Przelotka jest jednym z ważnych elementów wielowarstwowej płytki PCB, a koszt wiercenia zwykle stanowi od 30% do 40% kosztu płytki PCB. Mówiąc najprościej, każdy otwór na płytce PCB można nazwać przelotką.
Podstawowa koncepcja via:
Z punktu widzenia funkcjonalności przelotkę można podzielić na dwie kategorie: jedna służy jako połączenie elektryczne pomiędzy warstwami, a druga służy do mocowania lub pozycjonowania urządzenia. Jeśli chodzi o proces, otwory te są ogólnie podzielone na trzy kategorie, a mianowicie otwory ślepe, otwory zakopane i otwory przelotowe.
Ślepe otwory znajdują się na górnej i dolnej powierzchni płytki drukowanej i mają określoną głębokość połączenia obwodu powierzchniowego z obwodem wewnętrznym poniżej, przy czym głębokość otworów zwykle nie przekracza określonego stosunku (apertury).
Zakopany otwór odnosi się do otworu przyłączeniowego znajdującego się w wewnętrznej warstwie płytki drukowanej, który nie sięga do powierzchni płytki. Powyższe dwa rodzaje otworów znajdują się w wewnętrznej warstwie płytki drukowanej, która jest wykańczana w procesie formowania otworów przelotowych przed laminowaniem, a kilka warstw wewnętrznych może zachodzić na siebie podczas formowania otworu przelotowego.
Trzeci typ to otwory przelotowe, które przechodzą przez całą płytkę drukowaną i można je wykorzystać do uzyskania wewnętrznych połączeń lub jako otwory montażowe dla komponentów. Ponieważ otwór przelotowy jest łatwiejszy do wykonania w procesie, a koszt jest niższy, zdecydowana większość płytek drukowanych wykorzystuje go zamiast dwóch pozostałych otworów przelotowych. Następujące otwory, bez specjalnych instrukcji, są uważane za otwory przelotowe.
Z projektowego punktu widzenia przelotka składa się głównie z dwóch części, jedna to środek otworu wiertniczego, a druga to obszar podkładki spawalniczej wokół otworu wiertniczego. Rozmiar tych dwóch części określa rozmiar przelotki.
Oczywiście przy projektowaniu płytek PCB o dużej szybkości i gęstości projektanci zawsze chcą, aby otwór był jak najmniejszy, aby można było pozostawić więcej miejsca na okablowanie, a ponadto im mniejsza przelotka, tym mniejsza jest jej własna pojemność pasożytnicza, co jest bardziej odpowiednie dla obwodów o dużej prędkości.
Jednak zmniejszenie średnicy przelotki wiąże się także ze wzrostem kosztów, a wielkości otworu nie można zmniejszać w nieskończoność, ogranicza ją technologia wiercenia i galwanizacji: im mniejszy otwór, tym dłużej trwa wiercenie, tym łatwiej oznacza odejście od środka; Gdy głębokość otworu jest większa niż 6-krotność średnicy otworu, nie można zapewnić równomiernego pokrycia ściany otworu miedzią.
Na przykład, jeśli grubość (głębokość otworu) normalnej 6-warstwowej płytki PCB wynosi 50 mil, wówczas minimalna średnica wiercenia, którą producenci płytek PCB mogą zapewnić w normalnych warunkach, może osiągnąć jedynie 8 mil. Wraz z rozwojem technologii wiercenia laserowego wielkość wiercenia może być coraz mniejsza, a średnica otworu jest na ogół mniejsza lub równa 6 mil, nazywamy się mikrootworami.
Mikrootwory są często stosowane w konstrukcjach HDI (struktura połączeń o dużej gęstości), a technologia mikrootworów umożliwia bezpośrednie wiercenie otworu w podkładce, co znacznie poprawia wydajność obwodu i oszczędza miejsce na okablowanie. Przelotka pojawia się jako punkt przerwania nieciągłości impedancji w linii przesyłowej, powodując odbicie sygnału. Ogólnie rzecz biorąc, równoważna impedancja otworu jest o około 12% niższa niż linii przesyłowej, na przykład impedancja linii przesyłowej o rezystancji 50 omów zostanie zmniejszona o 6 omów, gdy przejdzie ona przez otwór (w szczególności i rozmiar przelotki, grubość blachy jest również powiązana, a nie redukcja bezwzględna).
Jednakże odbicie spowodowane nieciągłością impedancji jest w rzeczywistości bardzo małe, a jego współczynnik odbicia wynosi tylko:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Problemy wynikające z przelotki są bardziej skoncentrowane na wpływie pasożytniczej pojemności i indukcyjności.
