ה-via הוא אחד המרכיבים החשובים של PCB רב שכבתי, ועלות הקידוח מהווה בדרך כלל 30% עד 40% מעלות הלוח PCB. במילים פשוטות, כל חור ב-PCB יכול להיקרא ויה.
הרעיון הבסיסי של ה-via:
מנקודת מבט של תפקוד, ניתן לחלק את ה-via לשתי קטגוריות: האחת משמשת כחיבור חשמלי בין השכבות, והשנייה משמשת כקיבוע או מיצוב של המכשיר. אם מהתהליך, החורים הללו מחולקים בדרך כלל לשלוש קטגוריות, כלומר חורים עיוורים, חורים קבורים וחורים דרך.
חורים עיוורים ממוקמים על המשטח העליון והתחתון של המעגל המודפס ובעלי עומק מסוים לחיבור המעגל המשטח והמעגל הפנימי שמתחתיו, ועומק החורים בדרך כלל אינו עולה על יחס מסוים (צמצם).
החור הקבור מתייחס לחור החיבור הממוקם בשכבה הפנימית של המעגל המודפס, שאינו משתרע על פני הלוח. שני סוגי החורים הנ"ל ממוקמים בשכבה הפנימית של לוח המעגלים, אשר הושלמה על ידי תהליך יציקת החור דרך לפני הלמינציה, ומספר שכבות פנימיות עשויות להיות חופפות במהלך היווצרות החור העובר.
הסוג השלישי נקרא חורים דרך, העוברים דרך כל לוח המעגלים וניתן להשתמש בהם כדי להשיג חיבור פנימי או כחורי מיקום התקנה עבור רכיבים. מכיוון שקל יותר להשיג את החור העובר בתהליך והעלות נמוכה יותר, הרוב המכריע של המעגלים המודפסים משתמשים בו, ולא בשני החורים האחרים. החורים הבאים, ללא הוראות מיוחדות, נחשבים כחורים דרך.
מנקודת מבט עיצובית, דרך מורכבת בעיקר משני חלקים, האחד הוא אמצע חור הקידוח, והשני הוא אזור כרית הריתוך סביב חור הקידוח. הגודל של שני חלקים אלה קובע את גודל ה-via.
ברור שבעיצוב PCB מהיר וצפיפות גבוהה, המעצבים תמיד רוצים את החור קטן ככל האפשר, כך שניתן להשאיר יותר שטח חיווט, בנוסף, ככל שהמעבר קטן יותר, הקיבול הטפילי שלו קטן יותר, מתאים יותר עבור מעגלים מהירים.
עם זאת, הקטנת גודל המעבר מביאה גם לעלייה בעלויות, ולא ניתן להקטין את גודל החור ללא הגבלת זמן, הוא מוגבל על ידי טכנולוגיית קידוח וציפוי אלקטרוני: ככל שהחור קטן יותר, הקידוח לוקח יותר זמן, כך הוא קל יותר. הוא לסטות מהמרכז; כאשר עומק החור הוא יותר מפי 6 מקוטר החור, אי אפשר להבטיח שדופן החור יכול להיות מצופה בצורה אחידה בנחושת.
לדוגמה, אם העובי (דרך עומק החור) של לוח PCB רגיל בן 6 שכבות הוא 50Mil, אז קוטר הקידוח המינימלי שיצרני PCB יכולים לספק בתנאים רגילים יכול להגיע רק ל-8Mil. עם התפתחות טכנולוגיית קידוח הלייזר, גם גודל הקידוח יכול להיות קטן יותר ויותר, ובדרך כלל קוטר החור קטן או שווה ל-6Mils, אנו נקראים מיקרו-חורים.
מיקרו-חורים משמשים לעתים קרובות בתכנון HDI (מבנה חיבורים בצפיפות גבוהה), וטכנולוגיית מיקרו-חורים יכולה לאפשר קדח ישיר של החור על הרפידה, מה שמשפר מאוד את ביצועי המעגל וחוסך את שטח החיווט. ה-via מופיע כנקודת שבירה של אי-רציפות עכבה בקו ההולכה, הגורמת לשתקפות של האות. באופן כללי, העכבה המקבילה של החור נמוכה בכ-12% מקו ההולכה, לדוגמה, העכבה של קו תמסורת 50 אוהם תופחת ב-6 אוהם כאשר הוא עובר דרך החור (באופן ספציפי וגודל ה-via, גם עובי הצלחת קשור, לא הפחתה מוחלטת).
עם זאת, ההשתקפות הנגרמת על ידי אי המשכיות העכבה היא למעשה קטנה מאוד, ומקדם ההשתקפות שלה הוא רק:
(44-50)/(44 + 50) = 0.06
הבעיות הנובעות מה-via מתרכזות יותר בהשפעות של קיבול טפילי והשראות.
