Il via è uno dei componenti importanti del PCB multistrato e il costo della perforazione rappresenta solitamente dal 30% al 40% del costo della scheda PCB.In poche parole, ogni foro sul PCB può essere chiamato via.
Il concetto base della via:
Dal punto di vista funzionale i via possono essere suddivisi in due categorie: uno serve come collegamento elettrico tra gli strati, l'altro serve come fissaggio o posizionamento del dispositivo.Se provenienti da processo, questi fori vengono generalmente suddivisi in tre categorie, ovvero fori ciechi, fori interrati e fori passanti.
I fori ciechi si trovano sulle superfici superiore e inferiore del circuito stampato e hanno una certa profondità per il collegamento del circuito superficiale e del circuito interno sottostante, e la profondità dei fori solitamente non supera un certo rapporto (apertura).
Il foro sepolto si riferisce al foro di collegamento situato nello strato interno del circuito stampato, che non si estende fino alla superficie del circuito.I due tipi di fori sopra menzionati si trovano nello strato interno del circuito, che viene completato dal processo di stampaggio del foro passante prima della laminazione, e diversi strati interni possono essere sovrapposti durante la formazione del foro passante.
Il terzo tipo è chiamato fori passanti, che attraversano l'intero circuito stampato e può essere utilizzato per realizzare l'interconnessione interna o come fori di posizionamento di installazione per i componenti.Poiché il foro passante è più facile da ottenere nel processo e il costo è inferiore, la stragrande maggioranza dei circuiti stampati lo utilizza, anziché gli altri due fori passanti.I seguenti fori, senza particolari indicazioni, sono considerati passanti.
Da un punto di vista progettuale, una via è composta principalmente da due parti, una è il centro del foro di perforazione e l'altra è l'area del cuscinetto di saldatura attorno al foro di perforazione.La dimensione di queste due parti determina la dimensione del via.
Ovviamente, nella progettazione di PCB ad alta velocità e alta densità, i progettisti vogliono sempre che il foro sia il più piccolo possibile, in modo da poter lasciare più spazio per il cablaggio, inoltre, più piccolo è il via, la sua capacità parassita è più piccola, più adatta per circuiti ad alta velocità.
Tuttavia, la riduzione della dimensione del foro comporta anche un aumento dei costi, e la dimensione del foro non può essere ridotta all'infinito, è limitata dalla tecnologia di foratura e galvanica: più piccolo è il foro, più tempo richiede la perforazione, più facile sarà è deviare dal centro;Quando la profondità del foro è superiore a 6 volte il diametro del foro, è impossibile garantire che la parete del foro possa essere placcata uniformemente con rame.
Ad esempio, se lo spessore (profondità del foro passante) di una normale scheda PCB a 6 strati è 50Mil, il diametro minimo di foratura che i produttori di PCB possono fornire in condizioni normali può raggiungere solo 8Mil.Con lo sviluppo della tecnologia di perforazione laser, la dimensione della perforazione può anche essere sempre più piccola e il diametro del foro è generalmente inferiore o uguale a 6Mils, siamo chiamati microfori.
I microfori sono spesso utilizzati nella progettazione HDI (struttura di interconnessione ad alta densità) e la tecnologia dei microfori può consentire di praticare il foro direttamente sul pad, migliorando notevolmente le prestazioni del circuito e risparmiando spazio per il cablaggio.Il via appare come un punto di discontinuità di impedenza sulla linea di trasmissione, provocando una riflessione del segnale.Generalmente, l'impedenza equivalente del foro è inferiore di circa il 12% rispetto alla linea di trasmissione, ad esempio, l'impedenza di una linea di trasmissione da 50 ohm sarà ridotta di 6 ohm quando passa attraverso il foro (in particolare e la dimensione del via, anche lo spessore della piastra è correlato, non una riduzione assoluta).
Tuttavia, la riflessione causata dalla discontinuità dell'impedenza via è in realtà molto piccola, e il suo coefficiente di riflessione è solo:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
I problemi derivanti dal via sono più concentrati sugli effetti della capacità parassita e dell'induttanza.
