Vi tog hen til en PCB-butik og spurgte dem: “Kan du kontrollere sporimpedansen inden for 10%?” De ville svare dig med fuld tillid: “Intet problem!” Hvis du presser lidt på og beder om 8%, tænker de måske et øjeblik og siger så: “Okay (for de indre lag)!” Hvis du så spørger: “Kan en via styres til 10%?” vil den lille venskabsbåd måske... vælte!
Det centrale spørgsmål: Spor vs. Vias Impedans-tolerance
Både spor og vias forbinder transceiverchips. Så hvorfor kan spor holdes til 10%, mens vias ikke kan? Vi ved, at spor heller ikke er nemme at kontrollere. Faktorer, der påvirker sporimpedansen, omfatter ætsningsfaktor, lagforskydning og overfladeruhed. For mikrostrip-linjer betyder loddemaske og kobbertykkelse også noget. Alligevel kan mange almindelige printbutikker garantere 10% eller endda 8% impedanstolerance for spor. For vias er der, så vidt jeg ved, ingen board shops, der lover at kontrollere via-impedansen inden for 10%. Det betyder, at der er mange faktorer for vias, som boardshops ikke kan kontrollere, så de kan ikke garantere det.
Hvad denne artikel dækker
I denne artikel introducerer jeg først to via-processer: boring og via-fyldning. Mange ved, at boring betyder noget, men hvor meget påvirker boretolerancen viaens ydeevne? Hvad angår fyldning, tror mange, at fyldning af en via med resin eller loddemaske vil ændre viaens ydeevne. Vi tester disse effekter med simulering.
1. Boreprocessen og dens indvirkning på Via Performance
Først boringen. Vi hører ofte to navne: borestørrelse og færdig hulstørrelse. Hvis vi designer et hul på 8 mil i vores PCB-fil, tror du så, at fabrikken vil bruge et bor på 8 mil? Nej, selvfølgelig ikke. En via skal forbinde spor på forskellige lag. Hullet skal være pletteret, så kobberet løber lodret gennem hullet. Det er gennempletteret kobber. Ifølge IPC-standarden er der faste krav til tykkelsen af det gennemgående kobber, ca. 18 µm til 20 µm. Så fabrikkerne garanterer, at hullet er 8 mil efter plettering. Den endelige størrelse er det færdige hul. Det betyder, at den oprindelige borestørrelse skal være større end 8 mil. Hvor meget større? 10 mil? 12 mil? Denne størrelsesforskel har en stor effekt på via-ydelsen.
I henhold til fabrikkens regler for boretolerancer vil et 0,2 mm (8 mil) færdigt hul bruge mindst et 0,25 mm (10 mil) bor. Hvis du ikke specificerer en strammere kontrol, bruger fabrikken måske et 0,3 mm (12 mil) bor. Alle ved, at et større bor giver lavere impedans. Men hvor meget lavere? Vores simuleringsresultater kan vise dig det.
Simuleringen viser, at vias fra 0,2 mm til 0,3 mm har en impedansforskel på mere end 5 ohm.
Hvis vi ser på tab forårsaget af via, kan vi også se klare forskelle.
For denne enkelte via-boreproces kan bearbejdningstolerancen alene forårsage mere end et 10%-udsving.
2. Via udfyldning: Simulering og resultater
Nu om via-fyldning. Mange venner spurgte, om udfyldning af en via påvirker viaens ydeevne. Jeg blev ved med at fortælle dem det: “Ingen effekt! Ingen effekt!” De troede på mig, men var stadig i tvivl. Så jeg kørte simuleringer for at tjekke.
Billedet nedenfor viser modellerne for ufyldte og fyldte vias. Rød betyder harpiks eller loddemaske, der fylder viaen.
Vi sammenlignede returtab og indsætningstab for de to tilfælde. Hvorfor er der kun én linje? Fordi linjerne overlapper hinanden. Hvorfor overlapper de hinanden? Fordi der ikke er nogen effekt. Resultaterne er de samme.
Teoretisk begrundelse: Hvorfor opfyldning ikke betyder noget
Enhver med lidt højhastighedsteori ved, at signalet ved højere hastighed viser skin-effekt. Signalet strømmer nær viaens ydervæg. Så uanset hvilket dielektrisk materiale, der er inde i via'en, vil det elektromagnetiske felt mellem signal og reference ikke brede sig ind i via'en. Hvis der ikke er noget felt indeni, vil materialet indeni viaen ikke have nogen effekt.
