Перехідний отвір є одним із важливих компонентів багатошарової друкованої плати, і вартість свердління зазвичай становить від 30% до 40% вартості друкованої плати.Простіше кажучи, кожен отвір на друкованій платі можна назвати переходом.
Основна концепція переходу:
З точки зору функції перехідні отвори можна розділити на дві категорії: одна використовується як електричне з’єднання між шарами, а інша – як фіксація або позиціонування пристрою.Судячи з процесу, ці отвори зазвичай поділяються на три категорії, а саме глухі отвори, закопані отвори та наскрізні отвори.
Глухі отвори розташовані на верхній і нижній поверхнях друкованої плати і мають певну глибину для з'єднання поверхневої схеми і внутрішньої схеми внизу, причому глибина отворів зазвичай не перевищує певного співвідношення (апертури).
Закопаний отвір відноситься до отвору для з’єднання, розташованого у внутрішньому шарі друкованої плати, який не виходить на поверхню плати.Вищезазначені два типи отворів розташовані у внутрішньому шарі друкованої плати, який завершується процесом формування наскрізного отвору перед ламінуванням, і кілька внутрішніх шарів можуть перекриватися під час формування наскрізного отвору.
Третій тип називається наскрізними отворами, які проходять через всю друковану плату і можуть використовуватися для внутрішнього з’єднання або як монтажні отвори для позиціонування компонентів.Оскільки наскрізний отвір легше отримати в процесі, а вартість нижча, переважна більшість друкованих плат використовують його, а не два інших наскрізних отвори.Наступні отвори без спеціальних вказівок вважаються наскрізними.
З точки зору дизайну, перехідний отвір в основному складається з двох частин, одна з яких є серединою отвору, а інша є зоною зварювальної площадки навколо отвору.Розмір цих двох частин визначає розмір отвору.
Очевидно, що у високошвидкісному дизайні друкованої плати з високою щільністю розробники завжди хочуть, щоб отвір був якомога меншим, щоб можна було залишити більше місця для проводки, крім того, чим менший отвір, його власна паразитна ємність менша, більш придатна для високошвидкісних ланцюгів.
Однак зменшення розміру отвору також призводить до збільшення витрат, а розмір отвору не можна зменшувати нескінченно, він обмежений технологією свердління та гальванічного покриття: чим менший отвір, чим довше триває свердління, тим легше полягає у відхиленні від центру;Коли глибина отвору більше ніж у 6 разів перевищує діаметр отвору, неможливо гарантувати, що стінка отвору може бути рівномірно покрита міддю.
Наприклад, якщо товщина (глибина наскрізного отвору) звичайної 6-шарової плати PCB становить 50 Mil, тоді мінімальний діаметр свердління, який виробники PCB можуть забезпечити за нормальних умов, може досягати лише 8 Mil.З розвитком технології лазерного свердління розмір свердління також може бути все меншим і меншим, а діаметр отвору, як правило, менше або дорівнює 6 Mils, ми називаємося мікроотворами.
Мікроотвори часто використовуються в конструкції HDI (структури з’єднання високої щільності), і технологія мікроотворів дозволяє просвердлити отвір безпосередньо на майданчику, що значно покращує продуктивність схеми та економить простір для проводки.Перехідний отвір виглядає як точка розриву імпедансу на лінії передачі, що спричиняє відображення сигналу.Як правило, еквівалентний опір отвору приблизно на 12% нижчий, ніж у лінії передачі, наприклад, опір 50-омної лінії передачі буде зменшено на 6 Ом, коли вона проходить через отвір (зокрема, розмір отвору, товщина пластини також пов'язана, а не абсолютне зменшення).
Однак відбиття, викликане розривом імпедансу через, насправді дуже мало, і його коефіцієнт відбиття становить лише:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Проблеми, які виникають через перехідний отвір, більше зосереджені на впливі паразитної ємності та індуктивності.
