ویا یکی از اجزای کلیدی در برد مدار چاپی چندلایه (PCB) است. در بسیاری از بردها، هزینههای سوراخکاری حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد از هزینه ساخت برد را تشکیل میدهند. به زبان ساده، هر سوراخ روی PCB را میتوان ویا نامید. از نظر نقش، ویا دو کاربرد اصلی دارد: یکی ایجاد اتصالات الکتریکی بین لایهها و دیگری ثابت کردن یا محلیابی قطعات.
اگر به فرآیند ساخت نگاه کنیم، ویایها را میتوان به سه نوع تقسیم کرد: ویای کور، ویای مدفون و ویای عبوری (ویای سوراخ عبوری). ویای کور از سطح بالا یا پایین PCB شروع شده و تا یک لایه داخلی پایین میرود. این ویای دارای عمق مشخصی است و برای اتصال ردپاهای سطحی به ردپاهای لایه داخلی استفاده میشود. عمق یک ویای کور معمولاً از نسبت مشخصی نسبت به قطر سوراخ تجاوز نمیکند. ویای مدفون (Buried via) سوراخی است که فقط لایههای داخلی را به هم متصل میکند؛ این نوع ویای مدفون به هیچ یک از سطوح برد نمیرسد. ویای کور و ویای مدفون هر دو قبل از لمینیت و در داخل برد ساخته میشوند و ممکن است در حین تشکیل، چندین لایه داخلی را در بر بگیرند. نوع سوم، ویای عبوری (through via) است. این سوراخ تا انتها از برد عبور میکند. از آن میتوان برای اتصالات داخلی یا به عنوان سوراخ نصب یا مکانیابی قطعات استفاده کرد. از آنجایی که ساخت ویای عبوری آسانتر و ارزانتر است، اکثر بردهای مدار چاپی به جای ویای کور یا مدفون از آن استفاده میکنند. در ادامه این متن، مگر اینکه خلاف آن ذکر شود، کلمه “ویا” به ویای عبوری اشاره دارد.
از طریق ساختار و چرا اندازه اهمیت دارد
از دیدگاه طراحی، یک ویای دو بخش اصلی دارد. یکی سوراخ مرکزی مته است و دیگری ناحیه پد اطراف سوراخ مته. اندازه این دو بخش، اندازه ویای را تعیین میکند. وقتی یک برد مدار چاپی (PCB) به سرعت و چگالی بالا نیاز دارد، طراحان میخواهند ویاها تا حد امکان کوچک باشند. ویاهای کوچک فضای بیشتری برای مسیریابی روی برد باقی میگذارند. همچنین ویاهای کوچکتر دارای ظرفیت پارازیتی کمتری هستند، بنابراین برای مدارهای با سرعت بالا مناسبترند.
اما کوچکتر کردن ویاسها هزینه را افزایش میدهد. همچنین، اندازه ویا را نمیتوان به طور نامحدود کاهش داد. محدودیت از فرآیندهای سوراخکاری و آبکاری ناشی میشود. هرچه سوراخ کوچکتر باشد، سوراخکاری زمان بیشتری میبرد و سوراخکن (دریل) بیشتر از مرکز منحرف میشود. همچنین، هنگامی که عمق سوراخ بیش از شش برابر قطر سوراخکن باشد، اطمینان از آبکاری یکنواخت دیواره سوراخ با مس دشوار است. برای مثال، یک PCB شش لایه معمولی دارای ضخامت (عمق ویای) حدود ۵۰ میل است. در این شرایط، کارخانه PCB معمولاً میتواند تا قطر حداقل حدود ۸ میل سوراخکاری کند.
ظرفیت کرموار یک ویای
یک ویای (via) دارای ظرفیت پارازیتی با زمین است. اگر قطر سوراخ فاصلهٔ هوایی روی لایهٔ زمین D2 و قطر پد ویای D1 و ضخامت برد PCB T و ثابت دیالکتریک زیرلایهٔ برد ε باشد، آنگاه ظرفیت پارازیتی تقریبی ویای عبارت است از:
C = 1.41 × ε × T × D1 / (D2 − D1)
این فرمول برآورد معقولی از ظرفیت ویای ارائه میدهد. ظرفیت پارازیتی عمدتاً زمان صعود سیگنال را طولانیتر میکند و در نتیجه سرعت مدار را کاهش میدهد.
