Làm cách nào để thực hiện via và cách sử dụng via trên PCB?

Thông qua là một trong những thành phần quan trọng của PCB nhiều lớp và chi phí khoan thường chiếm 30% đến 40% giá thành của bảng PCB.Nói một cách đơn giản, mọi lỗ trên PCB đều có thể được gọi là via.

asva (1)

Khái niệm cơ bản của via:

Từ quan điểm của chức năng, via có thể được chia thành hai loại: một loại được sử dụng làm kết nối điện giữa các lớp và loại còn lại được sử dụng làm vật cố định hoặc định vị của thiết bị.Nếu xét về quy trình, các lỗ này thường được chia thành ba loại là lỗ mù, lỗ chôn và lỗ xuyên.

Các lỗ mù nằm ở bề mặt trên và dưới của bảng mạch in và có độ sâu nhất định để kết nối mạch bề mặt và mạch bên trong bên dưới, độ sâu của các lỗ thường không vượt quá một tỷ lệ nhất định (khẩu độ).

Lỗ chôn là lỗ kết nối nằm ở lớp bên trong của bảng mạch in, không mở rộng ra bề mặt của bảng.Hai loại lỗ trên nằm ở lớp bên trong của bảng mạch, được hoàn thiện bằng quá trình đúc xuyên lỗ trước khi cán màng và một số lớp bên trong có thể chồng lên nhau trong quá trình hình thành lỗ xuyên.

Loại thứ ba được gọi là lỗ xuyên, đi qua toàn bộ bảng mạch và có thể được sử dụng để kết nối nội bộ hoặc làm lỗ định vị lắp đặt cho các bộ phận.Bởi vì lỗ xuyên qua dễ dàng đạt được hơn trong quy trình và chi phí thấp hơn nên phần lớn các bảng mạch in sử dụng nó thay vì hai lỗ xuyên còn lại.Các lỗ sau đây, không có hướng dẫn đặc biệt, được coi là lỗ xuyên qua.

asva (2)

Theo quan điểm thiết kế, via chủ yếu bao gồm hai phần, một phần là giữa lỗ khoan và phần còn lại là khu vực miếng hàn xung quanh lỗ khoan.Kích thước của hai phần này quyết định kích thước của via.

Rõ ràng, trong thiết kế PCB tốc độ cao, mật độ cao, các nhà thiết kế luôn muốn lỗ càng nhỏ càng tốt để có thể để lại nhiều không gian đi dây hơn, hơn nữa, thông qua càng nhỏ thì điện dung ký sinh của chính nó càng nhỏ, phù hợp hơn cho các mạch tốc độ cao.

Tuy nhiên, việc giảm kích thước via cũng làm tăng chi phí, và kích thước lỗ không thể giảm vô thời hạn mà bị hạn chế bởi công nghệ khoan và mạ điện: lỗ càng nhỏ thì thời gian khoan càng lâu thì càng dễ dàng. là đi chệch khỏi trung tâm;Khi độ sâu của lỗ lớn hơn 6 lần đường kính của lỗ thì không thể đảm bảo rằng thành lỗ có thể được mạ đồng đều.

Ví dụ: nếu độ dày (thông qua độ sâu lỗ) của bảng PCB 6 lớp thông thường là 50Mil, thì đường kính khoan tối thiểu mà nhà sản xuất PCB có thể cung cấp trong điều kiện bình thường chỉ có thể đạt tới 8Mil.Với sự phát triển của công nghệ khoan laser, kích thước của mũi khoan cũng có thể ngày càng nhỏ hơn và đường kính của lỗ thường nhỏ hơn hoặc bằng 6Mils, chúng ta gọi là lỗ siêu nhỏ.

Các lỗ vi mô thường được sử dụng trong thiết kế HDI (cấu trúc kết nối mật độ cao) và công nghệ vi lỗ có thể cho phép khoan lỗ trực tiếp trên tấm đệm, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất mạch và tiết kiệm không gian đi dây.Thông qua xuất hiện như một điểm dừng của sự gián đoạn trở kháng trên đường truyền, gây ra sự phản xạ tín hiệu.Nói chung, trở kháng tương đương của lỗ thấp hơn đường truyền khoảng 12%, ví dụ trở kháng của đường truyền 50 ohms sẽ giảm 6 ohms khi đi qua lỗ (cụ thể và kích thước của via, độ dày tấm cũng có liên quan, không giảm tuyệt đối).

Tuy nhiên, sự phản xạ gây ra bởi sự gián đoạn trở kháng thực sự rất nhỏ và hệ số phản xạ của nó chỉ là:

(44-50)/(44 + 50) = 0,06

Các vấn đề phát sinh từ via tập trung nhiều hơn vào ảnh hưởng của điện dung và điện cảm ký sinh.

