PCB a través del intercambio de habilidades de diseño
La vía es uno de los componentes importantes de la PCB multicapa, y el costo de perforación generalmente representa del 30% al 40% del costo de fabricación de PCB. En pocas palabras, cada orificio de la PCB se puede llamar vía. Desde el punto de vista de la función, las vías se pueden dividir en dos categorías: una se utiliza para conexiones eléctricas entre capas; el otro se utiliza para dispositivos de fijación o posicionamiento. En términos de proceso, las vías generalmente se dividen en tres categorías, a saber, vías ciegas, vías enterradas y vías pasantes.
Las vías ciegas se encuentran en las superficies superior e inferior de la placa de circuito impreso y tienen una cierta profundidad. Se utilizan para conectar la línea de superficie y la línea interior subyacente. La profundidad del orificio generalmente no excede una cierta relación (apertura). El orificio enterrado se refiere al orificio de conexión ubicado en la capa interna de la placa de circuito impreso, que no se extiende a la superficie de la placa de circuito. Los dos tipos de orificios mencionados anteriormente se encuentran en la capa interna de la placa de circuito y se completan mediante un proceso de formación de orificios pasantes antes de la laminación, y varias capas internas pueden superponerse durante la formación de la vía. El tercer tipo se denomina orificio pasante, que penetra en toda la placa de circuito y se puede utilizar para la interconexión interna o como orificio de posicionamiento de montaje de componentes. Debido a que el orificio pasante es más fácil de realizar en el proceso y el costo es menor, se utiliza en la mayoría de las placas de circuito impreso en lugar de los otros dos tipos de orificios pasantes. Los orificios de paso mencionados a continuación, a menos que se especifique lo contrario, se consideran orificios de paso.
1. Desde el punto de vista del diseño, una vía se compone principalmente de dos partes, una es el orificio de perforación en el medio y la otra es el área de la almohadilla alrededor del orificio de perforación. El tamaño de estas dos partes determina el tamaño de la vía. Obviamente, en el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, los diseñadores siempre esperan que cuanto más pequeño sea el orificio de paso, mejor, para que se pueda dejar más espacio de cableado en la placa. Además, cuanto más pequeño sea el orificio de paso, la capacitancia parásita será propia. Cuanto más pequeño es, más adecuado es para circuitos de alta velocidad. Sin embargo, la reducción del tamaño del orificio también conlleva un aumento en el costo, y el tamaño de las vías no se puede reducir indefinidamente. Está limitado por tecnologías de proceso como la perforación y el enchapado: cuanto más pequeño es el orificio, más perforación Cuanto más tiempo tarda el orificio, más fácil es desviarse de la posición central; Y cuando la profundidad del orificio supera 6 veces el diámetro del orificio perforado, no se puede garantizar que la pared del orificio pueda recubrirse uniformemente con cobre. Por ejemplo, el grosor (profundidad del orificio pasante) de una placa PCB normal de 6 capas es de aproximadamente 50 mil, por lo que el diámetro mínimo de perforación que pueden proporcionar los fabricantes de PCB solo puede alcanzar las 8 mil.
En segundo lugar, la capacitancia parásita del propio orificio pasante tiene una capacitancia parásita a tierra. Si se sabe que el diámetro del orificio de aislamiento en la capa de tierra de la vía es D2, el diámetro de la almohadilla de la vía es D1 y el espesor de la placa PCB es T, la constante dieléctrica del sustrato de la placa es ε y la capacitancia parásita de la vía es aproximadamente: C = 1.41εTD1 / (D2-D1) El efecto principal de la capacitancia parásita de la vía en el circuito es extender el tiempo de aumento de la señal y reducir la velocidad del circuito. Por ejemplo, para una PCB con un grosor de 50 mil, si se usa una vía con un diámetro interior de 10 mil y un diámetro de almohadilla de 20 mil, y la distancia entre la almohadilla y el área de cobre molido es de 32 mil, entonces podemos aproximar la vía usando la fórmula anterior La capacitancia parásita es aproximadamente: C = 1.41x4.4x0.050x0.020 / (0.032-0.020) = 0.517pF, el cambio de tiempo de subida causado por esta parte de la capacitancia es: T10-90 = 2.2C (Z0/2) = 2.2 x0.517x (55/2) = 31.28ps. Se puede ver a partir de estos valores ?? Que aunque el efecto del retardo de subida causado por la capacitancia parásita de una sola vía no es obvio, si la vía se utiliza varias veces en la traza para cambiar entre capas, el diseñador debe considerarlo cuidadosamente.