بیایید از یک مثال ملموس استفاده کنیم. فرض کنید ضخامت برد ۵۰ میل باشد. قطر داخلی ویای آن ۱۰ میل و قطر پد ۲۰ میل است. فاصله بین پد و ناحیه مسی زمین ۳۲ میل است. با استفاده از فرمول بالا و با در نظر گرفتن ε = ۴.۴، داریم:
C = 1.41 × 4.4 × 0.050 × 0.020 / (0.032 − 0.020) ≈ 0.517 pF
این مقدار خازننما زمان صعود را تغییر میدهد. اگر امپدانس مشخصه ۵۵ اهم باشد، تغییر زمان صعود 10%–90% ناشی از این خازننما تقریباً عبارت است از:
T10−90 = 2.2 × C × (Z0 / 2) ≈ 2.2 × 0.517 × (55 / 2) ≈ 31.28 ps
از این اعداد میبینیم که ظرفیت پارازیتی یک ویای منفرد تنها تأثیر اندکی بر زمان صعود دارد. اما اگر سیگنال هنگام تغییر لایهها از میان ویایهای زیادی عبور کند، این تأثیرات تجمعی خواهند شد. در این صورت طراح باید با دقت به آن توجه کند.
اندکتانس انگلی یک ویای
در کنار ظرفیت پارازیتی، یک ویای (via) دارای القای پارازیتی نیز هست. در طراحی دیجیتال با سرعت بالا، آسیب ناشی از القای پارازیتی ویای اغلب بیشتر از آسیب ناشی از ظرفیت پارازیتی است. القای سری ویای میتواند اثر خازنهای بایپس را تضعیف کرده و عملکرد فیلترینگ کل سیستم تغذیه را کاهش دهد.
یک فرمول تقرّبی ساده برای القاپذیری مسیر عبارت است از:
L = 5.08 × h × [ ln(4h / d) + 1 ]
کجا:
- L اندوکتانس مسیر است.,
- h طول مسیر است.,
- d قطر متهٔ مرکزی است.
از فرمول میبینیم که قطر ویای تأثیر اندکی بر القا دارد و طول ویای بیشترین تأثیر را دارد. با استفاده از مثال بالا با h = 0.050 و d = 0.010، به دست میآوریم:
L = 5.08 × 0.050 × [ ln(4 × 0.050 / 0.010) + 1 ] ≈ 1.015 nH
اگر زمان صعود سیگنال ۱ نانوثانیه باشد، واکنش القایی معادل عبارت است از:
XL = π × L / T10⁻⁹⁰ ≈ π × 1.015 nH / 1 ns ≈ 3.19 Ω
وقتی جریان با فرکانس بالا وجود دارد، امپدانس در این سطح را نمیتوان نادیده گرفت. همچنین توجه داشته باشید که خازن بایپس قرار داده شده برای اتصال لایه تغذیه به زمین معمولاً به دو ویای نیاز دارد. این بدان معناست که القای ویای این مسیر بایپس دو برابر خواهد شد.
این برای طراحی با سرعت بالا چه معنایی دارد
از تحلیل فوق در مورد پارازیتهای ویای، میتوان دریافت که یک ویای ظاهراً ساده میتواند اثرات منفی بزرگی در یک برد مدار چاپی با سرعت بالا ایجاد کند. برای کاهش این مشکلات، طراحان میتوانند اقدامات زیر را مد نظر قرار دهند.
- اندازهٔ مسیر عبوری معقولی را انتخاب کنید.
به هر دو هزینه و کیفیت سیگنال توجه کنید. برای مثال، برای بردهای PCB ماژول حافظه با ۶ تا ۱۰ لایه، انتخاب ویای ۱۰/۲۰ میل (حفره/پد) مناسب است. برای برخی بردهای کوچک و با چگالی بالا میتوانید از ویای ۸/۱۸ میل استفاده کنید. با فناوری فعلی، ساخت ویای کوچکتر از این اندازه دشوار است. برای ویای تغذیه یا زمین از اندازههای بزرگتر استفاده کنید تا امپدانس کاهش یابد. - در صورت امکان از تختهٔ نازکتری استفاده کنید.
همانطور که فرمولها نشان میدهند، برد نازکتر به کاهش هر دو ظرفیت و القای ویای کمک میکند. - از تغییرات غیرضروری لایه خودداری کنید
سعی کنید سیگنالها را بدون جابهجایی لایهها مسیریابی کنید. به عبارت دیگر، از ویایها تا حد امکان کمتر استفاده کنید. - پینهای تغذیه و زمین را نزدیک ویاس قرار دهید.