Điện dung và điện cảm ký sinh của Via

Có một điện dung đi lạc ký sinh trong chính nó.Nếu đường kính của vùng điện trở hàn trên lớp được đặt là D2, đường kính của miếng hàn là D1, độ dày của bảng PCB là T và hằng số điện môi của chất nền là ε, điện dung ký sinh của lỗ xuyên qua là xấp xỉ:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Tác dụng chính của điện dung ký sinh trên mạch là kéo dài thời gian tăng của tín hiệu và giảm tốc độ của mạch.

Ví dụ: đối với PCB có độ dày 50Mil, nếu đường kính của miếng xuyên qua là 20Mil (đường kính lỗ khoan là 10Mil) và đường kính của vùng điện trở hàn là 40Mil, thì chúng ta có thể tính gần đúng điện dung ký sinh của qua theo công thức trên:

C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF

Lượng thay đổi thời gian tăng do phần điện dung này gây ra là khoảng:

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

Có thể thấy từ các giá trị này rằng mặc dù tiện ích của độ trễ tăng gây ra bởi điện dung ký sinh của một via đơn lẻ là không rõ ràng lắm, nhưng nếu via được sử dụng nhiều lần trong đường dây để chuyển đổi giữa các lớp, thì nhiều lỗ sẽ được sử dụng, và thiết kế cần được xem xét cẩn thận.Trong thiết kế thực tế, điện dung ký sinh có thể giảm bằng cách tăng khoảng cách giữa lỗ và vùng đồng (Anti-pad) hoặc giảm đường kính của miếng đệm.

asva (3)

Trong thiết kế mạch kỹ thuật số tốc độ cao, tác hại do điện cảm ký sinh gây ra thường lớn hơn ảnh hưởng của điện dung ký sinh.Dòng điện cảm ký sinh của nó sẽ làm suy yếu sự đóng góp của tụ điện bypass và làm suy yếu hiệu quả lọc của toàn bộ hệ thống điện.

Chúng ta có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau đây để tính toán đơn giản độ tự cảm ký sinh của phép tính gần đúng xuyên lỗ:

L=5,08h[ln(4h/d)+1]

Trong đó L là độ tự cảm của via, h là chiều dài của via và d là đường kính của lỗ trung tâm.Từ công thức có thể thấy rằng đường kính của via ít ảnh hưởng đến độ tự cảm, trong khi chiều dài của via có ảnh hưởng lớn nhất đến độ tự cảm.Vẫn sử dụng ví dụ trên, độ tự cảm ngoài lỗ có thể được tính như sau:

L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH

Nếu thời gian tăng của tín hiệu là 1ns thì kích thước trở kháng tương đương của nó là:

XL=πL/T10-90=3,19Ω

Trở kháng như vậy không thể bỏ qua khi có dòng điện tần số cao đi qua, đặc biệt, lưu ý rằng tụ điện rẽ nhánh cần phải đi qua hai lỗ khi kết nối lớp nguồn và hệ thống, để độ tự cảm ký sinh của lỗ sẽ được nhân lên.

Làm thế nào để sử dụng thông qua?

Qua phân tích ở trên về đặc điểm ký sinh của lỗ, chúng ta có thể thấy rằng trong thiết kế PCB tốc độ cao, các lỗ tưởng chừng đơn giản thường mang lại những tác động tiêu cực rất lớn cho việc thiết kế mạch điện.Để giảm tác động bất lợi do hiệu ứng ký sinh của lỗ gây ra, thiết kế có thể càng xa càng tốt:

asva (4)

Từ hai khía cạnh về chi phí và chất lượng tín hiệu, hãy chọn kích thước thông qua kích thước hợp lý.Nếu cần, bạn có thể cân nhắc sử dụng các via có kích thước khác nhau, chẳng hạn như lỗ cấp nguồn hoặc lỗ dây nối đất, bạn có thể cân nhắc sử dụng kích thước lớn hơn để giảm trở kháng, còn đối với dây tín hiệu, bạn có thể sử dụng via nhỏ hơn.Tất nhiên, khi kích thước của via giảm thì chi phí tương ứng cũng sẽ tăng lên.

Hai công thức được thảo luận ở trên có thể kết luận rằng việc sử dụng bảng PCB mỏng hơn có lợi cho việc giảm hai thông số ký sinh của thông qua

Không nên thay đổi hệ thống dây tín hiệu trên bo mạch PCB càng nhiều càng tốt, nghĩa là cố gắng không sử dụng các vias không cần thiết.

Vias phải được khoan vào các chân của nguồn điện và nối đất.Dây dẫn giữa các chân và vias càng ngắn thì càng tốt.Nhiều lỗ có thể được khoan song song để giảm độ tự cảm tương đương.

Đặt một số lỗ xuyên đất gần các lỗ xuyên qua bộ thay đổi tín hiệu để cung cấp vòng lặp gần nhất cho tín hiệu.Bạn thậm chí có thể đặt một số lỗ tiếp đất thừa trên bảng PCB.

Đối với các bo mạch PCB tốc độ cao với mật độ cao, bạn có thể cân nhắc sử dụng các lỗ siêu nhỏ.