A via é um dos componentes importantes do PCB multicamadas, e o custo de perfuração geralmente representa 30% a 40% do custo da placa PCB. Simplificando, cada furo no PCB pode ser chamado de via.
O conceito básico da via:
Do ponto de vista funcional, a via pode ser dividida em duas categorias: uma é utilizada como ligação elétrica entre as camadas e a outra é utilizada como fixação ou posicionamento do dispositivo. Se a partir do processo, esses furos são geralmente divididos em três categorias, nomeadamente furos cegos, furos enterrados e furos passantes.
Os furos cegos estão localizados nas superfícies superior e inferior da placa de circuito impresso e possuem uma certa profundidade para a conexão do circuito de superfície e do circuito interno abaixo, e a profundidade dos furos geralmente não excede uma certa proporção (abertura).
O furo enterrado refere-se ao furo de conexão localizado na camada interna da placa de circuito impresso, que não se estende até a superfície da placa. Os dois tipos de furos acima estão localizados na camada interna da placa de circuito, que é completada pelo processo de moldagem do furo passante antes da laminação, e várias camadas internas podem ser sobrepostas durante a formação do furo passante.
O terceiro tipo é chamado de furos passantes, que passam por toda a placa de circuito e podem ser usados para obter interconexão interna ou como furos de posicionamento de instalação para componentes. Como o furo passante é mais fácil de conseguir no processo e o custo é menor, a grande maioria das placas de circuito impresso o utiliza, em vez dos outros dois furos passantes. Os seguintes furos, sem instruções especiais, são considerados furos passantes.
Do ponto de vista do projeto, uma via é composta principalmente de duas partes, uma é o meio do furo e a outra é a área da almofada de soldagem ao redor do furo. O tamanho dessas duas partes determina o tamanho da via.
Obviamente, no projeto de PCB de alta velocidade e alta densidade, os projetistas sempre querem que o furo seja o menor possível, para que mais espaço de fiação possa ser deixado, além disso, quanto menor a via, sua própria capacitância parasita é menor, mais adequado para circuitos de alta velocidade.
Porém, a redução do tamanho da via também acarreta um aumento de custos, e o tamanho do furo não pode ser reduzido indefinidamente, é limitado pela tecnologia de perfuração e galvanoplastia: quanto menor o furo, mais demorada a perfuração, mais fácil é é desviar-se do centro; Quando a profundidade do furo é superior a 6 vezes o diâmetro do furo, é impossível garantir que a parede do furo possa ser uniformemente revestida com cobre.
Por exemplo, se a espessura (profundidade do furo) de uma placa PCB normal de 6 camadas for 50Mil, então o diâmetro mínimo de perfuração que os fabricantes de PCB podem fornecer em condições normais só pode atingir 8Mil. Com o desenvolvimento da tecnologia de perfuração a laser, o tamanho da perfuração também pode ser cada vez menor, e o diâmetro do furo é geralmente menor ou igual a 6Mils, somos chamados de microfuros.
Microfuros são frequentemente usados em projetos HDI (estrutura de interconexão de alta densidade), e a tecnologia de microfuros pode permitir que o furo seja perfurado diretamente na almofada, o que melhora muito o desempenho do circuito e economiza espaço de fiação. A via aparece como um ponto de ruptura de descontinuidade de impedância na linha de transmissão, causando uma reflexão do sinal. Geralmente, a impedância equivalente do furo é cerca de 12% menor que a da linha de transmissão, por exemplo, a impedância de uma linha de transmissão de 50 ohms será reduzida em 6 ohms quando passar pelo furo (especificamente e o tamanho da via, a espessura da placa também está relacionada, não uma redução absoluta).
No entanto, a reflexão causada pela descontinuidade da impedância é na verdade muito pequena, e seu coeficiente de reflexão é apenas:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Os problemas decorrentes da via estão mais concentrados nos efeitos da capacitância e indutância parasitas.
