حجم العبور، والحفر الخلفي وقواعد ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة

الممر هو أحد الأجزاء الرئيسية للوحة الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات (PCB). في العديد من اللوحات، تشكل تكاليف الحفر حوالي 301 تيرابايت إلى 401 تيرابايت إلى 401 تيرابايت من تكلفة تصنيع اللوحة. وبكلمات بسيطة، يمكن تسمية أي ثقب على لوحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بـ "عبر". ومن دورها، فإن للفتحة استخدامان رئيسيان: أحدهما هو إجراء التوصيلات الكهربائية بين الطبقات، والآخر هو تثبيت الأجزاء أو تحديد موقعها.

إذا نظرنا إلى عملية التصنيع، يمكن تجميع الممرات إلى ثلاثة أنواع: الممر الأعمى، والممر المدفون وعبر (عبر ثقب فيبر). يبدأ الممر الأعمى من السطح العلوي أو السفلي لثنائي الفينيل متعدد الكلور وينزل إلى طبقة داخلية. ولها عمق معين وتستخدم لربط آثار السطح بآثار الطبقة الداخلية. لا يتجاوز عمق الممر الأعمى عادةً نسبة معينة بالنسبة لقطر الثقب. أما الممر المدفون فهو ثقب يربط الطبقات الداخلية فقط؛ ولا يصل إلى أي سطح للوحة. تُصنع كل من الفتحات العمياء والمدفونة داخل اللوح قبل التصفيح، وقد تتداخل مع عدة طبقات داخلية أثناء تشكيلها. والنوع الثالث هو الثقب العابر. تمتد هذه الفتحة على طول اللوحة. ويمكن استخدامها للتوصيلات البينية الداخلية أو كفتحة تركيب أو تحديد موقع الأجزاء. ولأنه من خلال الفتحات العابرة أسهل في صنعها وأرخص، فإن معظم لوحات الدارات المطبوعة تستخدمها بدلاً من الفتحات العمياء أو المدفونة. في بقية هذا النص، ما لم نذكر خلاف ذلك، تشير كلمة “عبر” إلى فتحة عبر.

عبر الهيكلية وسبب أهمية الحجم

من وجهة نظر التصميم، تحتوي الوصلة على جزأين رئيسيين. أحدهما هو ثقب الحفر المركزي. والآخر هو منطقة الوسادة حول الفتحة المحفورة. تحدد أحجام هذين الجزأين حجم الممر. عندما يحتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى سرعة عالية وكثافة عالية، يريد المصممون أن تكون الممرات صغيرة قدر الإمكان. تترك الممرات الصغيرة مساحة أكبر للتوجيه على اللوحة. كما أن الممرات الصغيرة لها سعة طفيلية أقل، لذا فهي تناسب الدوائر عالية السرعة بشكل أفضل.

ولكن جعل الشقوق أصغر يزيد من التكلفة. أيضًا، لا يمكن تصغير حجم الممرات بلا حدود. يأتي الحد من عمليات الحفر والطلاء. فكلما كان الثقب أصغر، كلما استغرق الحفر وقتًا أطول، وكلما زاد انحراف المثقاب عن المركز. وأيضًا، عندما يكون عمق الثقب أكثر من ستة أضعاف قطر الحفر، يكون من الصعب ضمان حصول جدار الثقب على طلاء نحاسي متساوٍ. على سبيل المثال، يبلغ سمك ثنائي الفينيل متعدد الكلور العادي المكون من ست طبقات (عبر عمق) حوالي 50 مل. في ظل هذه الحالة، يمكن لمصنع ثنائي الفينيل متعدد الكلور عادةً أن يحفر إلى قطر لا يقل عن 8 مل تقريبًا.

السعة الطفيليّة للسعة الطفيليّة للواسطة

تحتوي الوصلة على سعة طفيلية إلى الأرض. إذا علمنا أن قطر فتحة الخلوص الأرضي على الطبقة المستوية هو D2، وقطر وسادة الوصلة هو D1، وسمك لوحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور هو T، وثابت عازل الركيزة على اللوحة هو ε، فإن السعة الطفيلية التقريبية للوصلة هي:

C = 1.41 × ε × ε × T × D1 / (D2 - D1)

تعطي هذه الصيغة تقديراً معقولاً للسعة العابرة. تجعل السعة الطفيلية بشكل أساسي زمن ارتفاع الإشارة أطول وبالتالي تقلل من سرعة الدائرة.