پینهای تغذیه و زمین را نزدیک ویای مربوطه قرار دهید. خطوط بین ویای و پین را تا حد امکان کوتاه نگه دارید، زیرا خطوط بلند القا را افزایش میدهند. برای کاهش امپدانس، مسیرهای تغذیه و زمین را ضخیمتر در نظر بگیرید. - ویاهای زمینشده را نزدیک به ویاهای تغییر لایه سیگنال قرار دهید.
ویاهای زمین را نزدیک ویاههایی قرار دهید که سیگنالها در آنها لایه را تغییر میدهند. این کار مسیر بازگشت نزدیکی برای سیگنال فراهم میکند. همچنین میتوانید در صورت نیاز ویاهای زمین اضافی زیادی اضافه کنید. اما انعطافپذیر باشید. مدل ویای مطرحشده قبلاً فرض میکرد که در هر لایه یک پد وجود دارد. در برخی موارد میتوانید پدها را در برخی لایههای داخلی کاهش یا حذف کنید. وقتی چگالی ویا بسیار بالا باشد، پدهای بزرگ روی ریختهگری مس میتوانند یک حلقه شکسته تشکیل دهند. برای رفع این مشکل میتوانید برخی ویاها را جابهجا کنید یا اندازه پدها را در برخی لایهها کاهش دهید.
طراحی بردهای مدار چاپی با سرعت بالا — پیشنهادهای عملی
بردهای مدار چاپی با سرعت بالا معمولاً از چندین لایه استفاده میکنند و ویاسها عامل مهمی در طراحی هستند. یک ویای روی برد مدار چاپی سه بخش دارد: خود سوراخ، پد اطراف سوراخ و ناحیه جداسازی لایه تغذیه (فاصله بین پلههای تغذیه و زمین اطراف ویای).
در اینجا چند نکته عملی برای بردهای چندلایه با سرعت بالا آورده شده است:
- از طریق توصیههای اندازه
برای بردهای چندلایه عمومی با چگالی متوسط، یک ویای با ابعاد 0.25 mm / 0.51 mm / 0.91 mm (سوراخکاری / پد / جداسازی تغذیه) انتخاب خوبی است. برای بردهای با چگالی بالا، ابعاد 0.20 mm / 0.46 mm / 0.86 mm ممکن است مناسب باشد. ویاهای بدون آبکاری در برخی طراحیها قابل استفاده هستند. برای ویاهای تغذیه یا زمین، برای کاهش امپدانس، اندازههای بزرگتر را در نظر بگیرید. - منطقهٔ جداسازی توان
هرچه ناحیه جداسازی توان بزرگتر باشد، بهتر است. چگالی ویای روی پل را در نظر بگیرید. اغلب از D1 = D2 + 0.41 بهعنوان راهنما استفاده میشود، به این معنی که قطر پد برابر است با قطر فاصلهٔ پل بهعلاوهٔ 0.41 میلیمتر. این کار کمک میکند تا فاصلهٔ پل به اندازهٔ کافی وسیع باقی بماند. - حداقل کردن تغییرات لایه
با اجتناب از تغییرات غیرضروری در لایهها در مسیریابی سیگنال، تعداد ویاس را کاهش دهید. - از تختههای نازکتر استفاده کنید
بردهای نازکتر، ظرفیت و القای ویاسها را کاهش میدهند. - اتصالات تغذیه و زمین کوتاه و پهن
ارتباط سیم بین ویای تغذیه یا زمین را کوتاه نگه دارید. ردهای تغذیه یا زمین را تا حد امکان پهن در نظر بگیرید تا امپدانس القایی کاهش یابد. - زمینکردن از طریق لحیمکاری نزدیک ویایهای تغییر لایه
ویاسهای زمین را نزدیک ویاسهایی قرار دهید که سیگنال بین لایهها حرکت میکند. این کار مسیر بازگشت کوتاهی برای سیگنال فراهم میکند.
همچنین توجه داشته باشید که طول ویای عبوری عامل اصلی در تعیین القای ویای عبوری است. برای ویای عبوری در لایههای بالا و پایین، طول ویای عبوری برابر با ضخامت کامل برد است. با افزایش تعداد لایهها، ضخامت برد ممکن است از ۵ میلیمتر تجاوز کند. در طراحیهای پرسرعت، معمولاً طول ویای عبوری را کمتر از ۲٫۰ میلیمتر نگه میدارند تا مشکلات مرتبط با ویای عبوری کاهش یابد. برای طولهای ویای بزرگتر از 2.0 میلیمتر، افزایش قطر ویای میتواند به بازیابی پیوستگی امپدانس کمک کند. هنگامی که طول ویای 1.0 میلیمتر یا کمتر است، بهترین قطر ویای حدود 0.20 تا 0.30 میلیمتر است.