3. Inductancia parásita de las vías Del mismo modo, hay inductancias parásitas junto con capacitancias parásitas en las vías. En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, el daño causado por las inductancias parásitas de las vías suele ser mayor que el impacto de la capacitancia parásita. Su inductancia en serie parásita debilitará la contribución del condensador de derivación y debilitará el efecto de filtrado de todo el sistema de energía. Simplemente podemos calcular la inductancia parásita aproximada de una vía con la siguiente fórmula: L = 5.08h [ln (4h / d) + 1] donde L se refiere a la inductancia de la vía, h es la longitud de la vía y d es el centro El diámetro del agujero. Se puede ver en la fórmula que el diámetro de la vía tiene una pequeña influencia en la inductancia, y la longitud de la vía tiene la mayor influencia en la inductancia. Siguiendo con el ejemplo anterior, la inductancia de la vía se puede calcular como: L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH. Si el tiempo de aumento de la señal es de 1ns, entonces su impedancia equivalente es: XL = πL / T10-90 = 3.19Ω. Dicha impedancia ya no se puede ignorar cuando pasa la corriente de alta frecuencia. Se debe prestar especial atención al hecho de que el condensador de derivación debe pasar a través de dos vías al conectar la capa de potencia y la capa de tierra, de modo que la inductancia parásita de la vía se duplique.
4. A través del diseño en PCB de alta velocidad. A través del análisis anterior de las características parásitas de las vías, podemos ver que en el diseño de PCB de alta velocidad, las vías aparentemente simples a menudo aportan grandes aspectos negativos al diseño de circuitos. efecto. Con el fin de reducir los efectos adversos causados por los efectos parásitos de las vías, se puede hacer lo siguiente en el diseño tanto como sea posible:
1. De los dos aspectos de costo y calidad de la señal, seleccione un tamaño razonable de vías. Por ejemplo, para el diseño de PCB del módulo de memoria de 6-10 capas, es mejor usar vías de 10/20Mil (perforadas / almohadilladas). Para algunas tablas de tamaño pequeño de alta densidad, también puede intentar usar 8/18Mil. agujero. En las condiciones técnicas actuales, es difícil utilizar vías más pequeñas. Para las vías de alimentación o tierra, puede considerar usar un tamaño más grande para reducir la impedancia.
2. Las dos fórmulas discutidas anteriormente se pueden concluir que el uso de un PCB más delgado es beneficioso para reducir los dos parámetros parásitos de la vía.
3. Trate de no cambiar las capas de las trazas de señal en la placa PCB, es decir, trate de no usar vías innecesarias.
4. Los pines de alimentación y tierra deben perforarse cerca, y el cable entre la vía y el pin debe ser lo más corto posible, ya que aumentarán la inductancia. Al mismo tiempo, los cables de alimentación y tierra deben ser lo más gruesos posible para reducir la impedancia.
5. Coloque algunas vías conectadas a tierra cerca de las vías de la capa de señal para proporcionar el bucle más cercano a la señal. Incluso es posible colocar un gran número de vías de tierra redundantes en la placa PCB. Por supuesto, el diseño debe ser flexible. El modelo via discutido anteriormente es el caso en el que hay almohadillas en cada capa. A veces, podemos reducir o incluso quitar las almohadillas de algunas capas. Especialmente cuando la densidad de las vías es muy alta, puede provocar la formación de una ranura de rotura que separa el bucle en la capa de cobre. Para resolver este problema, además de mover la posición de la vía, también podemos considerar colocar la vía sobre la capa de cobre. El tamaño de la almohadilla se reduce.
