Переходное отверстие является одним из важных компонентов многослойной печатной платы, а стоимость сверления обычно составляет от 30% до 40% стоимости печатной платы. Проще говоря, каждое отверстие на печатной плате можно назвать переходным отверстием.
Основная концепция переходного отверстия:
С точки зрения функции переходные отверстия можно разделить на две категории: одна используется в качестве электрического соединения между слоями, а другая — в качестве фиксации или позиционирования устройства. Если исходить из процесса, эти отверстия обычно делятся на три категории: глухие отверстия, заглубленные отверстия и сквозные отверстия.
Глухие отверстия расположены на верхней и нижней поверхностях печатной платы и имеют определенную глубину для соединения поверхностной схемы и внутренней схемы снизу, причем глубина отверстий обычно не превышает определенного соотношения (апертуры).
Скрытое отверстие — это соединительное отверстие, расположенное во внутреннем слое печатной платы, которое не доходит до поверхности платы. Вышеупомянутые два типа отверстий расположены во внутреннем слое печатной платы, который завершается процессом формования сквозных отверстий перед ламинированием, и несколько внутренних слоев могут перекрываться во время формирования сквозного отверстия.
Третий тип называется сквозными отверстиями, которые проходят через всю печатную плату и могут использоваться для внутреннего соединения или в качестве отверстий для установки компонентов. Поскольку сквозное отверстие легче сделать в процессе и стоимость ниже, в подавляющем большинстве печатных плат оно используется, а не два других сквозных отверстия. Следующие отверстия без специальных указаний считаются сквозными.
С точки зрения конструкции переходное отверстие в основном состоит из двух частей: одна — это середина отверстия, а другая — область сварочной площадки вокруг отверстия. Размер этих двух частей определяет размер переходного отверстия.
Очевидно, что при проектировании высокоскоростных печатных плат с высокой плотностью проектировщики всегда хотят, чтобы отверстие было как можно меньше, чтобы можно было оставить больше места для проводки, кроме того, чем меньше переходное отверстие, тем меньше его собственная паразитная емкость, что более подходит. для высокоскоростных цепей.
Однако уменьшение размера переходного отверстия также влечет за собой увеличение затрат, а размер отверстия не может уменьшаться бесконечно, он ограничен технологией сверления и гальваники: чем меньше отверстие, тем дольше длится сверление, тем легче это сделать. это отклонение от центра; Когда глубина отверстия более чем в 6 раз превышает диаметр отверстия, невозможно обеспечить равномерное покрытие медью стенок отверстия.
Например, если толщина (глубина сквозного отверстия) обычной 6-слойной печатной платы составляет 50 мил, то минимальный диаметр сверления, который производители печатных плат могут обеспечить в нормальных условиях, может достигать только 8 мил. С развитием технологии лазерного сверления размер сверления также может становиться все меньше и меньше, а диаметр отверстия обычно меньше или равен 6 милам, нас называют микроотверстиями.
Микроотверстия часто используются в конструкции HDI (структура межсоединений высокой плотности), а технология микроотверстий позволяет просверливать отверстие непосредственно на площадке, что значительно улучшает характеристики схемы и экономит место для проводки. Переходное отверстие появляется как точка разрыва разрыва импеданса в линии передачи, вызывая отражение сигнала. Как правило, эквивалентное сопротивление отверстия примерно на 12% ниже, чем линия передачи, например, сопротивление линии передачи 50 Ом будет уменьшено на 6 Ом, когда она пройдет через отверстие (в частности, размер переходного отверстия, толщина пластины также связана, а не абсолютное уменьшение).
Однако отражение, вызванное скачком импеданса, на самом деле очень мало, и его коэффициент отражения составляет всего:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Проблемы, возникающие из-за переходных отверстий, в большей степени связаны с эффектами паразитной емкости и индуктивности.
Паразитная емкость и индуктивность переходного отверстия
В самом переходном отверстии имеется паразитная паразитная емкость. Если диаметр зоны сопротивления припоя на уложенном слое D2, диаметр паяльной площадки D1, толщина печатной платы T, диэлектрическая проницаемость подложки ε, паразитная емкость сквозного отверстия примерно:
С=1,41εTD1/(D2-D1)
Основное влияние паразитной емкости на схему заключается в увеличении времени нарастания сигнала и снижении скорости цепи.
