Průchodka je jednou z klíčových částí vícevrstvé desky s plošnými spoji (PCB). U mnoha desek tvoří náklady na vrtání asi 30% až 40% nákladů na výrobu desky. Zjednodušeně řečeno, každý otvor na desce plošných spojů lze nazvat průchodkou. Z její úlohy vyplývá, že průchodka má dvě hlavní využití: jedním je vytváření elektrických spojů mezi vrstvami a druhým je upevnění nebo umístění součástí.
Pokud se podíváme na výrobní proces, můžeme průchodky rozdělit do tří typů: slepé průchodky, zakopané průchodky a průchozí průchodky (průchozí průchodky). Slepá průchodka začíná na horním nebo spodním povrchu desky plošných spojů a vede dolů do některé vnitřní vrstvy. Má určitou hloubku a používá se k propojení povrchových stop se stopami vnitřní vrstvy. Hloubka zaslepené průchodky obvykle nepřesahuje určitý poměr k průměru otvoru. Zaslepená průchodka je otvor, který spojuje pouze vnitřní vrstvy; nedosahuje na žádný povrch desky. Slepé i zakopané průchodky se vytvářejí uvnitř desky před laminací a při jejich vytváření může dojít k překrytí několika vnitřních vrstev. Třetím typem je průchozí průchodka. Tato průchodka prochází celou deskou. Může být použit pro vnitřní propojení nebo jako montážní či polohovací otvor pro součástky. Protože průchozí průchodky jsou jednodušší na výrobu a levnější, používá je většina desek s plošnými spoji místo slepých nebo zakopaných průchodek. Pokud není v tomto textu uvedeno jinak, slovo “průchodka” se vztahuje na průchozí průchodku.
Via struktura a proč záleží na velikosti
Z konstrukčního hlediska má průjezd dvě hlavní části. Jednou z nich je středový otvor. Druhou je oblast podložky kolem vyvrtaného otvoru. Velikosti těchto dvou částí určují velikost průchodky. Pokud deska plošných spojů vyžaduje vysokou rychlost a vysokou hustotu, konstruktéři chtějí, aby průchodky byly co nejmenší. Malé průchodky ponechávají na desce více prostoru pro vedení. Menší průchodky mají také nižší parazitní kapacitu, takže lépe vyhovují vysokorychlostním obvodům.
Zmenšení průchodek však zvyšuje náklady. Velikost průchodek také nelze neomezeně zmenšovat. Omezení vyplývá z procesů vrtání a pokovování. Čím menší je otvor, tím déle vrtání trvá a tím více se vrták může odchýlit od středu. Také když je hloubka otvoru větší než šestinásobek průměru vrtáku, je těžké zajistit, aby stěna otvoru dostala rovnoměrné měděné pokovení. Například běžná šestivrstvá deska plošných spojů má tloušťku (hloubku průchodu) přibližně 50 mil. Za těchto podmínek může továrna na výrobu desek plošných spojů obvykle vrtat do hloubky o minimálním průměru asi 8 mil.
Parazitní kapacita průchodky
Průchodka má parazitní kapacitu vůči zemi. Pokud víme, že průměr zemnícího otvoru na rovinné vrstvě je D2, průměr průchodky je D1, tloušťka desky plošných spojů je T a dielektrická konstanta substrátu desky je ε, pak přibližná parazitní kapacita průchodky je:
C = 1,41 × ε × T × D1 / (D2 - D1)
Tento vzorec poskytuje rozumný odhad kapacity průchodky. Parazitní kapacita především prodlužuje dobu náběhu signálu, a snižuje tak rychlost obvodu.
Uveďme si konkrétní příklad. Předpokládejme, že tloušťka desky je 50 mil. Vnitřní průměr průchodky je 10 mil a průměr podložky je 20 mil. Vzdálenost mezi podložkou a uzemněnou měděnou plochou je 32 mil. Podle výše uvedeného vzorce a s ε = 4,4 dostaneme:
C = 1,41 × 4,4 × 0,050 × 0,020 / (0,032 - 0,020) ≈ 0,517 pF
Toto množství kapacity mění dobu náběhu. Je-li charakteristická impedance 55 ohmů, je změna doby náběhu 10%-90% způsobená touto kapacitou přibližně:
T10-90 = 2,2 × C × (Z0 / 2) ≈ 2,2 × 0,517 × (55 / 2) ≈ 31,28 ps
Z těchto čísel vyplývá, že parazitní kapacita jedné průchodky má na dobu náběhu jen malý vliv. Pokud však signál při změně vrstev prochází mnoha průchodkami, vliv se sčítá. Pak si to musí konstruktér dobře rozmyslet.