Las vías ciegas se encuentran en las superficies superior e inferior de la placa de circuito impreso y tienen una cierta profundidad. Se utilizan para conectar la línea de superficie y la línea interior subyacente. La profundidad del orificio generalmente no excede una cierta relación (apertura). El orificio enterrado se refiere al orificio de conexión ubicado en la capa interna de la placa de circuito impreso, que no se extiende a la superficie de la placa de circuito. Los dos tipos de orificios mencionados anteriormente se encuentran en la capa interna de la placa de circuito y se completan mediante un proceso de formación de orificios pasantes antes de la laminación, y varias capas internas pueden superponerse durante la formación de la vía. El tercer tipo se denomina orificio pasante, que penetra en toda la placa de circuito y se puede utilizar para la interconexión interna o como orificio de posicionamiento de montaje de componentes. Debido a que el orificio pasante es más fácil de realizar en el proceso y el costo es menor, se utiliza en la mayoría de las placas de circuito impreso en lugar de los otros dos tipos de orificios pasantes. Los orificios de paso mencionados a continuación, a menos que se especifique lo contrario, se consideran orificios de paso.
1. Desde el punto de vista del diseño, una vía se compone principalmente de dos partes, una es el orificio de perforación en el medio y la otra es el área de la almohadilla alrededor del orificio de perforación. El tamaño de estas dos partes determina el tamaño de la vía. Obviamente, en el diseño de PCB de alta velocidad y alta densidad, los diseñadores siempre esperan que cuanto más pequeño sea el orificio de paso, mejor, para que se pueda dejar más espacio de cableado en la placa. Además, cuanto más pequeño sea el orificio de paso, la capacitancia parásita será propia. Cuanto más pequeño es, más adecuado es para circuitos de alta velocidad. Sin embargo, la reducción del tamaño del orificio también conlleva un aumento en el costo, y el tamaño de las vías no se puede reducir indefinidamente. Está limitado por tecnologías de proceso como la perforación y el enchapado: cuanto más pequeño es el orificio, más perforación Cuanto más tiempo tarda el orificio, más fácil es desviarse de la posición central; Y cuando la profundidad del orificio supera 6 veces el diámetro del orificio perforado, no se puede garantizar que la pared del orificio pueda recubrirse uniformemente con cobre. Por ejemplo, el grosor (profundidad del orificio pasante) de una placa PCB normal de 6 capas es de aproximadamente 50 mil, por lo que el diámetro mínimo de perforación que pueden proporcionar los fabricantes de PCB solo puede alcanzar las 8 mil.
En segundo lugar, la capacitancia parásita del propio orificio pasante tiene una capacitancia parásita a tierra. Si se sabe que el diámetro del orificio de aislamiento en la capa de tierra de la vía es D2, el diámetro de la almohadilla de la vía es D1 y el espesor de la placa PCB es T, la constante dieléctrica del sustrato de la placa es ε y la capacitancia parásita de la vía es aproximadamente: C = 1.41εTD1 / (D2-D1) El efecto principal de la capacitancia parásita de la vía en el circuito es extender el tiempo de aumento de la señal y reducir la velocidad del circuito. Por ejemplo, para una PCB con un grosor de 50 mil, si se usa una vía con un diámetro interior de 10 mil y un diámetro de almohadilla de 20 mil, y la distancia entre la almohadilla y el área de cobre molido es de 32 mil, entonces podemos aproximar la vía usando la fórmula anterior La capacitancia parásita es aproximadamente: C = 1.41x4.4x0.050x0.020 / (0.032-0.020) = 0.517pF, el cambio de tiempo de subida causado por esta parte de la capacitancia es: T10-90 = 2.2C (Z0/2) = 2.2 x0.517x (55/2) = 31.28ps. Se puede ver a partir de estos valores ?? Que aunque el efecto del retardo de subida causado por la capacitancia parásita de una sola vía no es obvio, si la vía se utiliza varias veces en la traza para cambiar entre capas, el diseñador debe considerarlo cuidadosamente.
