Putem veličine, predbušenja i pravila za visokobrzinske PCB-ove

Via je jedan od ključnih dijelova višeslojne tiskane pločice (PCB). Na mnogim pločicama troškovi bušenja čine oko 30–40% troškova izrade pločice. Jednostavno rečeno, svaka rupa na PCB-u može se nazvati viom. Prema svojoj ulozi, via ima dvije glavne namjene: jedna je uspostavljanje električnih veza između slojeva, a druga je pričvršćivanje ili pozicioniranje komponenti.

Ako pogledamo proizvodni proces, via-rupe se mogu podijeliti u tri tipa: slijepa via-rupa, zakopana via-rupa i prolazna via-rupa (via-rupa kroz rupu). Slijepa via-rupa počinje od gornje ili donje površine štampane pločice (PCB) i ide prema unutrašnjem sloju. Ima određenu dubinu i koristi se za povezivanje površinskih tragova sa tragovima unutrašnjeg sloja. Dubina slijepe via-rupe obično ne prelazi određeni omjer u odnosu na prečnik rupe. Ugrađena via je rupa koja povezuje samo unutrašnje slojeve; ne doseže nijednu površinu ploče. I slijepe i ugrađene via se prave unutar ploče prije laminacije, i tokom svog formiranja mogu se preklapati preko nekoliko unutrašnjih slojeva. Treći tip je prolazna via. Ova rupa prolazi cijelim putem kroz ploču. Može se koristiti za unutrašnje povezivanje ili kao rupa za montažu ili pozicioniranje dijelova. Budući da su prolazne rupe lakše za izradu i jeftinije, većina štampanih pločica koristi ih umjesto slijepih ili ukopavanih rupa. U ostatku ovog teksta, osim ako nije drugačije navedeno, riječ “via” odnosi se na prolaznu rupu.

Putem strukture i zašto je veličina važna

Sa dizajnerske tačke gledišta, via ima dva glavna dijela. Jedan je rupa bušena centrirnim svrdlom. Drugi je pad područje oko bušene rupe. Veličine ova dva dijela određuju veličinu vie. Kada PCB treba visoku brzinu i visoku gustoću, dizajneri žele da vie budu što manje. Male vie ostavljaju više prostora za rutiranje na ploči. Također, manje vie imaju nižu parazitsku kapacitivnost, pa su pogodnije za visokobrzinske sklopove.

Međutim, smanjenje vija povećava troškove. Također, veličina vija se ne može neograničeno smanjivati. Ograničenje proizlazi iz procesa bušenja i pozlatnje. Što je rupa manja, bušenje traje duže i bušilica se može više odmaknuti od centra. Također, kada je dubina rupe veća od šest puta prečnika bušilice, teško je osigurati ravnomjernu pozlatnju zida rupe. Na primjer, normalna šesteroslojna štampana pločica ima debljinu (dubinu via) od oko 50 mil. U tim uslovima, fabrika pločica obično može bušiti do minimalnog prečnika od oko 8 mil.

Parazitska kapacitivnost vijke

Via ima parazitsku kapacitivnost prema masi. Ako znamo da je promjer otvora za razmak od mase na ravnoj ploči D2, promjer pad-a via-e D1, debljina PCB ploče T i dielektrična konstanta podloge ploče ε, onda je približna parazitska kapacitivnost via-e:

C = 1.41 × ε × T × D1 / (D2 − D1)

Ova formula daje razuman procjenu kapacitivnosti veze. Parazitska kapacitivnost uglavnom produžuje vrijeme porasta signala i time smanjuje brzinu kola.

Upotrijebimo konkretan primjer. Pretpostavimo da je debljina ploče 50 mil. Unutrašnji promjer vije je 10 mil, a promjer pade je 20 mil. Razmak između pade i površine bakra uzemljenja je 32 mil. Koristeći gornju formulu i uzimajući ε = 4,4, dobijamo:

C = 1,41 × 4,4 × 0,050 × 0,020 / (0,032 − 0,020) ≈ 0,517 pF

Ovaj iznos kapacitivnosti mijenja vrijeme porasta. Ako je karakteristični impedans 55 oma, promjena vremena porasta 10%–90% uzrokovana ovom kapacitivnošću je približno:

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

Iz ovih brojeva vidimo da parasitska kapacitivnost jedne vijice ima samo mali utjecaj na vrijeme porasta. Ali ako signal pri promjeni slojeva prođe kroz mnogo vijica, taj se utjecaj zbraja. Tada dizajner mora pažljivo razmisliti o tome.

Parazitska indukcija vijke

Uz parazitsku kapacitivnost, via također ima i parazitsku indukciju. U visokobrzinskom digitalnom dizajnu šteta od parazitske indukcije via-e često je veća od one uzrokovane parazitskom kapacitivnošću. Serijska indukcija via-e može oslabiti djelovanje bypass kondenzatora i smanjiti filtracijsku učinkovitost cijelog napajnog sistema.