Например, для печатной платы толщиной 50 мил, если диаметр переходной площадки составляет 20 мил (диаметр отверстия составляет 10 мил), а диаметр зоны сопротивления пайки составляет 40 мил, то мы можем приблизительно определить паразитную емкость переходное отверстие по приведенной выше формуле:
С=1,41х4,4х0,050х0,020/(0,040-0,020)=0,31пФ
Величина изменения времени нарастания, вызванная этой частью емкости, примерно равна:
Т10-90=2,2С(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05пс
Из этих значений видно, что, хотя полезность задержки нарастания, вызванной паразитной емкостью одного переходного отверстия, не очень очевидна, если переходное отверстие используется в линии несколько раз для переключения между слоями, будет использоваться несколько отверстий. и дизайн должен быть тщательно продуман. В реальной конструкции паразитную емкость можно уменьшить, увеличив расстояние между отверстием и медной площадкой (анти-площадка) или уменьшив диаметр площадки.
При проектировании быстродействующих цифровых схем вред, причиняемый паразитной индуктивностью, часто превышает влияние паразитной емкости. Его паразитная последовательная индуктивность ослабит вклад байпасного конденсатора и уменьшит эффективность фильтрации всей энергосистемы.
Мы можем использовать следующую эмпирическую формулу, чтобы просто рассчитать паразитную индуктивность в приближении сквозного отверстия:
L=5,08ч[ln(4ч/д)+1]
Где L относится к индуктивности переходного отверстия, h — длина переходного отверстия, а d — диаметр центрального отверстия. Из формулы видно, что диаметр переходного отверстия мало влияет на индуктивность, тогда как наибольшее влияние на индуктивность оказывает длина переходного отверстия. Продолжая использовать приведенный выше пример, индуктивность вне отверстия можно рассчитать как:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Если время нарастания сигнала составляет 1 нс, то его эквивалентный импеданс равен:
XL=πL/T10-90=3,19 Ом
Такое сопротивление нельзя игнорировать при наличии высокочастотного тока, в частности, отметим, что развязывающий конденсатор должен проходить через два отверстия при соединении силового слоя и пласта, чтобы паразитная индуктивность отверстия была многократно увеличена.
Как использовать переход?
Благодаря приведенному выше анализу паразитных характеристик отверстий мы видим, что при проектировании высокоскоростных печатных плат, казалось бы, простые отверстия часто оказывают сильное негативное влияние на конструкцию схемы. Чтобы снизить неблагоприятные последствия, вызванные паразитным воздействием отверстия, конструкция может быть, насколько это возможно:
Из двух аспектов стоимости и качества сигнала выберите разумный размер переходного отверстия. При необходимости вы можете рассмотреть возможность использования переходных отверстий разных размеров, например, для отверстий источника питания или заземляющего провода, вы можете рассмотреть возможность использования большего размера для уменьшения импеданса, а для сигнальной проводки вы можете использовать переходное отверстие меньшего размера. Конечно, по мере уменьшения размера переходного отверстия соответствующая стоимость также будет увеличиваться.
Из двух обсуждавшихся выше формул можно сделать вывод, что использование более тонкой печатной платы способствует уменьшению двух паразитных параметров переходного отверстия.
Сигнальную разводку на печатной плате не следует менять, насколько это возможно, то есть стараться не использовать ненужные переходные отверстия.
В контактах питания и земли необходимо просверлить переходные отверстия. Чем короче вывод между штырьками и переходными отверстиями, тем лучше. Для уменьшения эквивалентной индуктивности можно просверлить несколько отверстий параллельно.
Поместите несколько заземленных сквозных отверстий рядом с отверстиями для изменения сигнала, чтобы обеспечить ближайший контур для сигнала. Вы даже можете разместить на печатной плате несколько лишних отверстий для заземления.
Для высокоскоростных печатных плат с высокой плотностью можно рассмотреть возможность использования микроотверстий.