya via.
Jelasnya, dalam desain PCB berkecepatan tinggi dan kepadatan tinggi, para perancang selalu menginginkan lubang sekecil mungkin, sehingga lebih banyak ruang kabel yang tersisa, selain itu, semakin kecil via, kapasitansi parasitnya sendiri semakin kecil, lebih cocok untuk sirkuit berkecepatan tinggi.
Namun, pengurangan ukuran via juga membawa peningkatan biaya, dan ukuran lubang tidak dapat dikurangi tanpa batas waktu, hal ini dibatasi oleh teknologi pengeboran dan pelapisan listrik: semakin kecil lubang, semakin lama waktu pengeboran, semakin mudah. adalah menyimpang dari pusat; Jika kedalaman lubang lebih dari 6 kali diameter lubang, tidak mungkin memastikan bahwa dinding lubang dapat dilapisi tembaga secara merata.
Misalnya, jika ketebalan (melalui kedalaman lubang) papan PCB 6 lapis normal adalah 50Mil, maka diameter pengeboran minimum yang dapat disediakan oleh produsen PCB dalam kondisi normal hanya dapat mencapai 8Mil. Dengan berkembangnya teknologi pengeboran laser, ukuran pengeboran juga bisa semakin kecil, dan diameter lubang umumnya kurang dari atau sama dengan 6Mils, kita disebut lubang mikro.
Lubang mikro sering digunakan dalam desain HDI (struktur interkoneksi kepadatan tinggi), dan teknologi lubang mikro memungkinkan lubang dibor langsung pada bantalan, yang sangat meningkatkan kinerja sirkuit dan menghemat ruang kabel. Via tersebut muncul sebagai titik putus diskontinuitas impedansi pada saluran transmisi sehingga menyebabkan pantulan sinyal. Umumnya impedansi ekivalen lubang sekitar 12% lebih rendah dari saluran transmisi, misalnya impedansi saluran transmisi 50 ohm akan berkurang 6 ohm ketika melewati lubang (khusus dan ukuran via, ketebalan pelat juga berhubungan, bukan pengurangan mutlak).
Namun refleksi yang disebabkan oleh diskontinuitas impedansi via sebenarnya sangat kecil, dan koefisien refleksinya hanya:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Masalah yang timbul dari via lebih terkonsentrasi pada efek kapasitansi dan induktansi parasit.
Kapasitansi dan Induktansi Parasit Via
Ada kapasitansi liar parasit di via itu sendiri. Jika diameter zona resistansi solder pada lapisan yang diletakkan adalah D2, diameter bantalan solder adalah D1, ketebalan papan PCB adalah T, dan konstanta dielektrik substrat adalah ε, maka kapasitansi parasit dari lubang tembus adalah kira-kira:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Efek utama kapasitansi parasit pada rangkaian adalah memperpanjang waktu naik sinyal dan mengurangi kecepatan rangkaian.
Misalnya, untuk PCB dengan ketebalan 50Mil, jika diameter via pad adalah 20Mil (diameter lubang pengeboran adalah 10Mil) dan diameter zona resistansi solder adalah 40Mil, maka kita dapat memperkirakan kapasitansi parasit sebesar via dengan rumus di atas:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
Besarnya perubahan waktu naik yang disebabkan oleh bagian kapasitansi ini kira-kira:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Dapat dilihat dari nilai-nilai ini bahwa meskipun kegunaan penundaan kenaikan yang disebabkan oleh kapasitansi parasit dari satu via tidak terlalu jelas, jika via digunakan beberapa kali dalam saluran untuk berpindah antar lapisan, beberapa lubang akan digunakan. dan desainnya harus dipertimbangkan dengan cermat. Dalam desain sebenarnya, kapasitansi parasit dapat dikurangi dengan menambah jarak antara lubang dan area tembaga (Anti-pad) atau mengurangi diameter pad.
Dalam desain sirkuit digital berkecepatan tinggi, kerugian yang disebabkan oleh induktansi parasit seringkali lebih besar daripada pengaruh kapasitansi parasit. Induktansi seri parasitnya akan melemahkan kontribusi kapasitor bypass dan melemahkan efektivitas penyaringan seluruh sistem tenaga.
Kita dapat menggunakan rumus empiris berikut untuk menghitung induktansi parasit dari pendekatan lubang tembus:
L=5,08 jam[ln(4 jam/hari)+1]
Dimana L mengacu pada induktansi via, h adalah panjang via, dan d adalah diameter lubang pusat. Terlihat dari rumus bahwa diameter via mempunyai pengaruh yang kecil terhadap induktansi, sedangkan panjang via mempunyai pengaruh yang paling besar terhadap induktansi. Masih menggunakan contoh di atas, induktansi out-of-hole dapat dihitung sebagai:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Jika waktu naik sinyal adalah 1ns, maka ukuran impedansi ekuivalennya adalah:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Impedansi tersebut tidak dapat diabaikan dengan adanya arus frekuensi tinggi yang melaluinya, khususnya, perhatikan bahwa kapasitor bypass harus melewati dua lubang saat menghubungkan lapisan daya dan formasi, sehingga induktansi parasit dari lubang tersebut akan dikalikan.
Bagaimana cara menggunakan via?
Melalui analisis karakteristik parasit lubang di atas, kita dapat melihat bahwa dalam desain PCB berkecepatan tinggi, lubang yang tampak sederhana seringkali membawa efek negatif yang besar pada desain rangkaian. Untuk mengurangi dampak buruk yang disebabkan oleh efek parasit dari lubang, desainnya dapat dilakukan sejauh mungkin:
Dari dua aspek biaya dan kualitas sinyal, pilihlah ukuran via size yang wajar. Jika perlu, Anda dapat mempertimbangkan untuk menggunakan ukuran vias yang berbeda, seperti untuk catu daya atau lubang kabel ground, Anda dapat mempertimbangkan untuk menggunakan ukuran yang lebih besar untuk mengurangi impedansi, dan untuk kabel sinyal, Anda dapat menggunakan via yang lebih kecil. Tentu saja, seiring dengan berkurangnya ukuran via, biaya yang terkait juga akan meningkat
Kedua rumus yang dibahas di atas dapat disimpulkan bahwa penggunaan papan PCB yang lebih tipis kondusif untuk mengurangi dua parameter parasit pada via
Kabel sinyal pada papan PCB tidak boleh diubah sejauh mungkin, artinya, cobalah untuk tidak menggunakan vias yang tidak perlu.
Vias harus dibor ke pin catu daya dan ground. Semakin pendek jarak antara pin dan vias, semakin baik. Beberapa lubang dapat dibor secara paralel untuk mengurangi induktansi setara.
Tempatkan beberapa lubang tembus yang dibumikan di dekat lubang tembus perubahan sinyal untuk menyediakan loop terdekat untuk sinyal. Anda bahkan dapat menempatkan beberapa lubang ground berlebih pada papan PCB.
Untuk papan PCB berkecepatan tinggi dengan kepadatan tinggi, Anda dapat mempertimbangkan untuk menggunakan lubang mikro.