Jednostavna aproksimativna formula za induktansu puta je:

L = 5,08 × h × [ ln(4h / d) + 1 ]

gdje:

• L je induktansa.,
• h je dužina puta,
• d je promjer središnjeg burgija.

Iz formule vidimo da prečnik vije ima mali utjecaj na induktivnost, a dužina vije ima najveći utjecaj. Koristeći gore navedeni primjer sa h = 0,050 i d = 0,010, dobijamo:

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

Ako je vrijeme porasta signala 1 ns, ekvivalentna induktivna reaktansa je:

XL = π × L / T10−90 ≈ π × 1,015 nH / 1 ns ≈ 3,19 Ω

Kada je u pitanju visokofrekventna struja, impedansu na ovom nivou ne može se zanemariti. Također, imajte na umu da bypass kondenzator postavljen za povezivanje napojnog sloja i uzemljenja obično zahtijeva dva via otvora. To znači da će induktansa via biti udvostručena za ovaj bypass put.

Šta ovo znači za projektovanje visokih brzina

Iz gornje analize parasitskih puteva vidimo da naizgled jednostavan via može izazvati velike negativne efekte na visokobrzinskom štampanom pločici. Da bi se smanjili ovi problemi, dizajneri mogu primijeniti sljedeće mjere.

1. Odaberite razumnu veličinu veze.
   Razmislite o trošku i kvaliteti signala. Na primjer, za PCB-ove memorijskih modula s 6 do 10 slojeva dobro je odabrati via dimenzija 10/20 mil (bušenje/pads). Za neke visokog gustog, male ploče možete isprobati vias od 8/18 mil. Prema trenutnoj tehnologiji teško je napraviti vias manje od toga. Za napojne ili uzemljene vias koristite veće dimenzije kako biste smanjili impedanciju.
2. Koristite tanju dasku ako je moguće.
   Kao što formule pokazuju, tanja ploča pomaže smanjiti i kapacitivnost i indukativnost vijki.
3. Izbjegavajte nepotrebne promjene slojeva.
   Pokušajte usmjeriti signale bez prebacivanja slojeva. Drugim riječima, koristite što je moguće manje vias.
4. Postavite pinove za napajanje i masu blizu via-a.
   Postavite pinove za napajanje i masu blizu njihovih via-a. Držite vodove između via-a i pina što kraćima, jer duži vodovi povećavaju indukanciju. Koristite deblje tragove za napajanje i masu kako biste smanjili impedanciju.
5. Postavite utore za uzemljenje u blizini utora za promjenu sloja signala.
   Postavite ground vias blizu vias gdje signali mijenjaju slojeve. Time signalu osiguravate obližnji povratni put. Također možete dodati mnogo dodatnih ground vias ako je potrebno. Ali budite fleksibilni. Model vias o kojem smo ranije govorili pretpostavljao je pad na svakom sloju. U nekim slučajevima možete smanjiti ili ukloniti pade na nekim unutrašnjim slojevima. Kada je gustoća vias vrlo visoka, veliki padi na bakrenom pouru mogu formirati prekinutu petlju. Da biste to ispravili, možete premjestiti neke vias ili smanjiti veličinu pade na određenim slojevima.

Dizajn visokobrzinskih PCB-ova — praktični prijedlozi

Visokobrzinski PCB-ovi obično koriste više slojeva, a viae su ključni faktor u dizajnu. Via na PCB-u ima tri dijela: samu rupu, pad oko rupe i zonu izolacije napojnog sloja (razmak na napojnim i masnim ravninama oko viae).

Evo nekoliko praktičnih savjeta za višeslojne ploče visokih performansi:

1. Putem preporuka veličine
   Za opće višeslojne ploče umjerene gustoće, via dimenzija 0,25 mm / 0,51 mm / 0,91 mm (bušenje / pad / izolacija napajanja) je dobar izbor. Za ploče visoke gustoće, 0,20 mm / 0,46 mm / 0,86 mm može biti prikladno. Nepokrovljene vije mogu se koristiti u nekim dizajnima. Za vije za napajanje ili masu razmotrite veće dimenzije radi smanjenja impedanse.
2. Zona izolacije napajanja
   Što je veća površina za izolaciju napajanja, to je bolje. Uzmite u obzir gustoću vijaka na ravnini. Često se koristi pravilo D1 = D2 + 0,41, što znači da promjer pad-a odgovara promjeru razmaka ravnine plus 0,41 mm. To pomaže da razmak ravnine ostane dovoljno širok.
3. Minimizirajte promjene slojeva
   Smanjite vias izbjegavanjem nepotrebnih promjena slojeva u ruti signala.
4. Koristite tanje daske
   Thinner boards lower both capacitance and inductance of vias.
5. Short and wide power/ground connections
   Keep the lead from via to power or ground pin short. Make the traces as wide as practical for power or ground to reduce inductive impedance.
6. Ground via stitching near layer-change vias
   Add ground vias close to vias where a signal moves between layers. This gives the signal a short return path.

