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
   Tanje ploče smanjuju kapacitivnost i indukativnost vijasa.
5. Kratke i široke veze napajanja i zemlje
   Održavajte vod od vijka do pinova napajanja ili zemlje kratkim. Napravite tragove što je moguće šire za napajanje ili zemlju kako biste smanjili induktivnu impedanciju.
6. Zemljovanje putem isprekidnog uzemljenja u blizini viasa promjene slojeva
   Dodajte uzemljenja blizu vias-a kroz koje signal prolazi između slojeva. To signalu omogućava kratak put povratka.

Također imajte na umu da je dužina vijke glavni faktor za induktansu vijke. Kod vijaka koji prolaze kroz gornji i donji sloj, dužina vijke jednaka je punoj debljini ploče. Kako se broj slojeva povećava, debljina ploče može premašiti 5 mm. U projektovanju visokih brzina, dužina vijke se obično drži ispod 2,0 mm kako bi se smanjili problemi povezani s vijkama. Za dužine vijaka veće od 2,0 mm, povećanje prečnika vijka može pomoći u obnavljanju kontinuiteta impedanse. Kada je dužina vijka 1,0 mm ili manje, najbolji prečnik vijka je oko 0,20 mm do 0,30 mm.

Ponovno bušenje u proizvodnji tiskanih pločica

1. Šta je backdrilling?

Backdrilling je poseban korak bušenja koji se koristi kod pločica sa dubokim rupama. Na primjer, pri izradi 12-slojnog štampanog pločica možda želimo povezati sloj 1 sa slojem 9. Obično jednom izbušimo prolaznu rupu, a zatim je obložimo. Ta via se zatim proteže od sloja 1 do sloja 12, ali nam je potrebna samo veza između sloja 1 i sloja 9. Dodatni dio od sloja 10 do sloja 12 djeluje kao ostatak. Taj ostatak utječe na signalne puteve i može uzrokovati probleme s integritetom signala kod komunikacijskih signala. Da bismo uklonili taj dodatni ostatak, izbušimo ga s stražnje strane — drugi korak bušenja. To se naziva backdrilling. U praksi proizvođači ne izbore svaki posljednji komadić, jer kasniji koraci uklanjaju dio bakra, a svrdlo ima suženi vrh. Stoga fabrika obično ostavlja vrlo mali ostatak. Preostala dužina ostatka naziva se vrijednost B, a dobra vrijednost B je obično između 50 μm i 150 μm.

2. Zašto bušiti unazad?

Naknadno bušenje donosi nekoliko prednosti:

1. Smanjuje buku i smetnje.
2. Poboljšava integritet signala.
3. Može učiniti lokalno područje ploče tanjim.
4. Smanjuje potrebu za zakopanim ili slijepim viasima, smanjujući složenost ploče.

3. Šta radi backdrilling?

Backdrilling uklanja dio via-e koji ne doprinosi povezivanju ili prijenosu signala. To sprječava refleksije, rasipanje, kašnjenje i druge efekte koji uzrokuju iskrivljenje signala. Istraživanja pokazuju da, osim dizajna, materijala ploče, prijenosnih linija, konektora i pakovanja čipa, krozne via-e imaju veliki utjecaj na integritet signala.

4. Radni princip nazadnog bušenja

Backdrilling koristi bušilicu koja se pozicionira detekcijom površine štampane pločice. Kada vrh bušilice dodirne bakrenu foliju na površini pločice, generiše se mikrotok. Taj tok mašini daje visinu površine pločice. Mašina zatim buši do zadane dubine i zaustavlja se.