Parazitní indukčnost průchodky
Vedle parazitní kapacity má průchodka také parazitní indukčnost. Při vysokorychlostním digitálním návrhu je škoda způsobená parazitní indukčností průchodky často větší než škoda způsobená parazitní kapacitou. Sériová indukčnost průchodky může oslabit účinek bypassových kondenzátorů a snížit filtrační výkon celého napájecího systému.
Jednoduchý přibližný vzorec pro indukčnost průchodky je:
L = 5,08 × h × [ ln(4h / d) + 1 ]
kde:
- L je indukčnost průchodu,
- h je délka průchodu,
- d je střední průměr vrtáku.
Ze vzorce vyplývá, že průměr průchodky má na indukčnost malý vliv a délka průchodky má vliv největší. Na výše uvedeném příkladu s h = 0,050 a d = 0,010 dostaneme:
L = 5,08 × 0,050 × [ ln(4 × 0,050 / 0,010) + 1 ] ≈ 1,015 nH
Pokud je doba náběhu signálu 1 ns, je ekvivalentní indukční reaktance:
XL = π × L / T10-90 ≈ π × 1,015 nH / 1 ns ≈ 3,19 Ω
Při vysokofrekvenčním proudu nelze impedanci této úrovně ignorovat. Všimněte si také, že bypassový kondenzátor umístěný tak, aby spojoval výkonovou a zemní vrstvu, obvykle potřebuje dvě průchodky. To znamená, že indukčnost průchodek bude pro tuto obtokovou cestu dvojnásobná.
Co to znamená pro vysokorychlostní návrh
Z výše uvedeného rozboru parazitů průchodek je patrné, že zdánlivě jednoduchá průchodka může ve vysokorychlostní desce plošných spojů způsobit velké negativní účinky. Pro snížení těchto problémů mohou konstruktéři vyzkoušet následující opatření.
- Zvolte rozumnou velikost prostřednictvím
Přemýšlejte o nákladech i kvalitě signálu. Například pro desky plošných spojů paměťových modulů s 6 až 10 vrstvami se osvědčuje volba průchodky 10/20 mil (vrtání/podložka). U některých malých desek s vysokou hustotou můžete zkusit průchodky 8/18 mil. Při současné technologii je obtížné vytvořit průchodky menší než tato hodnota. Pro napájecí nebo zemnicí průchodky použijte větší rozměry, abyste snížili impedanci. - Pokud je to možné, použijte tenčí desku
Jak ukazují vzorce, tenčí deska pomáhá snížit kapacitu průchozího vedení i indukčnost. - Vyhněte se zbytečným změnám vrstev
Zkuste směrovat signály bez přepínání vrstev. Jinými slovy, používejte co nejméně průchodek. - Umístění napájecích a zemnicích kolíků v blízkosti průchodek
Napájecí a zemnicí kolíky umístěte blízko jejich průchodek. Vedení mezi průchodkou a vývodem musí být co nejkratší, protože dlouhá vedení zvyšují indukčnost. Pro napájení a uzemnění použijte silnější vodiče, abyste snížili impedanci. - Umístění zemnicích průchodek v blízkosti průchodek pro výměnu signální vrstvy
Uzemňovací průchodky umístěte v blízkosti průchodek, kde signály mění vrstvy. Signál tak získá blízkou zpětnou cestu. V případě potřeby můžete přidat mnoho dalších zemnicích průchodek. Buďte však flexibilní. Model průchodek, o kterém jsme hovořili dříve, předpokládal podložku v každé vrstvě. V některých případech můžete podložky na některých vnitřních vrstvách zmenšit nebo odstranit. Při velmi vysoké hustotě průchodek mohou velké podložky na měděném poli tvořit přerušovanou smyčku. Chcete-li to napravit, můžete některé průchodky přesunout nebo zmenšit velikost podložek na některých vrstvách.
Návrh průchodek pro vysokorychlostní desky plošných spojů - praktické návrhy
Vysokorychlostní desky plošných spojů obvykle používají více vrstev a průchodky jsou významným faktorem návrhu. Průchodka v desce plošných spojů má tři části: samotný otvor, podložku kolem otvoru a izolační zónu výkonové vrstvy (volný prostor na výkonové a zemnicí rovině kolem průchodky).
