จะทำ via ได้อย่างไร และจะใช้ via บน PCB ได้อย่างไร?

Via เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญของ PCB หลายชั้น และค่าใช้จ่ายในการเจาะมักจะคิดเป็น 30% ถึง 40% ของต้นทุนของบอร์ด PCB พูดง่ายๆ ก็คือ ทุกรูบน PCB สามารถเรียกว่าผ่านได้

อัสวา (1)

แนวคิดพื้นฐานของผ่านทาง:

จากมุมมองของฟังก์ชัน via สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ประเภทแรกใช้เป็นการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างเลเยอร์ และอีกประเภทหนึ่งใช้เป็นส่วนยึดหรือตำแหน่งของอุปกรณ์ หากจากกระบวนการแล้วรูเหล่านี้โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็น 3 ประเภท คือ รูตัน รูฝัง และรูทะลุ

รูบอดจะอยู่ที่พื้นผิวด้านบนและด้านล่างของแผงวงจรพิมพ์และมีความลึกที่แน่นอนสำหรับการเชื่อมต่อของวงจรพื้นผิวและวงจรด้านในด้านล่าง และความลึกของรูมักจะไม่เกินอัตราส่วนที่กำหนด (รูรับแสง)

รูฝังหมายถึงรูเชื่อมต่อที่อยู่ในชั้นด้านในของแผงวงจรพิมพ์ซึ่งไม่ขยายไปถึงพื้นผิวของบอร์ด รูสองประเภทข้างต้นจะอยู่ที่ชั้นในของแผงวงจร ซึ่งเสร็จสิ้นโดยกระบวนการขึ้นรูปแบบรูทะลุก่อนการเคลือบ และชั้นในหลายชั้นอาจทับซ้อนกันระหว่างการก่อตัวของรูทะลุ

ประเภทที่สามเรียกว่ารูทะลุ ซึ่งผ่านแผงวงจรทั้งหมด และสามารถใช้เพื่อให้เกิดการเชื่อมต่อภายในหรือเป็นรูตำแหน่งการติดตั้งสำหรับส่วนประกอบต่างๆ เนื่องจากการเจาะรูทะลุทำได้ง่ายกว่าในกระบวนการและต้นทุนก็ต่ำกว่า แผงวงจรพิมพ์ส่วนใหญ่จึงใช้รูทะลุนี้ แทนที่จะใช้รูทะลุอีกสองรูที่เหลือ รูต่อไปนี้ถือเป็นรูทะลุโดยไม่มีคำแนะนำพิเศษ

อัสวา (2)

จากมุมมองการออกแบบ เวียส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วน ส่วนแรกอยู่ตรงกลางของรูเจาะ และอีกส่วนคือพื้นที่แผ่นเชื่อมรอบรูเจาะ ขนาดของทั้งสองส่วนนี้จะกำหนดขนาดของเวีย

เห็นได้ชัดว่าในการออกแบบ PCB ความเร็วสูงและมีความหนาแน่นสูงนักออกแบบมักต้องการให้รูมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้สามารถเดินสายไฟได้มากขึ้น นอกจากนี้ ยิ่ง via เล็กลง ความจุปรสิตของตัวเองก็จะเล็กลง เหมาะสมกว่า สำหรับวงจรความเร็วสูง

อย่างไรก็ตาม การลดขนาด via ยังทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น และขนาดของรูไม่สามารถลดลงได้อย่างไม่มีกำหนด มันถูกจำกัดโดยเทคโนโลยีการเจาะและการชุบด้วยไฟฟ้า: ยิ่งรูเล็กลงเท่าไร ใช้เวลาเจาะนานเท่าไรก็ยิ่งง่ายขึ้นเท่านั้น คือการเบี่ยงเบนไปจากศูนย์กลาง เมื่อความลึกของรูมากกว่า 6 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของรู จะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะให้แน่ใจว่าผนังรูสามารถชุบทองแดงได้อย่างสม่ำเสมอ

