Prehod je ena od pomembnih komponent večslojnega PCB-ja, stroški vrtanja pa običajno predstavljajo 30 % do 40 % stroškov PCB plošče.Preprosto povedano, vsako luknjo na tiskanem vezju lahko imenujemo prehod.
Osnovni koncept via:
Z vidika delovanja lahko prehode razdelimo v dve kategoriji: ena se uporablja kot električna povezava med plastmi, druga pa se uporablja kot pritrditev ali pozicioniranje naprave.Glede na postopek so te luknje na splošno razdeljene v tri kategorije, in sicer slepe luknje, zakopane luknje in skoznje luknje.
Slepe luknje se nahajajo na zgornji in spodnji površini tiskanega vezja in imajo določeno globino za povezavo površinskega vezja in spodnjega notranjega vezja, globina lukenj pa običajno ne presega določenega razmerja (odprtina).
Zakopana luknja se nanaša na priključno luknjo v notranji plasti tiskanega vezja, ki ne sega do površine plošče.Zgornji dve vrsti lukenj se nahajata v notranji plasti tiskanega vezja, ki je dokončana s postopkom oblikovanja skozi luknjo pred laminacijo, med oblikovanjem skoznje luknje pa se lahko prekriva več notranjih plasti.
Tretja vrsta se imenuje skoznje luknje, ki potekajo skozi celotno vezje in se lahko uporabljajo za doseganje notranje povezave ali kot luknje za namestitev komponent.Ker je skoznjo luknjo lažje doseči v procesu in je cena nižja, jo velika večina tiskanih vezij uporablja namesto ostalih dveh skoznjih lukenj.Naslednje luknje brez posebnih navodil veljajo za skoznje.
Z vidika oblikovanja je odprtina v glavnem sestavljena iz dveh delov, eden je sredina izvrtine, drugi pa območje varilne blazinice okoli izvrtine.Velikost teh dveh delov določa velikost prehoda.
Očitno je, da pri načrtovanju tiskanega vezja visoke hitrosti in visoke gostote načrtovalci vedno želijo čim manjšo luknjo, tako da lahko ostane več prostora za ožičenje, poleg tega, manjši ko je prehod, manjša je lastna parazitska kapacitivnost, primernejša za hitra vezja.
Zmanjšanje velikosti prehoda pa prinaša tudi povečanje stroškov, velikosti luknje pa ni mogoče zmanjševati v nedogled, omejena je s tehnologijo vrtanja in galvanizacije: manjša kot je luknja, dlje časa traja vrtanje, lažje je je odstopanje od središča;Ko je globina luknje več kot 6-krat večji od premera luknje, je nemogoče zagotoviti, da je stena luknje lahko enakomerno prevlečena z bakrom.
Na primer, če je debelina (globina skozi luknjo) običajne 6-slojne PCB plošče 50 Mil, potem lahko najmanjši premer vrtanja, ki ga lahko zagotovijo proizvajalci PCB v normalnih pogojih, doseže le 8 Mil.Z razvojem tehnologije laserskega vrtanja je lahko tudi velikost vrtanja manjša in manjša, premer luknje pa je na splošno manjši ali enak 6Mils, imenujemo se mikroluknje.
Mikroluknje se pogosto uporabljajo pri načrtovanju HDI (high density interconnect structure), tehnologija mikroluknji pa lahko omogoči neposredno vrtanje luknje na ploščici, kar močno izboljša delovanje vezja in prihrani prostor za ožičenje.Prek se pojavi kot prelomna točka prekinitve impedance na prenosnem vodu, kar povzroči odboj signala.Na splošno je ekvivalentna impedanca luknje približno 12 % nižja od prenosnega voda, na primer, impedanca 50 ohmskega prenosnega voda se zmanjša za 6 ohmov, ko gre skozi luknjo (natančneje in velikost prehoda, povezana je tudi debelina plošče, ne pa absolutno zmanjšanje).
Vendar pa je odboj, ki ga povzroča prekinitev impedance preko, dejansko zelo majhen, njegov odbojni koeficient pa je samo:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Težave, ki izhajajo iz prehoda, so bolj osredotočene na učinke parazitske kapacitivnosti in induktivnosti.