5. Koraci procesa naknadnog bušenja

Tipičan proces naknadnog bušenja može izgledati ovako:

a. Na PCB postavite registracijske rupe. Koristite ove rupe za prvi korak bušenja (prohodnu rupu).
b. Nakon prvog bušenja, zalemite rupe. Prije lemljenja, po potrebi koristite suhi film za zaštitu rupa za registraciju.
c. Napravite šablonu vanjskog sloja na pozlaćenoj ploči.
d. Izradite ploču s uzorkom. Prije izrade ploče s uzorkom, po potrebi ponovno tretirajte registracijske rupe suhim filmom.
e. Koristite rupe za registraciju iz prvog bušenja da pozicionirate ploču za naknadno bušenje. Upotrijebite svrdlo da izbušite presvučene dijelove koji se trebaju naknadno izbušiti.
f. Nakon provlačenja bušilice, isperite provučene rupe kako biste uklonili svu prašinu i ostatke.

6. Tehničke karakteristike pločica s naknadno izbušenim rupama

Tipične tehničke karakteristike uključuju:

1. Većina nazad bušenih ploča su krute ploče.
2. Broj slojeva obično se kreće od 8 do 50 slojeva.
3. Debljina ploče je često 2,5 mm ili više.
4. Omjer debljine i prečnika je relativno velik.
5. Veličine ploča su velike.
6. Početni minimalni promjer bušenja obično je ≥ 0,3 mm.
7. Otkaza na vanjskom sloju je malo; ploča često koristi pinč-array za press-fit otvore.
8. Rupe za povratno bušenje obično su 0,2 mm veće od rupa koje treba ukloniti.
9. Tolerancija dubine nazadnog bušenja je oko ±0,05 mm.
10. Ako bušenje unazad mora doseći sloj M, onda debljina dielektrika od sloja M do sloja M−1 mora biti najmanje 0,17 mm.

7. Tipične primjene za pločice s naknadno izbušenim rupama

Backdrilled ploče se uglavnom koriste u područjima koja zahtijevaju vrlo dobru integritet signala i velike strukture. Uobičajena područja primjene su komunikacijska oprema, veliki serveri, medicinska elektronika, vojna i zrakoplovna industrija. Budući da su vojna i zrakoplovna industrija osjetljiva područja, backplane ploče za ta područja često izrađuju istraživački instituti, centri za istraživanje i razvoj ili proizvođači tiskanih pločica (PCB) s jakim iskustvom u tim oblastima. U Kini najveću potražnju za backplane pločama ima komunikacijska industrija, koja brzo raste.

---

Sažetak

Ukratko, vije su jednostavne, ali ključne. One povezuju slojeve i također dodaju parazitsku kapacitivnost i indukativnost. Ovi paraziti utječu i na vrijeme porasta signala i na učinkovitost bypass kondenzatora. Duljina vije uglavnom određuje indukativnost. Veličina vije, veličina pad-a i razmak utječu na kapacitivnost. Za visokobrzinske dizajne koristite sljedeću kontrolnu listu:

• Odaberite veličine via koje odgovaraju gustoći i cijeni ploče. Za mnoge ploče 10/20 mil je dobro; za gušće ploče pokušajte 8/18 mil. Za napajne/zemljene via odaberite veće veličine.
• Koristite tanku ploču ako je moguće. To smanjuje parasitske otpore na vijama.
• Izbjegavajte nepotrebne promjene slojeva. Održavajte rutiranje na istom sloju kad god možete.
• Postavite pinove za napajanje i masu blizu via-a i održavajte spojeve kratkim i širokim.
• Dodajte tlačne veze blizu signalnih veza koje mijenjaju slojeve kako bi se dobio kratak povratni put.
• Za duge trase ili duboke pločice razmotrite ponovno bušenje kako biste uklonili ostatke koji narušavaju visokobrzinske signale.
• Kada je gustoća veća, razmotrite smanjenje veličina padova na nekim unutrašnjim slojevima kako biste izbjegli prekid bakrenih izlijevanja.

Slijedite ova pravila i razmišljajte o cijelom sistemu, a ne samo o jednoj via. U dizajnu visokih brzina mali detalji se sabiraju. Pažljivo planiranje via poboljšat će rad vaše ploče, smanjiti rizik i uštedjeti vrijeme kasnije pri otklanjanju grešaka.