ตัวอย่างเช่น หากความหนา (ความลึกของรูเจาะ) ของบอร์ด PCB 6 ชั้นปกติคือ 50Mil ดังนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะขั้นต่ำที่ผู้ผลิต PCB สามารถให้ได้ภายใต้สภาวะปกติจะสามารถเข้าถึงได้เพียง 8Mil เท่านั้น ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเจาะด้วยเลเซอร์ ขนาดของการเจาะยังสามารถเล็กลงได้ และเส้นผ่านศูนย์กลางของรูโดยทั่วไปจะน้อยกว่าหรือเท่ากับ 6Mils เราเรียกว่าไมโครโฮล

ไมโครโฮลมักใช้ในการออกแบบ HDI (โครงสร้างการเชื่อมต่อที่มีความหนาแน่นสูง) และเทคโนโลยีไมโครโฮลสามารถเจาะรูบนแผ่นได้โดยตรง ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรได้อย่างมากและประหยัดพื้นที่การเดินสายไฟ เวียปรากฏเป็นจุดพักของความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์บนสายส่ง ทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ โดยทั่วไป อิมพีแดนซ์ที่เทียบเท่าของรูจะต่ำกว่าสายส่งประมาณ 12% ตัวอย่างเช่น อิมพีแดนซ์ของสายส่ง 50 โอห์มจะลดลง 6 โอห์ม เมื่อผ่านรู (โดยเฉพาะและขนาดของไว ความหนาของแผ่นเพลทก็สัมพันธ์กัน ไม่ใช่การลดลงโดยสิ้นเชิง)

อย่างไรก็ตาม การสะท้อนที่เกิดจากการไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ผ่านทางนั้นแท้จริงแล้วมีค่าน้อยมาก และค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับเป็นเพียง:

(44-50)/(44 + 50) = 0.06

ปัญหาที่เกิดขึ้นจากเวียจะเน้นไปที่ผลกระทบของความจุและการเหนี่ยวนำของปรสิตมากกว่า

ความจุและการเหนี่ยวนำปรสิตของ Via

มีความจุของปรสิตหลงทางในตัวมันเอง หากเส้นผ่านศูนย์กลางของโซนต้านทานการบัดกรีบนชั้นที่วางคือ D2 เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นบัดกรีคือ D1 ความหนาของบอร์ด PCB คือ T และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของสารตั้งต้นคือ ε ความจุปรสิตของรูทะลุ อยู่ที่ประมาณ:
C=1.41εTD1/(D2-D1)
ผลกระทบหลักของความจุปรสิตในวงจรคือการยืดเวลาที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณและลดความเร็วของวงจร

ตัวอย่างเช่น สำหรับ PCB ที่มีความหนา 50Mil หากเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่น via คือ 20Mil (เส้นผ่านศูนย์กลางของรูเจาะคือ 10Mils) และเส้นผ่านศูนย์กลางของโซนต้านทานการบัดกรีคือ 40Mil จากนั้นเราสามารถประมาณค่าความจุของปรสิตได้ ผ่านทางสูตรข้างต้น:

ค=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF

จำนวนการเปลี่ยนแปลงเวลาเพิ่มขึ้นที่เกิดจากความจุส่วนนี้คือโดยประมาณ:

T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05พิโคเซคอน

จะเห็นได้จากค่าเหล่านี้ว่าแม้ว่าประโยชน์ของการหน่วงเวลาการเพิ่มขึ้นที่เกิดจากความจุปรสิตของ single via นั้นไม่ชัดเจนนัก หากมีการใช้ via หลายครั้งในบรรทัดเพื่อสลับระหว่างเลเยอร์ ก็จะมีการใช้หลายรู และควรพิจารณาการออกแบบอย่างรอบคอบ ในการออกแบบจริง ความจุของปรสิตสามารถลดลงได้โดยการเพิ่มระยะห่างระหว่างรูและพื้นที่ทองแดง (แผ่นป้องกัน) หรือลดเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่น

อัสวา (3)