حفر مجدد در تولید PCB
۱. بکدریلینگ چیست؟
بکدریلینگ یک مرحلهٔ ویژهٔ سوراخکاری است که در بردهای سوراخهای عمیق به کار میرود. برای مثال، در ساخت یک برد ۱۲ لایه ممکن است بخواهیم لایهٔ ۱ را به لایهٔ ۹ متصل کنیم. معمولاً یکبار سوراخ را حفر میکنیم و سپس آبکاری میکنیم. آن ویای حفرشده سپس از لایهٔ ۱ تا لایهٔ ۱۲ امتداد مییابد، اما ما تنها به اتصال بین لایهٔ ۱ و لایهٔ ۹ نیاز داریم. بخش اضافی از لایه ۱۰ تا لایه ۱۲ مانند یک برجستگی عمل میکند. این برجستگی بر مسیرهای سیگنال تأثیر میگذارد و میتواند باعث مشکلات یکپارچگی سیگنال در سیگنالهای ارتباطی شود. برای حذف این برجستگی اضافی، آن را از سمت پشتی سوراخ میکنیم — که یک مرحله سوراخکاری دوم است. به این عمل، سوراخکاری پشتی (Backdrilling) میگویند. در عمل، سازندگان هر ذره را تا آخر سوراخ نمیکنند، زیرا مراحل بعدی مقداری از مس را برمیدارند و مته سوراخکنی نوک مخروطیشکل دارد. بنابراین کارخانه معمولاً یک تکه باقیمانده بسیار کوچک باقی میگذارد. طول تکه باقیمانده را مقدار B مینامند و مقدار B مناسب معمولاً بین ۵۰ میکرومتر تا ۱۵۰ میکرومتر است.
۲. چرا سوراخکاری معکوس انجام دهیم؟
حفر مجدد سوراخ مزایای متعددی دارد:
- این نویز و تداخل را کاهش میدهد.
- این امر یکپارچگی سیگنال را بهبود میبخشد.
- میتواند ناحیهٔ محلی روی برد را نازکتر کند.
- این نیاز به ویای مدفون یا کور را کاهش داده و پیچیدگی برد را کاهش میدهد.
۳. عملیات بکدریلینگ چه کاری انجام میدهد؟
حفر مجدد سوراخ (Backdrilling) بخش ویای اضافی را که به اتصال یا انتقال سیگنال کمکی نمیکند، حذف میکند. این کار از بازتابها، پراکندگی، تأخیر و سایر اثراتی که باعث اعوجاج سیگنال میشوند، جلوگیری میکند. تحقیقات نشان میدهد که علاوه بر طراحی، جنس برد، خطوط انتقال، کانکتورها و بستهبندی تراشه، ویای عبوری تأثیر زیادی بر یکپارچگی سیگنال دارد.
۴. اصول کارکرد سوراخکاری برگشتی
بکدریلینگ از متهای استفاده میکند که با حس کردن سطح PCB موقعیتیابی میشود. وقتی نوک مته به لایه مسی روی سطح برد برخورد میکند، یک جریان میکرو تولید میشود. این جریان ارتفاع سطح برد را به دستگاه اطلاع میدهد. سپس دستگاه تا عمق تنظیمشده سوراخکاری میکند و متوقف میشود.
۵. مراحل فرآیند سوراخکاری برگشتی
یک فرآیند معمول حفر مجدد پشتی ممکن است به این صورت باشد:
الف. PCB را با سوراخهای ثبتنام فراهم کنید. از این سوراخها برای انجام اولین مرحلهٔ سوراخکاری (سوراخ عبوری) استفاده کنید.
ب. پس از اولین سوراخکاری، سوراخها را آبکاری کنید. قبل از آبکاری، در صورت نیاز از فیلم خشک برای محافظت از سوراخهای رجیستراسیون استفاده کنید.
ج. الگوی لایهٔ بیرونی را روی برد چندلایه ایجاد کنید.
د. چاپ الگو را انجام دهید. قبل از چاپ الگو، در صورت نیاز مجدداً سوراخهای رجیستراسیون را با فیلم خشک پوشش دهید.
e. از سوراخهای ثبتشده در سوراخکاری اول برای قرار دادن برد در موقعیت مناسب جهت سوراخکاری معکوس استفاده کنید. با مته، بخشهای آبکاریشدهای را که نیاز به سوراخکاری معکوس دارند، سوراخ کنید.
f. پس از سوراخکاری معکوس، سوراخهای سوراخکاری معکوسشده را بشویید تا هرگونه گرد و غبار و باقیمانده مته پاک شود.
