Leiterplatte Blog - Wie man den negativen Effekt des Durchgangs im Hochgeschwindigkeits Leiterplatten design vermeidet

1. Grundkonzept der

Durchgangsloch ist ein wichtiger Teil einer Mehrschichtige Leiterplatte, und die Kosten des Bohrens machen normalerweise 30% bis 40% der Kosten der Leiterplattenherstellung aus. Kurz gesagt, Jedes Loch auf einer Leiterplatte kann als Durchgangsloch bezeichnet werden. Aus der Perspektive der Funktion, Durchkontaktierungen können in zwei Kategorien unterteilt werden: eine wird als elektrische Verbindung zwischen Schichten verwendet; Zweiter, es dient zur Befestigung oder Positionierung von Vorrichtungen. 

Prozessbezogen, Diese Vias sind im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt, nämlich totes Loch, vergrabenes Loch und Durchgangsloch. Das tote Loch befindet sich auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte, und hat eine gewisse Tiefe. Es wird verwendet, um die Oberflächenlinie und die untere innere Linie zu verbinden. Die Tiefe der Bohrung überschreitet in der Regel nicht ein bestimmtes Verhältnis (Blende).Eingebettetes Loch bezieht sich auf das Verbindungsloch in der inneren Schicht der Leiterplatte, die sich nicht auf die Oberfläche der Leiterplatte erstreckt. Die beiden oben genannten Arten von Löchern befinden sich in der inneren Schicht der Leiterplatte. Vor der Laminierung, Der Durchgangslochformungsprozess wird verwendet, um das Loch zu vervollständigen.Während des Lochbildungsprozesses, mehrere innere Schichten überlappen können. Das dritte wird Durchgangsloch genannt, das die gesamte Leiterplatte durchläuft und für interne Verbindungen oder als Installations- und Positionierloch von Komponenten verwendet werden kann. Weil das Durchgangsloch in der Technologie einfacher zu realisieren und in den Kosten niedriger ist, Die meisten Leiterplatten verwenden es anstelle der anderen beiden Arten von Durchgangsloch. Die folgenden Durchkontaktierungen, sofern nicht anders angegeben, als Durchgangsloch gelten. 

Aus gestalterischer Sicht, Ein Durchgang besteht hauptsächlich aus zwei Teilen: einer ist das mittlere Bohrloch, und der andere ist der Pad Bereich um das Bohrloch.Die Größe dieser beiden Teile bestimmt die Größe der Vias. Offensichtlich, bei der Auslegung von Hochgeschwindigkeits- und High-Density-Systemen Leiterplatten, Designer hoffen immer, dass je kleiner die Vias sind, die bessere,so dass mehr Verdrahtungsraum auf der Platine gelassen werden kann.Darüber hinaus, je kleiner die Via, je kleiner seine parasitäre Kapazität, die besser für Hochgeschwindigkeitsschaltungen geeignet ist. Allerdings, die Verringerung der Lochgröße führt auch zu einer Erhöhung der Kosten,und die Größe der Durchkontaktierungen kann nicht ohne Einschränkung reduziert werden. Sie wird durch Bohr- und Galvaniktechnik begrenzt: Je kleiner das Loch, je länger die Bohrzeit dauert, und je einfacher es ist, vom Zentrum abzuweichen; Und wenn die Tiefe des Lochs das 6-fache des Bohrdurchmessers übersteigt, Es ist unmöglich sicherzustellen, dass die Lochwand gleichmäßig verkupfert werden kann. 

Zum Beispiel, wenn die Dicke (Durchgangstiefe) einer normalen 6 Lagen Leiterplatte 50Mil beträgt, dann unter normalen Bedingungen, Der Durchmesser des vom Leiterplattenhersteller bereitgestellten Lochs kann nur 8Mil erreichen. Mit der Entwicklung der Laserbohrtechnik, Die Größe der Bohrung kann auch kleiner und kleiner sein.Allgemein, Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von weniger oder gleich 6Mils werden Mikroporen genannt.Mikrolöcher werden häufig im HDI-Design (High-Density Interconnection Structure) verwendet. Microhole-Technologie ermöglicht das direkte Stanzen von Vias auf Pads, Das verbessert die Schaltungsleistung erheblich und spart Verdrahtungsplatz. Die Durchkontaktierungen auf der Übertragungsleitung verhalten sich als Haltepunkte mit diskontinuierlicher Impedanz, die Signalreflexion verursachen. Allgemein, die äquivalente Impedanz der Durchkontaktierungen ist etwa 12% niedriger als die der Übertragungsleitungen. Zum Beispiel, Die Impedanz einer 50 Ohm Übertragungsleitung verringert sich um 6-Ohm, wenn sie durch die Durchkontaktierungen geht (speziell bezogen auf die Größe der Durchkontaktierungen und die Dicke der Platten, nicht auf die Reduktion).Allerdings, Die Reflexion, die durch die diskontinuierliche Impedanz der Durchkontaktierungen verursacht wird, ist eigentlich sehr gering, und sein Reflexionskoeffizient ist nur (44-50)/(44+50)=0.06. Die Probleme, die durch Durchkontaktierungen verursacht werden, konzentrieren sich stärker auf die Auswirkungen parasitärer Kapazität und Induktivität.