3. Inductancia parásita de las vías Del mismo modo, hay inductancias parásitas junto con capacitancias parásitas en las vías. En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad, el daño causado por las inductancias parásitas de las vías suele ser mayor que el impacto de la capacitancia parásita. Su inductancia en serie parásita debilitará la contribución del condensador de derivación y debilitará el efecto de filtrado de todo el sistema de energía. Simplemente podemos calcular la inductancia parásita aproximada de una vía con la siguiente fórmula: L = 5.08h [ln (4h / d) + 1] donde L se refiere a la inductancia de la vía, h es la longitud de la vía y d es el centro El diámetro del agujero. Se puede ver en la fórmula que el diámetro de la vía tiene una pequeña influencia en la inductancia, y la longitud de la vía tiene la mayor influencia en la inductancia. Siguiendo con el ejemplo anterior, la inductancia de la vía se puede calcular como: L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH. Si el tiempo de aumento de la señal es de 1ns, entonces su impedancia equivalente es: XL = πL / T10-90 = 3.19Ω. Dicha impedancia ya no se puede ignorar cuando pasa la corriente de alta frecuencia. Se debe prestar especial atención al hecho de que el condensador de derivación debe pasar a través de dos vías al conectar la capa de potencia y la capa de tierra, de modo que la inductancia parásita de la vía se duplique.
4. A través del diseño en PCB de alta velocidad. A través del análisis anterior de las características parásitas de las vías, podemos ver que en el diseño de PCB de alta velocidad, las vías aparentemente simples a menudo aportan grandes aspectos negativos al diseño de circuitos. efecto. Con el fin de reducir los efectos adversos causados por los efectos parásitos de las vías, se puede hacer lo siguiente en el diseño tanto como sea posible:
1. De los dos aspectos de costo y calidad de la señal, seleccione un tamaño razonable de vías. Por ejemplo, para el diseño de PCB del módulo de memoria de 6-10 capas, es mejor usar vías de 10/20Mil (perforadas / almohadilladas). Para algunas tablas de tamaño pequeño de alta densidad, también puede intentar usar 8/18Mil. agujero. En las condiciones técnicas actuales, es difícil utilizar vías más pequeñas. Para las vías de alimentación o tierra, puede considerar usar un tamaño más grande para reducir la impedancia.
2. Las dos fórmulas discutidas anteriormente se pueden concluir que el uso de un PCB más delgado es beneficioso para reducir los dos parámetros parásitos de la vía.
3. Trate de no cambiar las capas de las trazas de señal en la placa PCB, es decir, trate de no usar vías innecesarias.
4. Los pines de alimentación y tierra deben perforarse cerca, y el cable entre la vía y el pin debe ser lo más corto posible, ya que aumentarán la inductancia. Al mismo tiempo, los cables de alimentación y tierra deben ser lo más gruesos posible para reducir la impedancia.
5. Coloque algunas vías conectadas a tierra cerca de las vías de la capa de señal para proporcionar el bucle más cercano a la señal. Incluso es posible colocar un gran número de vías de tierra redundantes en la placa PCB. Por supuesto, el diseño debe ser flexible. El modelo via discutido anteriormente es el caso en el que hay almohadillas en cada capa. A veces, podemos reducir o incluso quitar las almohadillas de algunas capas. Especialmente cuando la densidad de las vías es muy alta, puede provocar la formación de una ranura de rotura que separa el bucle en la capa de cobre. Para resolver este problema, además de mover la posición de la vía, también podemos considerar colocar la vía sobre la capa de cobre. El tamaño de la almohadilla se reduce.