Zde je několik praktických bodů pro vysokorychlostní vícevrstvé desky:
- Přes doporučení velikosti
Pro obecné vícevrstvé desky se střední hustotou je dobrou volbou průchodka o rozměrech 0,25 mm / 0,51 mm / 0,91 mm (vrtání / podložka / silová izolace). Pro desky s vysokou hustotou mohou být vhodné průchodky 0,20 mm / 0,46 mm / 0,86 mm. V některých provedeních lze použít nepokryté průchodky. U napájecích nebo zemnicích průchodek zvažte větší rozměry, abyste snížili impedanci. - Izolační zóna napájení
Čím větší je oblast izolace napájení, tím lépe. Zvažte hustotu průchodek na rovině. Často se jako vodítko používá D1 = D2 + 0,41, což znamená, že průměr podložky se rovná průměru rovinné vůle plus 0,41 mm. To pomáhá udržet dostatečně širokou vůli roviny. - Minimalizace změn vrstev
Snížení počtu průchodů tím, že se vyhnete zbytečným změnám vrstev při směrování signálů. - Použití tenčích desek
Tenčí desky snižují kapacitu i indukčnost průchodek. - Krátká a široká připojení napájení/země
Udržujte přívod od via k napájecímu nebo zemnícímu kolíku krátký. Pro snížení indukční impedance vytvořte co nejširší stopy pro napájení nebo zem. - Uzemnění průchodek v blízkosti průchodek pro výměnu vrstev
Přidejte zemnicí průchodky v blízkosti průchodek, kde se signál pohybuje mezi vrstvami. Signál tak získá krátkou zpětnou cestu.
Všimněte si také, že délka průchodky je hlavním faktorem indukčnosti průchodky. U průchodek v horní a spodní vrstvě se délka průchodky rovná plné tloušťce desky. S rostoucím počtem vrstev může tloušťka desky přesáhnout 5 mm. Při vysokorychlostním návrhu se délka průchodek obvykle udržuje pod 2,0 mm, aby se omezily problémy související s průchodkami. U průchodek delších než 2,0 mm může zvětšení průměru průchodky pomoci obnovit impedanční spojitost. Pokud je délka průchodky 1,0 mm nebo méně, je nejlepší průměr průchodky přibližně 0,20 mm až 0,30 mm.
Zpětné vrtání při výrobě DPS
1. Co je zpětné vrtání?
Zpětné vrtání je speciální vrtací krok, který se používá u desek s hlubokými otvory. Například při výrobě 12vrstvé desky můžeme chtít propojit vrstvu 1 s vrstvou 9. Obvykle jednou vyvrtáme průchozí otvor a poté desku. Tato průchodka pak vede z vrstvy 1 do vrstvy 12, ale my potřebujeme pouze spojení mezi vrstvou 1 a vrstvou 9. Dodatečný úsek od vrstvy 10 k vrstvě 12 funguje jako odbočka. Tento odstup ovlivňuje signálové cesty a může způsobit problémy s integritou signálu v komunikačních signálech. Abychom tento přídavný odstup odstranili, vyvrtáme jej ze zadní strany - druhý krok vrtání. Tomuto postupu se říká zpětné vrtání. V praxi výrobci nevyvrtávají každý kousek do posledního, protože pozdější kroky odstraňují část mědi a vrták má zúženou špičku. Výrobce tedy obvykle ponechává velmi malý pahýl. Délka ponechaného pahýlu se nazývá hodnota B a dobrá hodnota B se obvykle pohybuje mezi 50 μm a 150 μm.
2. Proč zpětné vrtání?
Zpětné vrtání přináší několik výhod:
- Snižuje šum a rušení.
- Zlepšuje integritu signálu.
- Může dojít ke ztenčení lokální oblasti desky.
- Snižuje potřebu zapuštěných nebo slepých průchodek, což snižuje složitost desky.
3. K čemu slouží zpětné vrtání?
Zpětným vrtáním se odstraní průchozí část, která nepomáhá připojení ani přenosu signálu. Tím se zabrání odrazům, rozptylu, zpoždění a dalším efektům, které způsobují “zkreslení” signálu. Výzkumy ukazují, že kromě designu, materiálu desky, přenosových vedení, konektorů a balení čipů mají průchodky velký vliv na integritu signálu.
4. Princip fungování zpětného vrtání
Při zpětném vrtání se používá vrták, který se nastavuje podle povrchu desky plošných spojů. Když se hrot vrtáku dotkne měděné fólie na povrchu desky, vznikne mikroproud. Tento proud informuje stroj o výšce povrchu desky. Stroj pak vrtá do nastavené hloubky a zastaví se.