Parazitna kapacitivnost in induktivnost Via
V samem prehodu je parazitska blodeča kapacitivnost.Če je premer spajkalne uporne cone na položenem sloju D2, premer spajkalne plošče D1, debelina PCB plošče T in dielektrična konstanta podlage ε, je parazitska kapacitivnost skoznje luknje je približno:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Glavni učinek parazitske kapacitivnosti na vezje je podaljšanje časa vzpona signala in zmanjšanje hitrosti vezja.
Na primer, za tiskano vezje z debelino 50 Mil, če je premer prehodne plošče 20 Mil (premer izvrtine je 10 Mil) in je premer območja odpornosti na spajkanje 40 Mil, potem lahko približno ocenimo parazitsko kapacitivnost prek z zgornjo formulo:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
Količina spremembe časa vzpona, ki jo povzroči ta del kapacitivnosti, je približno:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Iz teh vrednosti je razvidno, da čeprav uporabnost zakasnitve naraščanja, ki jo povzroči parazitska kapacitivnost posameznega prehoda, ni zelo očitna, če se prehod večkrat uporabi v liniji za preklapljanje med plastmi, bo uporabljenih več lukenj, in dizajn je treba skrbno pretehtati.V dejanski zasnovi se lahko parazitska kapacitivnost zmanjša s povečanjem razdalje med luknjo in bakrenim območjem (protipad) ali zmanjšanjem premera blazinice.
Pri zasnovi visokohitrostnih digitalnih vezij je škoda, ki jo povzroča parazitska induktivnost, pogosto večja od vpliva parazitske kapacitivnosti.Njegova parazitska serijska induktivnost bo oslabila prispevek obvodnega kondenzatorja in oslabila učinkovitost filtriranja celotnega elektroenergetskega sistema.
Za preprost izračun parazitske induktivnosti približka skozi luknjo lahko uporabimo naslednjo empirično formulo:
L=5,08h[ln(4h/d)+1]
Kjer se L nanaša na induktivnost prehoda, je h dolžina prehoda, d pa je premer osrednje luknje.Iz formule je razvidno, da ima premer prehoda majhen vpliv na induktivnost, medtem ko ima dolžina prehoda največji vpliv na induktivnost.Še vedno z uporabo zgornjega primera lahko induktivnost zunaj luknje izračunamo kot:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Če je čas vzpona signala 1 ns, je njegova enakovredna velikost impedance:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Takšne impedance ni mogoče prezreti v prisotnosti visokofrekvenčnega toka skozi, zlasti upoštevajte, da mora obvodni kondenzator iti skozi dve luknji, ko povezuje močnostno plast in tvorbo, tako da se bo parazitska induktivnost luknje pomnožila.
Kako uporabljati via?
Z zgornjo analizo parazitskih značilnosti luknje lahko vidimo, da pri oblikovanju tiskanega vezja visoke hitrosti na videz preproste luknje pogosto povzročijo velike negativne učinke na zasnovo vezja.Da bi zmanjšali škodljive učinke, ki jih povzroča parazitski učinek luknje, je lahko zasnova čim bolj:
Iz dveh vidikov stroškov in kakovosti signala izberite razumno velikost velikosti prehoda.Če je potrebno, lahko razmislite o uporabi različnih velikosti prehodov, na primer za luknje za napajalno ali ozemljitveno žico, razmislite o uporabi večje velikosti, da zmanjšate impedanco, za signalno ožičenje pa lahko uporabite manjši prehod.Seveda, ko se velikost prehoda zmanjša, se povečajo tudi ustrezni stroški
Zgoraj obravnavani formuli je mogoče sklepati, da je uporaba tanjše PCB plošče ugodna za zmanjšanje dveh parazitskih parametrov povezave
Signalnega ožičenja na tiskanem vezju ne smete spreminjati, kolikor je to mogoče, kar pomeni, da poskusite ne uporabljati nepotrebnih prehodov.
Vije je treba izvrtati v zatiče napajalnika in ozemljitev.Čim krajši je vod med zatiči in vias, tem bolje.Za zmanjšanje ekvivalentne induktivnosti je mogoče vzporedno izvrtati več lukenj.
Postavite nekaj ozemljenih skoznjih lukenj blizu skoznjih lukenj spremembe signala, da zagotovite najbližjo zanko za signal.Na tiskano vezje lahko celo postavite nekaj odvečnih lukenj za tla.
Za hitre PCB plošče z visoko gostoto lahko razmislite o uporabi mikro lukenj.