2. Parasitische Kapazität und Induktivität von

Es gibt parasitäre Streumapazitäten in der Via selbst. Wenn bekannt ist, dass der Durchmesser des Lötmaskenbereichs des Durchgangs auf dem Boden D2 ist, der Durchmesser des Durchgangs D1 ist, die Dicke der Leiterplatte T ist und die dielektrische Konstante des Leiterplattensubstrats ε ist, Dann ist die parasitäre Kapazität des Durchgangs ungefähr C=1.41 ε Die parasitäre Kapazität von TD1/(D2-D1) über beeinflusst hauptsächlich die Schaltung, indem sie die Signalanstiegszeit verlängert und die Schaltungsgeschwindigkeit verringert. Zum Beispiel für eine Leiterplatte mit einer Dicke von 50Mil, wenn der Durchgangspaddurchmesser 20Mil ist (Bohrdurchmesser 10Mils) und der Lötmaskenflächendurchmesser 40Mil ist, Wir können die parasitäre Kapazität der Via ungefähr durch die obige Formel berechnen: C=1.41x4.4 x 0.050 x 0.020/(0.040-0.020)=0.31pF Die Anstiegszeit, die durch diesen Teil der Kapazität verursacht wird, beträgt ungefähr T10-90=2.2C (Z0/2)=2.2x0.31x (50/2)=17.05ps. Aus diesen Werten ist ersichtlich, dass, obwohl der Effekt der Anstiegsverzögerung, die durch die parasitäre Kapazität eines einzelnen Durchgangs verursacht wird, nicht sehr offensichtlich ist, wenn das Durchgang für viele Male im Routing zum Zwischenschichtumschalten verwendet wird, mehrere Durchgänge verwendet werden, die bei der Konstruktion sorgfältig berücksichtigt werden sollten. Im praktischen Design kann die parasitäre Kapazität verringert werden, indem der Abstand zwischen Durchgangs- und kupferplattierter Fläche erhöht oder der Durchmesser des Pads verringert wird. Parasitische Kapazität und Induktivität existieren in Vias. Beim Design von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen verursacht die parasitäre Induktivität von Durchkontaktierungen oft mehr Schaden als die parasitäre Kapazität. Seine parasitäre Reiheninduktivität schwächt den Beitrag des Bypass-Kondensators und die Filterwirkung des gesamten Stromversorgungssystems. Wir können die folgende empirische Formel verwenden, um einfach die ungefähre parasitäre Induktivität eines Via zu berechnen: L=5,08h [ln (4h/d)+1] wobei L die Induktivität des Via ist, h die Länge des Via und d der Durchmesser des zentralen Bohrlochs.Aus der Formel ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Durchgangs wenig Einfluss auf die Induktivität hat, während die Länge des Durchgangs wenig Einfluss auf die Induktivität hat. Anhand des obigen Beispiels kann berechnet werden, dass die Induktivität des Durchgangs ist: L=5.08x0.050 [ln (4x0.050/0.010)+1]=1.015nH Wenn die Anstiegszeit des Signals 1ns ist, ist die äquivalente Impedanz XL=π L/T10-90=3.19 Ω. Eine solche Impedanz kann nicht ignoriert werden, wenn Hochfrequenzstrom durchgeht. Insbesondere muss der Bypass-Kondensator beim Verbinden der Leistungsschicht und der Schicht zwei Durchgänge durchlaufen, so dass die parasitäre Induktivität der Durchgänge multipliziert wird.

3. Wie sind Vias anzuwenden?

Durch die obige Analyse der parasitären Eigenschaften von Durchkontaktierungen können wir sehen, dass scheinbar einfache Durchkontaktierungen im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design oft große negative Auswirkungen auf das Schaltungsdesign haben. Um die schädlichen Auswirkungen, die durch die parasitäre Wirkung von Vias verursacht werden, zu reduzieren, können folgende Maßnahmen im Design getroffen werden:

1) In Anbetracht der Kosten und Signalqualität wird die angemessene Größe der Durchkontaktierungen ausgewählt. Bei Bedarf können Sie Vias unterschiedlicher Größe verwenden. Zum Beispiel können Sie bei Stromversorgungs- oder Erdungskabeldurchgängen größere Größen verwenden, um die Impedanz zu reduzieren, während Sie für die Signalverdrahtung kleinere Durchgänge verwenden können. Mit der Reduzierung der Durchgangsgröße steigen natürlich die entsprechenden Kosten.

2) Aus den beiden oben besprochenen Formeln kann geschlossen werden, dass die Verwendung dünnerer PCB vorteilhaft ist, um die beiden parasitären Parameter von Vias zu reduzieren.

3) Die Signalverdrahtung auf der Leiterplatte soll die Schichten nicht so weit wie möglich verändern, das heißt, unnötige Durchkontaktierungen sollten nicht so viel wie möglich verwendet werden.

4) Die Stifte der Stromversorgung und der Masse müssen in der Nähe gestanzt werden, und die Leitung zwischen dem Durchgang und dem Stift muss so kurz wie möglich sein. Mehrere Durchgänge können parallel gebohrt werden, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren.

5) Platzieren Sie einige geerdete Durchkontaktierungen in der Nähe der Durchkontaktierungen für Signalschichtwechsel, um Nahschaltung für Signale bereitzustellen. Sie können sogar einige redundante Erdungsvias auf der Leiterplatte platzieren.

6)Für high-speed Leiterplatten mit hoher Dichte, Mikrovias können in Betracht gezogen werden.