دعونا نستخدم مثالاً ملموساً. لنفترض أن سمك اللوح 50 مل. يبلغ القطر الداخلي للوصلة 10 مل وقطر اللوحة 20 مل. المسافة بين اللوحة والمنطقة النحاسية الأرضية 32 مل. باستخدام المعادلة أعلاه وبأخذ ε = 4.4، نحصل على:

ج = 1.41 × 4.4 × 0.050 × 0.020 / (0.032 - 0.020) ≈ 0.517 pF

هذا المقدار من السعة يغير زمن الارتفاع. إذا كانت المعاوقة المميزة تساوي 55 أوم، فإن التغير في زمن الارتفاع 10%-90% الناتج عن هذه السعة يساوي تقريبًا:

T10-90 = 2.2 × C × (Z0 / 2) ≈ 2.2 × 0.517 × (55 / 2) ≈ 31.28 ps

من هذه الأرقام، نرى أن السعة الطفيلية للوصلة الواحدة ليس لها سوى تأثير ضئيل على زمن الارتفاع. ولكن إذا عبرت الإشارة العديد من الوصلات عند تغيير الطبقات، فإن التأثير سيزداد. عندها يجب أن يفكر المصمم بعناية في ذلك.

معامل الحث الطفيلي لوصلة الحث الطفيلي

وبالإضافة إلى السعة الطفيلية، فإن الوصلة تحتوي أيضًا على محاثة طفيلية. في التصميم الرقمي عالي السرعة، غالبًا ما يكون الضرر الناجم عن الحث الطفيلي في الوصلة أكبر من ضرر السعة الطفيلية. يمكن أن يضعف الحث المتسلسل عبر المحاثة المتسلسلة تأثير المكثفات الالتفافية ويقلل من أداء الترشيح لنظام الطاقة بأكمله.

هناك معادلة تقريبية بسيطة لمعامل الحث البسيط هي

L = 5.08 × ح = [ ln(4h / d) + 1 ]

حيث:

• L هو معامل الحث عبر الممر,
• h هو طول المقطع العرضي,
• d هو قطر المثقاب المركزي.

من المعادلة نرى أن قطر الوصلة له تأثير صغير على الحث، وطول الوصلة له التأثير الأكبر. وباستخدام المثال أعلاه مع h = 0.050 وd = 0.010، نحصل على:

L = 5.08 × 0.050 × 0.050 × [ ln(4 × 0.050 / 0.010) + 1 ] ≈ 1.015 nH

إذا كان زمن ارتفاع الإشارة يساوي 1 ns، فإن المفاعلة الحثية المكافئة هي

XL = π × L / T10-90 ≈ π × 1.015 nH / 1 ns ≈ 3.19 Ω

عندما يكون هناك تيار عالي التردد، لا يمكن تجاهل مقاومة بهذا المستوى. لاحظ أيضًا أن المكثف الالتفافي الذي يوضع لتوصيل طبقة الطاقة والطبقة الأرضية يحتاج عادةً إلى فياسين. وهذا يعني أنه سيتم مضاعفة الحث عبر هذا المسار الالتفافي.

ما يعنيه ذلك بالنسبة للتصميم عالي السرعة

من التحليل أعلاه للطفيليات العابرة أعلاه، يمكننا أن نرى أن ما يبدو بسيطًا يمكن أن يسبب تأثيرات سلبية كبيرة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة. للحد من هذه المشاكل، يمكن للمصممين تجربة التدابير التالية.