Паразитна ємність та індуктивність Via
У самому отворі є паразитна паразитна ємність.Якщо діаметр зони опору припою на укладеному шарі дорівнює D2, діаметр площадки припою дорівнює D1, товщина плати друкованої плати дорівнює T, а діелектрична проникність підкладки дорівнює ε, паразитна ємність наскрізного отвору становить приблизно:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Основний вплив паразитної ємності на схему полягає в подовженні часу наростання сигналу та зниженні швидкості схеми.
Наприклад, для друкованої плати товщиною 50 Mil, якщо діаметр прохідної площадки становить 20 Mil (діаметр отвору 10 Mil), а діаметр зони опору припою становить 40 Mil, тоді ми можемо приблизно визначити паразитну ємність через наведену вище формулу:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31 пФ
Величина зміни часу наростання, викликаної цією частиною ємності, становить приблизно:
T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps
З цих значень видно, що хоча корисність затримки наростання, спричиненої паразитною ємністю одного перехідного отвору, не дуже очевидна, якщо перехідний отвір використовувати кілька разів у лінії для перемикання між шарами, буде використано кілька отворів, і дизайн слід ретельно продумати.У фактичній конструкції паразитну ємність можна зменшити шляхом збільшення відстані між отвором і мідною зоною (антипрокладка) або зменшенням діаметра прокладки.
У проектуванні високошвидкісних цифрових схем шкода, спричинена паразитною індуктивністю, часто більша, ніж вплив паразитної ємності.Його паразитна послідовна індуктивність послабить внесок байпасного конденсатора та послабить ефективність фільтрації всієї системи живлення.
Ми можемо використати таку емпіричну формулу, щоб просто обчислити паразитну індуктивність наближення через отвір:
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
Де L означає індуктивність переходу, h — довжина переходу, а d — діаметр центрального отвору.З формули видно, що діаметр отвору мало впливає на індуктивність, тоді як довжина отвору має найбільший вплив на індуктивність.Використовуючи наведений вище приклад, зовнішню індуктивність можна обчислити як:
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Якщо час наростання сигналу дорівнює 1 нс, то його еквівалентний розмір опору дорівнює:
XL=πL/T10-90=3,19 Ом
Такий імпеданс не можна ігнорувати за наявності високочастотного струму, зокрема, зауважте, що байпасний конденсатор повинен проходити через два отвори під час з’єднання шару живлення та пласта, щоб паразитна індуктивність отвору збільшилася в рази.
Як користуватися через?
Завдяки наведеному вище аналізу паразитних характеристик отвору ми можемо побачити, що у високошвидкісному дизайні друкованої плати прості, здавалося б, отвори часто приносять серйозні негативні наслідки для конструкції схеми.Щоб зменшити негативні наслідки, викликані паразитним ефектом отвору, конструкція може бути, наскільки це можливо:
З двох аспектів вартості та якості сигналу виберіть розумний розмір розміру отвору.Якщо необхідно, ви можете розглянути можливість використання отворів різних розмірів, наприклад, для отворів для проводів джерела живлення або заземлення, ви можете розглянути можливість використання більшого розміру для зменшення імпедансу, а для проводки сигналу ви можете використовувати менші отвори.Звичайно, зі зменшенням розміру переходу відповідна вартість також зростатиме
За двома формулами, розглянутими вище, можна зробити висновок, що використання більш тонкої плати друкованої плати сприяє зменшенню двох паразитних параметрів переходу
Сигнальну проводку на платі друкованої плати не слід змінювати, наскільки це можливо, тобто намагайтеся не використовувати непотрібні переходи.
Перехідні отвори повинні бути просвердлені в контактах джерела живлення та заземлення.Чим коротший кабель між штифтами та отворами, тим краще.Кілька отворів можна просвердлити паралельно, щоб зменшити еквівалентну індуктивність.
Розмістіть декілька заземлених наскрізних отворів біля наскрізних отворів зміни сигналу, щоб забезпечити найближчу петлю для сигналу.Ви навіть можете розмістити зайві отвори для заземлення на друкованій платі.
Для високошвидкісних друкованих плат із високою щільністю можна розглянути можливість використання мікроотворів.