۶. ویژگیهای فنی بردهای با سوراخکاری معکوس
ویژگیهای فنی معمول عبارتند از:
- اکثر بردهای با سوراخهای حفرشدهٔ پشتی، بردهای صلب هستند.
- تعداد لایهها معمولاً بین ۸ تا ۵۰ لایه متغیر است.
- ضخامت برد اغلب ۲٫۵ میلیمتر یا بیشتر است.
- نسبت ضخامت به قطر نسبتاً بزرگ است.
- اندازه تابلوها بزرگ است.
- قطر حداقل سوراخکاری اولیه معمولاً ≥ ۰٫۳ میلیمتر است.
- ردیابیهای لایهٔ بیرونی اندک هستند؛ برد اغلب از آرایهٔ منقبضشونده برای سوراخهای پرسفیت استفاده میکند.
- سوراخهای بکدریل معمولاً ۰٫۲ میلیمتر بزرگتر از سوراخهایی هستند که باید حذف شوند.
- تolerance عمق سوراخکاری عقبزن حدود ±0.05 میلیمتر است.
- اگر سوراخکاری بازگشتی باید تا لایهٔ M ادامه یابد، ضخامت دیالکتریک از لایهٔ M تا لایهٔ M−1 باید حداقل 0.17 میلیمتر باشد.
۷. کاربردهای معمول بردهای با سوراخهای حفرشدهٔ مجدد
بردهای با سوراخهای پشتسوراخشده عمدتاً در مناطقی استفاده میشوند که نیاز به یکپارچگی سیگنال بسیار خوب و ساختارهای بزرگ دارند. حوزههای رایج عبارتند از تجهیزات مخابراتی، سرورهای بزرگ، الکترونیک پزشکی، نظامی و هوافضا. از آنجا که حوزههای نظامی و هوافضا حساس هستند، بکپلینهای این مناطق اغلب توسط مؤسسات تحقیقاتی، مراکز تحقیق و توسعه یا تولیدکنندگان PCB با پیشزمینه قوی در این حوزهها ساخته میشوند. در چین، بیشتر تقاضا برای بکپلینها از صنعت مخابرات میآید که به سرعت در حال رشد است.
خلاصه
بهطور خلاصه، ویاسها ساده اما حیاتی هستند. آنها لایهها را به هم متصل میکنند و همچنین ظرفیت و القای پارازیتی را اضافه میکنند. این پارازیتها بر زمان صعود سیگنال و عملکرد خازنهای بایپس تأثیر میگذارند. طول ویای عمدتاً تعیینکننده میزان القا است. اندازه ویای، اندازه پد و فاصله بین آنها بر ظرفیت تأثیر میگذارند. برای طراحیهای پرسرعت از فهرست بررسی زیر استفاده کنید:
- ویاهایی با اندازههای مختلف انتخاب کنید که با چگالی و هزینه برد سازگار باشند. برای بسیاری از بردها ۱۰/۲۰ میل مناسب است؛ برای بردهای با چگالی بالاتر ۸/۱۸ میل را امتحان کنید. برای ویاهای تغذیه/زمین، اندازههای بزرگتر انتخاب کنید.
- در صورت امکان از یک تخته نازک استفاده کنید. این امر پارازیتهای مسیر را کاهش میدهد.
- از تغییرات غیرضروری لایه خودداری کنید. هرگاه میتوانید، مسیریابی را در همان لایه نگه دارید.
- پینهای تغذیه و زمین را نزدیک ویاس قرار دهید و اتصالات را کوتاه و پهن نگه دارید.
- ویازهای زمینی را نزدیک ویازهای سیگنال که لایهها را تغییر میدهند اضافه کنید تا مسیر بازگشت کوتاهی فراهم شود.
- برای ویایهای بلند یا بردهای عمیق، برای حذف Stubها که به سیگنالهای پرسرعت آسیب میرسانند، متهزنی معکوس را در نظر بگیرید.
- وقتی تراکم ویای بسیار بالا است، برای جلوگیری از قطع شدن پرهای مس، کاهش اندازه پدها در برخی لایههای داخلی را در نظر بگیرید.
این قوانین را دنبال کنید و به کل سیستم فکر کنید، نه فقط یک ویای منفرد. در طراحی با سرعت بالا جزئیات کوچک جمع میشوند. یک طرح ویای دقیق باعث میشود برد شما بهتر کار کند، ریسک را کاهش دهد و در مراحل عیبیابی بعدی در وقت شما صرفهجویی کند.