5. Kroky procesu zpětného vrtání
Typický postup zpětného vrtání může vypadat takto:
a. DPS opatřete registračními otvory. Pomocí těchto otvorů proveďte první krok vrtání (průchozí otvor).
b. Po prvním vrtání otvory vyvrtejte. Před pokovením použijte suchou fólii k ochraně registračních otvorů podle potřeby.
c. Na pokovené desce vytvořte vzor vnější vrstvy.
d. Proveďte pokovení vzoru. Před pokovením vzoru znovu ošetřete registrační otvory suchou fólií, je-li to nutné.
e. Pomocí registračních otvorů z prvního vrtání umístěte desku pro zpětné vrtání. Pomocí vrtáku odvrtejte pokovené části, které je třeba zpětně odvrtat.
f. Po zpětném vrtání vymyjte vyvrtané otvory, abyste odstranili prach a zbytky vrtáku.
6. Technické vlastnosti desek se zadním vrtáním
Mezi typické technické vlastnosti patří:
- Většina desek se zadním vrtáním jsou tuhé desky.
- Počet vrstev se obvykle pohybuje od 8 do 50 vrstev.
- Tloušťka desek je často 2,5 mm nebo více.
- Poměr tloušťky k průměru je poměrně velký.
- Velikost desek je velká.
- Počáteční minimální průměr vrtáku je obvykle ≥ 0,3 mm.
- Vnější vrstvy mají málo stop; na desce se často používá soustava otvorů pro zalisování.
- Otvory pro zpětné vrtání jsou obvykle o 0,2 mm větší než otvory, které mají být odstraněny.
- Tolerance hloubky zpětného vrtání je přibližně ±0,05 mm.
- Pokud musí zpětné vrtání zasahovat až do vrstvy M, pak tloušťka dielektrika od vrstvy M k vrstvě M-1 musí být alespoň 0,17 mm.
7. Typické aplikace pro desky se zadním vrtáním
Desky se zadním vrtáním se používají hlavně v oblastech, kde je potřeba velmi dobrá integrita signálu a velké struktury. Běžnými oblastmi jsou komunikační zařízení, velké servery, lékařská elektronika, vojenství a letectví. Vzhledem k tomu, že vojenství a letectví jsou citlivé oblasti, jsou zadní desky pro tyto oblasti často vyráběny výzkumnými ústavy, výzkumnými a vývojovými středisky nebo výrobci desek plošných spojů se silným zázemím v těchto oblastech. V Číně pochází většina poptávky po základních deskách z komunikačního průmyslu, který rychle roste.
Souhrn
Zkrátka, průchodky jsou jednoduché, ale zásadní. Spojují vrstvy a přidávají parazitní kapacitu a indukčnost. Tyto parazity ovlivňují dobu náběhu signálu i to, jak dobře fungují bypassové kondenzátory. Délka průchodek ovlivňuje především indukčnost. Velikost průchodek, velikost podložek a vůle ovlivňují kapacitu. Pro vysokorychlostní konstrukce použijte následující kontrolní seznam:
- Vyberte si velikosti, které odpovídají hustotě desek a nákladům. Pro mnoho desek je vhodné 10/20 mil; pro hustší desky zkuste 8/18 mil. Pro napájecí/zemní průchodky volte větší velikosti.
- Pokud je to možné, použijte tenkou desku. Snížíte tím parazitování.
- Vyhněte se zbytečným změnám vrstev. Pokud můžete, udržujte směrování ve stejné vrstvě.
- Napájecí a zemnicí kolíky umístěte do blízkosti průchodek a udržujte spoje krátké a široké.
- Přidejte zemnicí průchodky v blízkosti signálových průchodek, které mění vrstvy, abyste získali krátkou zpětnou cestu.
- U dlouhých průchodek nebo hlubokých desek zvažte zpětné vrtání, abyste odstranili odbočky, které poškozují vysokorychlostní signály.
- Pokud je hustota průchodek velmi vysoká, zvažte zmenšení velikosti podložek v některých vnitřních vrstvách, abyste se vyhnuli porušení měděných výlisků.
Řiďte se těmito pravidly a přemýšlejte o celém systému, ne jen o jedné jeho části. Při návrhu vysokorychlostních systémů se drobné detaily sčítají. Pečlivý plán průchodek zajistí, že vaše deska bude fungovat lépe, sníží rizika a ušetří čas při pozdějším ladění.