Capacità parassita e induttanza di Via
C'è una capacità parassita parassita nel via stesso.Se il diametro della zona di resistenza di saldatura sullo strato posato è D2, il diametro del pad di saldatura è D1, lo spessore della scheda PCB è T e la costante dielettrica del substrato è ε, la capacità parassita del foro passante è approssimativamente:
C=1.41εTD1/(D2-D1)
L'effetto principale della capacità parassita sul circuito è di prolungare il tempo di salita del segnale e ridurre la velocità del circuito.
Ad esempio, per un PCB con uno spessore di 50Mil, se il diametro del via pad è 20Mil (il diametro del foro di perforazione è 10Mil) e il diametro della zona di resistenza di saldatura è 40Mil, allora possiamo approssimare la capacità parassita di il via con la formula sopra:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
La quantità di variazione del tempo di salita causata da questa parte della capacità è approssimativamente:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Da questi valori si può vedere che, sebbene l'utilità del ritardo di salita causato dalla capacità parassita di un singolo via non sia molto ovvia, se il via viene utilizzato più volte nella linea per passare da uno strato all'altro, verranno utilizzati più fori, e il design dovrebbe essere attentamente considerato.Nella progettazione attuale, la capacità parassita può essere ridotta aumentando la distanza tra il foro e la zona in rame (Anti-pad) o riducendo il diametro del pad.
Nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, il danno causato dall'induttanza parassita è spesso maggiore dell'influenza della capacità parassita.La sua induttanza in serie parassita indebolirà il contributo del condensatore di bypass e indebolirà l'efficacia del filtraggio dell'intero sistema di alimentazione.
Possiamo usare la seguente formula empirica per calcolare semplicemente l'induttanza parassita di un'approssimazione del foro passante:
L=5.08h[ln(4h/g)+1]
Dove L si riferisce all'induttanza del via, h è la lunghezza del via e d è il diametro del foro centrale.Dalla formula si può vedere che il diametro del cavo ha poca influenza sull'induttanza, mentre la lunghezza del cavo ha la maggiore influenza sull'induttanza.Sempre utilizzando l'esempio precedente, l'induttanza fuori foro può essere calcolata come:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Se il tempo di salita del segnale è 1 ns, la sua dimensione di impedenza equivalente è:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Tale impedenza non può essere ignorata in presenza di corrente ad alta frequenza, in particolare, si noti che il condensatore di bypass deve passare attraverso due fori quando si collega lo strato di potenza e la formazione, in modo che l'induttanza parassita del foro venga moltiplicata.
Come utilizzare il via?
Attraverso l'analisi di cui sopra delle caratteristiche parassite del foro, possiamo vedere che nella progettazione di PCB ad alta velocità, i fori apparentemente semplici spesso portano grandi effetti negativi alla progettazione del circuito.Al fine di ridurre gli effetti negativi causati dall’effetto parassitario del foro, la progettazione può essere quanto più possibile:
Dai due aspetti del costo e della qualità del segnale, scegliere una dimensione ragionevole del via.Se necessario, puoi prendere in considerazione l'utilizzo di vie di diverse dimensioni, ad esempio per i fori dei cavi di alimentazione o di terra, puoi prendere in considerazione l'utilizzo di una dimensione maggiore per ridurre l'impedenza e, per il cablaggio del segnale, puoi utilizzare un via più piccolo.Naturalmente al diminuire delle dimensioni della via aumenterà anche il relativo costo
Dalle due formule discusse sopra si può concludere che l'uso di una scheda PCB più sottile favorisce la riduzione dei due parametri parassiti del via
Il cablaggio del segnale sulla scheda PCB non dovrebbe essere modificato il più possibile, vale a dire cercare di non utilizzare via non necessarie.
I fori devono essere forati nei pin dell'alimentatore e della terra.Più corto è il cavo tra i pin e i via, meglio è.È possibile praticare più fori in parallelo per ridurre l'induttanza equivalente.
Posizionare alcuni fori passanti messi a terra vicino ai fori passanti del cambio di segnale per fornire il circuito più vicino per il segnale.Puoi anche posizionare alcuni fori di terra in eccesso sulla scheda PCB.
Per le schede PCB ad alta velocità e ad alta densità, puoi prendere in considerazione l'utilizzo di microfori.