ในการออกแบบวงจรดิจิตอลความเร็วสูง อันตรายที่เกิดจากการเหนี่ยวนำของปรสิตมักจะมากกว่าอิทธิพลของความจุของปรสิต การเหนี่ยวนำอนุกรมปรสิตจะทำให้การมีส่วนร่วมของตัวเก็บประจุบายพาสลดลง และลดประสิทธิภาพการกรองของระบบไฟฟ้าทั้งหมด

เราสามารถใช้สูตรเชิงประจักษ์ต่อไปนี้เพื่อคำนวณค่าความเหนี่ยวนำของกาฝากของการประมาณค่าทะลุผ่านรู:

ยาว=5.08ชม.[ln(4ชม./วัน)+1]

โดยที่ L หมายถึงความเหนี่ยวนำของ via, h คือความยาวของ via และ d คือเส้นผ่านศูนย์กลางของรูตรงกลาง จากสูตรจะเห็นได้ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดผ่านมีอิทธิพลต่อความเหนี่ยวนำเพียงเล็กน้อย ในขณะที่ความยาวของจุดผ่านมีอิทธิพลต่อความเหนี่ยวนำมากที่สุด ยังคงใช้ตัวอย่างข้างต้น สามารถคำนวณความเหนี่ยวนำนอกรูได้ดังนี้:

ยาว=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH

หากเวลาที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณคือ 1ns ดังนั้นขนาดอิมพีแดนซ์ที่เทียบเท่าคือ:

XL=πL/T10-90=3.19Ω

อิมพีแดนซ์ดังกล่าวไม่สามารถละเลยได้เมื่อมีกระแสความถี่สูงผ่าน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โปรดทราบว่าตัวเก็บประจุบายพาสจะต้องผ่านสองรูเมื่อเชื่อมต่อชั้นพลังงานและการก่อตัว เพื่อให้การเหนี่ยวนำปรสิตของรูถูกคูณ

วิธีการใช้งานผ่านทาง?

จากการวิเคราะห์ลักษณะปรสิตของรูข้างต้น เราจะเห็นได้ว่าในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง รูที่ดูเรียบง่ายมักจะส่งผลเสียอย่างมากต่อการออกแบบวงจร เพื่อลดผลกระทบที่เกิดจากปรสิตของหลุม การออกแบบสามารถทำได้ให้มากที่สุด:

อัสวา (4)

จากทั้งสองด้านของต้นทุนและคุณภาพสัญญาณ ให้เลือกขนาดที่เหมาะสมของขนาดสัญญาณ หากจำเป็น คุณสามารถลองใช้ขนาดต่างๆ ของ Via ได้ เช่น สำหรับแหล่งจ่ายไฟหรือรูสายกราวด์ คุณสามารถลองใช้ขนาดที่ใหญ่ขึ้นเพื่อลดความต้านทาน และสำหรับการเดินสายสัญญาณ คุณสามารถใช้ Via ที่เล็กลงได้ แน่นอนว่าเมื่อขนาดของ via ลดลง ต้นทุนที่เกี่ยวข้องก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน

สูตรทั้งสองที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถสรุปได้ว่าการใช้บอร์ด PCB ที่บางกว่านั้นเอื้อต่อการลดพารามิเตอร์ปรสิตสองตัวของ via

ไม่ควรเปลี่ยนการเดินสายสัญญาณบนบอร์ด PCB ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ กล่าวคือ พยายามอย่าใช้จุดแวะที่ไม่จำเป็น

ต้องเจาะ Vias เข้ากับหมุดของแหล่งจ่ายไฟและกราวด์ ยิ่งตะกั่วระหว่างหมุดและจุดแวะสั้นเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น สามารถเจาะรูหลายรูพร้อมกันเพื่อลดค่าความเหนี่ยวนำที่เท่ากัน

วางรูทะลุที่ต่อสายดินไว้ใกล้กับรูทะลุของสัญญาณที่เปลี่ยนไป เพื่อให้เกิดวงวนที่ใกล้ที่สุดสำหรับสัญญาณ คุณสามารถวางรูกราวด์ส่วนเกินไว้บนบอร์ด PCB ได้

สำหรับบอร์ด PCB ความเร็วสูงที่มีความหนาแน่นสูง คุณสามารถพิจารณาใช้ไมโครรูได้