1. اختيار حجم معقول عبر الحجم
   فكر في كل من التكلفة وجودة الإشارة. على سبيل المثال، بالنسبة لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لوحدات الذاكرة ذات 6 إلى 10 طبقات، فإن اختيار 10/20 مل (حفر/وسادة) عبر منفذ يعمل بشكل جيد. بالنسبة لبعض اللوحات الصغيرة عالية الكثافة، يمكنك تجربة 8/18 مللي من الفتحات. في ظل التكنولوجيا الحالية، من الصعب صنع فيا أصغر من ذلك. بالنسبة لمقاطع الطاقة أو الأرضية، استخدم أحجامًا أكبر لخفض المعاوقة.
2. استخدم لوحاً أرق إذا كان ذلك ممكناً
   وكما توضح المعادلات، تساعد اللوحة الأقل سمكًا في تقليل كل من السعة التبادلية والحث.
3. تجنب التغييرات غير الضرورية في الطبقات
   حاول توجيه الإشارات دون تبديل الطبقات. وبعبارة أخرى، استخدم أقل عدد ممكن من الشقوق.
4. ضع دبابيس الطاقة والأرضي بالقرب من الشقوق
   ضع دبابيس الطاقة والدبابيس الأرضية بالقرب من الوصلات الخاصة بها. اجعل الخطوط بين الوصلة والدبوس قصيرة قدر الإمكان، لأن الخطوط الطويلة تزيد من الحث. استخدم مسارات أكثر سمكًا للطاقة والأرض لتقليل المعاوقة.
5. وضع الشقوق الأرضية بالقرب من شقوق تغيير طبقة الإشارة
   ضع الشقوق الأرضية بالقرب من الشقوق حيث تغير الإشارات الطبقات. وهذا يعطي الإشارة مسار عودة قريب. يمكنك أيضًا إضافة العديد من الشقوق الأرضية الإضافية إذا لزم الأمر. لكن كن مرنًا. افترض نموذج الممر الذي تمت مناقشته سابقًا وجود وسادة في كل طبقة. في بعض الحالات يمكنك تقليل أو إزالة الوسادات في بعض الطبقات الداخلية. عندما تكون الكثافة عبر عالية جدًا، يمكن أن تشكل الوسادات الكبيرة على صب النحاس حلقة مكسورة. ولإصلاح ذلك يمكنك تحريك بعض الوسادات أو تقليل أحجام الوسادات على طبقات معينة.

تصميم عبر لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية السرعة - اقتراحات عملية

وعادةً ما تستخدم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية السرعة طبقات متعددة، وتعتبر الممرات عاملاً رئيسياً في التصميم. وتتكون الفتحة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور من ثلاثة أجزاء: الفتحة نفسها، والوسادة حول الفتحة، ومنطقة عزل طبقة الطاقة (الخلوص على مستويات الطاقة والمستويات الأرضية حول الفتحة).

فيما يلي بعض النقاط العملية للوحات متعددة الطبقات عالية السرعة:

1. عبر توصيات الحجم عبر
   بالنسبة للألواح العامة متعددة الطبقات ذات الكثافة المعتدلة، تعتبر الوصلة ذات الأبعاد 0.25 مم / 0.51 مم / 0.91 مم (مثقاب/وسادة/عزل الطاقة) خيارًا جيدًا. بالنسبة للألواح ذات الكثافة العالية، قد تصلح 0.20 مم / 0.46 مم / 0.86 مم. يمكن استخدام الممرات غير المطلية في بعض التصميمات. بالنسبة لفياسات الطاقة أو الأرضية، ضع في اعتبارك الأحجام الأكبر لخفض المعاوقة.
2. منطقة عزل الطاقة
   كلما كانت مساحة عزل الطاقة أكبر، كان ذلك أفضل. ضع في اعتبارك كثافة العبور على المستوى. غالبًا ما يتم استخدام D1 = D2 + 0.41 كمبدأ توجيهي، مما يعني أن قطر الوسادة يساوي قطر خلوص المستوى زائد 0.41 مم. وهذا يساعد على إبقاء خلوص المستوى عريضًا بما فيه الكفاية.
3. تقليل تغييرات الطبقات إلى الحد الأدنى
   تقليل الشقوق عن طريق تجنب تغييرات الطبقات غير الضرورية في توجيه الإشارة.
4. استخدم ألواحاً أرقّ
   تعمل الألواح الأقل سمكًا على خفض كل من السعة والحث في كل من الفتحات.
5. توصيلات طاقة/أرضية قصيرة وعريضة
   حافظ على قصر السلك من الوصلة إلى مسمار الطاقة أو السنون الأرضية. اجعل الآثار عريضة قدر الإمكان عملياً للطاقة أو الأرض لتقليل المعاوقة الاستقرائية.
6. خياطة الأرضية عن طريق الخياطة بالقرب من فيا تغيير الطبقة
   أضف شقوق أرضية قريبة من الشقوق التي تتحرك فيها الإشارة بين الطبقات. وهذا يعطي الإشارة مسار عودة قصير.