Pojemność i indukcyjność pasożytnicza Via
W samej przelotce występuje pasożytnicza pojemność rozproszona. Jeżeli średnica strefy oporowej lutu na ułożonej warstwie wynosi D2, średnica pola lutowniczego wynosi D1, grubość płytki PCB wynosi T, a stała dielektryczna podłoża wynosi ε, pojemność pasożytnicza otworu przelotowego wynosi w przybliżeniu:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Głównym skutkiem pasożytniczej pojemności obwodu jest wydłużenie czasu narastania sygnału i zmniejszenie prędkości obwodu.
Na przykład dla płytki PCB o grubości 50 mil, jeśli średnica przelotki wynosi 20 mil (średnica otworu wiertniczego wynosi 10 mil), a średnica strefy rezystancji lutowania wynosi 40 mil, to możemy w przybliżeniu obliczyć pojemność pasożytniczą via według powyższego wzoru:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
Wielkość zmiany czasu narastania spowodowanej przez tę część pojemności wynosi w przybliżeniu:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Z tych wartości wynika, że chociaż użyteczność opóźnienia narastania spowodowanego pasożytniczą pojemnością pojedynczej przelotki nie jest zbyt oczywista, jeśli przelotka zostanie użyta kilka razy w linii do przełączania między warstwami, zostanie zastosowanych wiele otworów, a projekt należy dokładnie przemyśleć. W rzeczywistym projekcie pojemność pasożytniczą można zmniejszyć, zwiększając odległość między otworem a obszarem miedzi (Anti-pad) lub zmniejszając średnicę podkładki.
Przy projektowaniu szybkich obwodów cyfrowych szkody spowodowane przez pasożytniczą indukcyjność są często większe niż wpływ pasożytniczej pojemności. Jego pasożytnicza indukcyjność szeregowa osłabi wkład kondensatora obejściowego i osłabi skuteczność filtrowania całego systemu elektroenergetycznego.
Możemy użyć następującego wzoru empirycznego, aby po prostu obliczyć indukcyjność pasożytniczą w przybliżeniu przelotowym:
L=5,08h[ln(4h/d)+1]
Gdzie L odnosi się do indukcyjności przelotki, h jest długością przelotki, a d jest średnicą centralnego otworu. Ze wzoru widać, że średnica przelotki ma niewielki wpływ na indukcyjność, natomiast długość przelotki ma największy wpływ na indukcyjność. Nadal korzystając z powyższego przykładu, indukcyjność poza otworem można obliczyć jako:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Jeśli czas narastania sygnału wynosi 1 ns, wówczas jego równoważna wielkość impedancji wynosi:
XL=πL/T10-90=3,19 Ω
Takiej impedancji nie można zignorować w obecności prądu o wysokiej częstotliwości, w szczególności należy pamiętać, że kondensator bocznikowy musi przejść przez dwa otwory podczas podłączania warstwy mocy i formacji, aby pasożytnicza indukcyjność otworu została zwielokrotniona.
Jak korzystać z via?
Z powyższej analizy pasożytniczej charakterystyki otworu wynika, że przy projektowaniu szybkich płytek drukowanych pozornie proste otwory często mają ogromny negatywny wpływ na projekt obwodu. Aby ograniczyć niekorzystne skutki spowodowane pasożytniczym działaniem dziury, projekt może być w miarę możliwości:
Spośród dwóch aspektów: kosztu i jakości sygnału, wybierz rozsądny rozmiar przelotki. Jeśli to konieczne, możesz rozważyć użycie przelotek o różnych rozmiarach, np. do otworów zasilających lub uziemiających, możesz rozważyć użycie większego rozmiaru, aby zmniejszyć impedancję, a do okablowania sygnałowego możesz użyć mniejszej przelotki. Oczywiście, w miarę zmniejszania się rozmiaru przelotki, odpowiedni koszt również wzrośnie
Z dwóch omówionych powyżej wzorów można wyciągnąć wniosek, że zastosowanie cieńszej płytki PCB sprzyja redukcji dwóch pasożytniczych parametrów przelotki
Okablowania sygnałowego na płytce PCB nie należy w miarę możliwości zmieniać, tzn. starać się nie używać niepotrzebnych przelotek.
W piny zasilacza i masę należy nawiercić przelotki. Im krótszy przewód między pinami a przelotkami, tym lepiej. Można wywiercić wiele otworów równolegle, aby zmniejszyć równoważną indukcyjność.
Umieść kilka uziemionych otworów przelotowych w pobliżu otworów przelotowych zmiany sygnału, aby zapewnić najbliższą pętlę dla sygnału. Można nawet umieścić nadmiar otworów uziemiających na płytce PCB.
W przypadku szybkich płytek drukowanych o dużej gęstości można rozważyć zastosowanie mikrootworów.