Capacitância e indutância parasita da Via
Existe uma capacitância parasita parasita na própria via. Se o diâmetro da zona de resistência de solda na camada colocada for D2, o diâmetro da almofada de solda for D1, a espessura da placa PCB for T e a constante dielétrica do substrato for ε, a capacitância parasita do furo passante é aproximadamente:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
O principal efeito da capacitância parasita no circuito é prolongar o tempo de subida do sinal e reduzir a velocidade do circuito.
Por exemplo, para uma PCB com espessura de 50Mil, se o diâmetro da almofada de passagem for 20Mil (o diâmetro do furo é 10Mils) e o diâmetro da zona de resistência da solda for 40Mil, então podemos aproximar a capacitância parasita de a via pela fórmula acima:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
A quantidade de mudança no tempo de subida causada por esta parte da capacitância é aproximadamente:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Pode-se observar a partir desses valores que embora a utilidade do atraso de subida causado pela capacitância parasita de uma única via não seja muito óbvia, se a via for usada várias vezes na linha para alternar entre camadas, vários furos serão usados, e o design deve ser cuidadosamente considerado. No projeto real, a capacitância parasita pode ser reduzida aumentando a distância entre o furo e a área de cobre (Anti-almofada) ou reduzindo o diâmetro da almofada.
No projeto de circuitos digitais de alta velocidade, o dano causado pela indutância parasita é frequentemente maior do que a influência da capacitância parasita. Sua indutância em série parasita enfraquecerá a contribuição do capacitor de bypass e enfraquecerá a eficácia da filtragem de todo o sistema de energia.
Podemos usar a seguinte fórmula empírica para calcular simplesmente a indutância parasita de uma aproximação através do furo:
L=5,08h[ln(4h/d)+1]
Onde L se refere à indutância da via, h é o comprimento da via e d é o diâmetro do furo central. Pode-se observar pela fórmula que o diâmetro da via tem pouca influência na indutância, enquanto o comprimento da via tem maior influência na indutância. Ainda usando o exemplo acima, a indutância fora do furo pode ser calculada como:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Se o tempo de subida do sinal for 1ns, então seu tamanho de impedância equivalente é:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Tal impedância não pode ser ignorada na presença de corrente de alta frequência, em particular, observe que o capacitor de bypass precisa passar por dois furos ao conectar a camada de potência e a formação, para que a indutância parasita do furo seja multiplicada.
Como usar a via?
Através da análise acima das características parasitas do furo, podemos ver que no projeto de PCB de alta velocidade, furos aparentemente simples costumam trazer grandes efeitos negativos ao projeto do circuito. A fim de reduzir os efeitos adversos causados pelo efeito parasita do furo, o projeto pode ser o mais longe possível:
Dos dois aspectos de custo e qualidade do sinal, escolha um tamanho razoável do tamanho da via. Se necessário, você pode considerar o uso de diferentes tamanhos de vias, como para fonte de alimentação ou furos de fio terra, você pode considerar usar um tamanho maior para reduzir a impedância, e para fiação de sinal, você pode usar uma via menor. É claro que, à medida que o tamanho da via diminui, o custo correspondente também aumentará.
As duas fórmulas discutidas acima podem concluir que o uso de uma placa PCB mais fina conduz à redução dos dois parâmetros parasitas da via
A fiação do sinal na placa PCB não deve ser alterada na medida do possível, ou seja, procure não utilizar vias desnecessárias.
As vias devem ser perfuradas nos pinos da fonte de alimentação e no terra. Quanto menor o avanço entre os pinos e as vias, melhor. Vários furos podem ser perfurados em paralelo para reduzir a indutância equivalente.
Coloque alguns orifícios de passagem aterrados próximos aos orifícios de mudança de sinal para fornecer o loop mais próximo para o sinal. Você pode até colocar alguns furos de aterramento em excesso na placa PCB.
Para placas PCB de alta velocidade com alta densidade, você pode considerar o uso de microfuros.