لاحظ أيضًا أن طول الممر هو العامل الرئيسي لمعامل الحث عبر اللوحة. بالنسبة للطبقة العلوية والسفلية من خلال الممرات، فإن طول الممر يساوي سمك اللوحة الكامل. مع زيادة عدد الطبقات، قد يتجاوز سمك اللوحة 5 مم. في التصميم عالي السرعة، عادةً ما يتم الإبقاء على طول الوصلات أقل من 2.0 مم لتقليل المشاكل المتعلقة بالوصلات. بالنسبة للأطوال العابرة التي يزيد طولها عن 2.0 مم، يمكن أن تساعد زيادة قطر العابر في استعادة استمرارية المعاوقة. عندما يكون طول الوصلة 1.0 مم أو أقل، يكون أفضل قطر للوصلة حوالي 0.20 مم إلى 0.30 مم.

الحفر الخلفي في إنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور

1. ما هو الحفر الخلفي؟

الحفر الخلفي هو خطوة حفر خاصة تستخدم في الألواح ذات الفتحات العميقة. على سبيل المثال، عند صنع لوح مكون من 12 طبقة قد نرغب في توصيل الطبقة 1 بالطبقة 9. عادةً ما نحفر ثقبًا عابرًا مرة واحدة ثم نثقب اللوحة. ثم يمتد هذا المقطع من الطبقة 1 إلى الطبقة 12، ولكننا نحتاج فقط إلى توصيل بين الطبقة 1 والطبقة 9. يعمل القسم الإضافي من الطبقة 10 إلى الطبقة 12 مثل كعب. يؤثر هذا العقب على مسارات الإشارة ويمكن أن يسبب مشاكل في سلامة الإشارة في إشارات الاتصال. لإزالة هذا العقب الإضافي، نقوم بحفره من الجانب الخلفي - خطوة حفر ثانية. وهذا ما يسمى الحفر الخلفي. في الممارسة العملية، لا يقوم المصنعون بحفر كل جزء أخير، لأن الخطوات اللاحقة تزيل بعض النحاس ولأن لقمة الحفر لها طرف مدبب. لذلك يترك المصنع عادةً كعباً صغيراً جداً. يُطلق على طول العقب المتبقي اسم القيمة B، وعادةً ما تكون قيمة B الجيدة بين 50 ميكرومتر و150 ميكرومتر.

2. لماذا الحفر الخلفي؟

يوفر الحفر الخلفي العديد من الفوائد:

1. يقلل من الضوضاء والتداخل.
2. يحسن من سلامة الإشارة.
3. يمكن أن يجعل منطقة موضعية من اللوح أرق.
4. فهو يقلل من الحاجة إلى الشقوق المدفونة أو العمياء، مما يقلل من تعقيد اللوحة.

3. ماذا يفعل الحفر الخلفي؟

يزيل الحفر الخلفي المقطع العرضي الذي لا يساعد على التوصيل أو نقل الإشارة. وهذا يمنع الانعكاسات والتشتت والتأخير والتأثيرات الأخرى التي تسبب “تشويه” الإشارة. تظهر الأبحاث أنه إلى جانب التصميم، ومواد اللوحة، وخطوط النقل، والموصلات، وتغليف الرقاقة، فإن الممرات لها تأثير كبير على سلامة الإشارة.

4. مبدأ عمل الحفر الخلفي

يستخدم الثقب الخلفي لقمة حفر يتم وضعها عن طريق استشعار سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور. عندما يلامس طرف لقمة الحفر الرقاقة النحاسية على سطح اللوحة، يتم توليد تيار دقيق. يخبر هذا التيار الماكينة بارتفاع سطح اللوحة. ثم تثقب الماكينة إلى العمق المحدد وتتوقف.

5. خطوات عملية الحفر الخلفي

قد تسير عملية الحفر الخلفي النموذجية على النحو التالي:

a. تزويد ثنائي الفينيل متعدد الكلور بفتحات تسجيل. استخدم هذه الثقوب للقيام بخطوة الحفر الأولى (الثقب العابر).
b. بعد الحفر الأول، قم بطلاء الثقوب. قبل الطلاء، استخدم طبقة جافة لحماية ثقوب التسجيل حسب الحاجة.
c. اصنع نمط الطبقة الخارجية على اللوح المطلي.
d. قم بطلاء النمط. قبل الطلاء بالنقش، عالج ثقوب التسجيل مرة أخرى بغشاء جاف إذا لزم الأمر.
e. استخدم فتحات التسجيل من المثقاب الأول لوضع اللوح من أجل الحفر الخلفي. استخدم لقمة الثقب لحفر الأجزاء المطلية التي تحتاج إلى حفر خلفي.
f. بعد الحفر العكسي، اغسل الثقوب المحفورة لإزالة أي غبار وبقايا حفر.