הקיבול וההשראות הטפילים של Via
יש קיבול תועה טפילי במעבר עצמו. אם הקוטר של אזור ההתנגדות להלחמה בשכבה המונחת הוא D2, קוטר משטח ההלחמה הוא D1, עובי לוח ה-PCB הוא T, והקבוע הדיאלקטרי של המצע הוא ε, הקיבול הטפילי של החור העובר. הוא בערך:
C=1.41εTD1/(D2-D1)
ההשפעה העיקרית של הקיבול הטפילי על המעגל היא הארכת זמן העלייה של האות והפחתת מהירות המעגל.
לדוגמה, עבור PCB עם עובי של 50Mil, אם קוטר משטח ה-via הוא 20Mil (קוטר חור הקידוח הוא 10Mils) וקוטר אזור ההתנגדות להלחמה הוא 40Mil, אז נוכל להעריך את הקיבול הטפילי של ה-via לפי הנוסחה לעיל:
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF
כמות השינוי בזמן העלייה הנגרם על ידי חלק זה של הקיבול היא בערך:
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
ניתן לראות מערכים אלו שלמרות שהתועלת של עיכוב העלייה הנגרם מהקיבול הטפילי של דרך בודדת אינה ברורה במיוחד, אם נעשה שימוש ב-via מספר פעמים בקו כדי לעבור בין שכבות, ייעשה שימוש במספר חורים, ויש לשקול היטב את העיצוב. בתכנון בפועל, ניתן להפחית את הקיבול הטפילי על ידי הגדלת המרחק בין החור לאזור הנחושת (Anti-pad) או הקטנת קוטר הרפידה.
בתכנון של מעגלים דיגיטליים במהירות גבוהה, הנזק שנגרם על ידי השראות הטפילית הוא לרוב גדול מהשפעת הקיבול הטפילי. השראות הסדרה הטפילית שלו תחליש את תרומת הקבל המעקף ותחליש את יעילות הסינון של מערכת החשמל כולה.
אנו יכולים להשתמש בנוסחה האמפירית הבאה כדי פשוט לחשב את השראות הטפילית של קירוב דרך חור:
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
כאשר L מתייחס להשראת ה-via, h הוא אורך ה-via, ו-d הוא קוטר החור המרכזי. ניתן לראות מהנוסחה שלקוטר ה-via יש השפעה מועטה על השראות, בעוד שלאורך ה-via יש את ההשפעה הגדולה ביותר על השראות. עדיין באמצעות הדוגמה שלעיל, ניתן לחשב את השראות מחוץ לחור כך:
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
אם זמן העלייה של האות הוא 1ns, אז גודל העכבה המקביל שלו הוא:
XL=πL/T10-90=3.19Ω
לא ניתן להתעלם מעכבה כזו בנוכחות זרם בתדר גבוה דרך, בפרט, שימו לב שהקבל המעקף צריך לעבור דרך שני חורים בעת חיבור שכבת הכוח והתצורה, כך שההשראות הטפילית של החור תוכפל.
כיצד להשתמש ב-via?
באמצעות הניתוח לעיל של המאפיינים הטפיליים של החור, אנו יכולים לראות שבתכנון PCB מהיר, חורים פשוטים לכאורה מביאים לעתים קרובות השפעות שליליות גדולות לתכנון המעגל. על מנת להפחית את ההשפעות השליליות הנגרמות מהאפקט הטפילי של החור, העיצוב יכול להיות ככל האפשר:
משני ההיבטים של עלות ואיכות האות, בחר גודל סביר של גודל ה-via. במידת הצורך, אתה יכול לשקול שימוש בגדלים שונים של חיבורים, כגון עבור אספקת חשמל או חורי חוטי הארקה, אתה יכול לשקול שימוש בגודל גדול יותר כדי להפחית את העכבה, ולחיווט אות, אתה יכול להשתמש ב-via קטן יותר. כמובן שככל שגודל ה-via יורד, גם העלות המקבילה תגדל
ניתן להסיק משתי הנוסחאות שנדונו לעיל שהשימוש בלוח PCB דק יותר תורם להפחתת שני הפרמטרים הטפיליים של ה-via
אין לשנות את חיווט האות בלוח ה-PCB עד כמה שניתן, כלומר, השתדלו לא להשתמש בוויסים מיותרים.
יש לקדוח ויאס בפינים של ספק הכוח והאדמה. ככל שהמוביל קצר יותר בין הפינים לצינורות, כך ייטב. ניתן לקדוח מספר חורים במקביל כדי להפחית את השראות המקבילה.
מקם כמה חורים דרך מקורקעים ליד החורים החוזרים של שינוי האות כדי לספק את הלולאה הקרובה ביותר לאות. אתה יכול אפילו למקם כמה חורי הארקה עודפים על לוח ה-PCB.
עבור לוחות PCB במהירות גבוהה עם צפיפות גבוהה, אתה יכול לשקול שימוש במיקרו-חורים.