Also note via length is a main factor for via inductance. For top and bottom layer through vias, the via length equals the full board thickness. As layer counts increase, board thickness may exceed 5 mm. In high-speed design, via length is usually kept below 2.0 mm to reduce via-related problems. For via lengths greater than 2.0 mm, increasing the via diameter can help restore impedance continuity. When the via length is 1.0 mm or less, the best via diameter is about 0.20 mm to 0.30 mm.

Backdrilling in PCB production

1. What is backdrilling?

Backdrilling is a special drill step used on deep-hole boards. For example, in making a 12-layer board we might want to connect layer 1 to layer 9. Normally we drill a through-hole once and then plate. That via then runs from layer 1 to layer 12, but we only need a connection between layer 1 and layer 9. The extra section from layer 10 to layer 12 acts like a stub. This stub affects signal paths and can cause signal integrity problems in communication signals. To remove this extra stub, we drill it out from the back side — a second drilling step. This is called backdrilling. In practice, manufacturers do not drill out every last bit, because later steps remove some copper and the drill bit has a tapered tip. So the factory usually leaves a very small stub. The leftover stub length is called the B value, and a good B value is usually between 50 μm and 150 μm.

2. Why backdrill?

Backdrilling gives several benefits:

1. It reduces noise and interference.
2. It improves signal integrity.
3. It can make a local area of the board thinner.
4. It reduces the need for buried or blind vias, lowering board complexity.

3. What does backdrilling do?

Backdrilling removes the via section that does not help connection or signal transfer. This prevents reflections, scattering, delay, and other effects that cause signal “distortion.” Research shows that besides design, board material, transmission lines, connectors, and chip packaging, through vias have a large impact on signal integrity.

4. Backdrilling working principle

Backdrilling uses a drill bit that is positioned by sensing the PCB surface. When the drill bit tip touches the copper foil on the board surface, a micro-current is generated. This current tells the machine the board surface height. The machine then drills down to the set depth and stops.

5. Backdrilling process steps

A typical backdrilling process may go like this:

a. Provide the PCB with registration holes. Use these holes to do the first drilling step (the through-hole).
b. After first drill, plate the holes. Before plating, use dry film to protect the registration holes as needed.
c. Make the outer layer pattern on the plated board.
d. Do pattern plating. Before pattern plating, again treat the registration holes with dry film if needed.
e. Use the registration holes from the first drill to position the board for backdrilling. Use a drill bit to drill away the plated sections that need backdrilling.
f. After backdrilling, wash the backdrilled holes to remove any drill dust and residues.

6. Technical features of backdrilled boards

Typical technical features include:

1. Most backdrilled boards are rigid boards.
2. Layer counts usually range from 8 to 50 layers.
3. Board thickness is often 2.5 mm or more.
4. The thickness-to-diameter ratio is relatively large.
5. Board sizes are large.
6. The initial drill minimum diameter is usually ≥ 0.3 mm.
7. Outer layer traces are few; the board often uses a pinch array for press-fit holes.
8. Backdrill holes are usually 0.2 mm larger than the holes to be removed.
9. Backdrill depth tolerance is about ±0.05 mm.
10. If backdrilling must reach down to layer M, then the dielectric thickness from layer M to layer M−1 must be at least 0.17 mm.

7. Typical applications for backdrilled boards

Backdrilled boards are mainly used in areas that need very good signal integrity and large structures. Common fields are communication equipment, large servers, medical electronics, military, and aerospace. Because military and aerospace are sensitive fields, backplanes for these areas are often made by research institutes, R&D centers, or PCB manufacturers with strong background in those fields. In China, most demand for backplanes comes from the communications industry, which is growing fast.

---

Sažetak

In short, vias are simple but crucial. They connect layers, and they also add parasitic capacitance and inductance. These parasitics affect both signal rise time and how well bypass capacitors work. Via length mainly drives inductance. Via size, pad size, and clearance affect capacitance. For high-speed designs use the following checklist:

• Pick via sizes that fit board density and cost. For many boards 10/20 mil is good; for denser boards try 8/18 mil. For power/ground vias, pick larger sizes.
• Use a thin board if possible. This reduces via parasitics.
• Avoid unnecessary layer changes. Keep routing on the same layer when you can.
• Put power and ground pins near vias and keep connections short and wide.
• Add ground vias near signal vias that change layers to give a short return path.
• For long vias or deep boards, consider backdrilling to remove stubs that harm high-speed signals.
• When via density is very high, consider reducing pad sizes on some internal layers to avoid breaking copper pours.

Follow these rules and think about the whole system, not just a single via. In high-speed design the small details add up. A careful via plan will make your board work better, reduce risk, and save time later in debugging.