6. الخصائص التقنية للألواح المثقوبة من الخلف

تشمل الميزات التقنية النموذجية ما يلي:

1. معظم الألواح المثقوبة الخلفية هي ألواح صلبة.
2. يتراوح عدد الطبقات عادةً من 8 إلى 50 طبقة.
3. غالباً ما يكون سمك اللوح 2.5 مم أو أكثر.
4. نسبة السُمك إلى القطر كبيرة نسبياً.
5. أحجام الألواح كبيرة.
6. عادةً ما يكون الحد الأدنى لقطر المثقاب الأولي ≥ 0.3 مم.
7. آثار الطبقة الخارجية قليلة؛ وغالبًا ما تستخدم اللوحة مصفوفة قرصية للفتحات المثبتة بالضغط.
8. عادةً ما تكون ثقوب الحفر الخلفي أكبر بمقدار 0.2 مم من الثقوب المراد إزالتها.
9. يبلغ تفاوت عمق الحفر الخلفي حوالي ± 0.05 مم.
10. إذا كان يجب أن يصل الحفر الخلفي إلى الطبقة M، فيجب ألا يقل سمك العازل الكهربائي من الطبقة M إلى الطبقة M-1 عن 0.17 مم.

7. الاستخدامات النموذجية للألواح المثقوبة الخلفية

تُستخدم الألواح المثقوبة من الخلف بشكل أساسي في المجالات التي تحتاج إلى سلامة إشارة جيدة جدًا وهياكل كبيرة. المجالات الشائعة هي معدات الاتصالات والخوادم الكبيرة والإلكترونيات الطبية والعسكرية والفضاء الجوي. ولأن المجالات العسكرية والفضائية هي مجالات حساسة، غالبًا ما يتم تصنيع اللوحات المعززة لهذه المجالات من قبل معاهد الأبحاث أو مراكز البحث والتطوير أو مصنعي ثنائي الفينيل متعدد الكلور الذين لديهم خلفية قوية في هذه المجالات. في الصين، يأتي معظم الطلب على اللوحات الخلفية من صناعة الاتصالات التي تنمو بسرعة.

---

الملخص

وباختصار، تعتبر الفتحات بسيطة ولكنها حاسمة. فهي تربط بين الطبقات، كما أنها تضيف سعة طفيلية ومحرِّض. تؤثر هذه الطفيليات على كل من وقت ارتفاع الإشارة ومدى جودة عمل المكثفات الالتفافية. يؤدي طول الممر بشكل أساسي إلى الحث. يؤثر حجم الممر وحجم الوسادة والخلوص على السعة. بالنسبة للتصميمات عالية السرعة، استخدم قائمة المراجعة التالية:

• اختر المقاسات التي تناسب كثافة اللوح وتكلفته. بالنسبة للعديد من الألواح 10/20 مللي جيد؛ أما بالنسبة للألواح الأكثر كثافة فجرب 8/18 مللي. بالنسبة لممرات الطاقة/الأرض، اختر أحجامًا أكبر.
• استخدم لوحاً رقيقاً إن أمكن. هذا يقلل من الطفيليات.
• تجنب تغييرات الطبقة غير الضرورية. حافظ على التوجيه على نفس الطبقة عندما تستطيع.
• ضع سنون الطاقة والتأريض بالقرب من الوصلات وأبقِ الوصلات قصيرة وعريضة.
• أضف فياسات أرضية بالقرب من فياسات الإشارة التي تغير الطبقات لإعطاء مسار عودة قصير.
• بالنسبة للأبواب الطويلة أو الألواح العميقة، ضع في اعتبارك الحفر الخلفي لإزالة الدعامات التي تضر بالإشارات عالية السرعة.
• عندما تكون كثافة العبور عالية جدًا، ضع في اعتبارك تقليل أحجام الوسادة في بعض الطبقات الداخلية لتجنب كسر صب النحاس.

اتبع هذه القواعد وفكر في النظام بأكمله، وليس فقط عبر واحد. في التصميم عالي السرعة، تتراكم التفاصيل الصغيرة. ستجعل خطة التحويل الدقيقة اللوحة تعمل بشكل أفضل، وتقلل من المخاطر، وتوفر الوقت لاحقًا في التصحيح.