Как сделать переходное отверстие и как использовать его на печатной плате?

Переходное отверстие — один из важных компонентов многослойной печатной платы, и стоимость сверления обычно составляет от 30% до 40% стоимости печатной платы. Проще говоря, каждое отверстие на печатной плате можно назвать переходным отверстием.

асва (1)

Основная концепция перехода:

С точки зрения функциональности переходные отверстия можно разделить на две категории: одни используются для электрического соединения между слоями, а другие — для фиксации или позиционирования устройства. С точки зрения процесса эти отверстия обычно делятся на три категории: глухие, скрытые и сквозные.

Глухие отверстия располагаются на верхней и нижней поверхностях печатной платы и имеют определенную глубину для соединения поверхностной схемы и внутренней схемы, находящейся ниже, причем глубина отверстий обычно не превышает определенного соотношения (апертуры).

Скрытое отверстие относится к соединительному отверстию, расположенному во внутреннем слое печатной платы и не выходящему на её поверхность. Два вышеперечисленных типа отверстий расположены во внутреннем слое печатной платы, который формируется методом сквозного формования перед ламинированием, при этом несколько внутренних слоёв могут перекрывать друг друга при формировании сквозного отверстия.

Третий тип называется сквозными отверстиями. Они проходят через всю печатную плату и могут использоваться для внутренних соединений или в качестве установочных отверстий для компонентов. Поскольку сквозное отверстие проще в изготовлении и дешевле, оно используется в подавляющем большинстве печатных плат, а не два других сквозных отверстия. Следующие отверстия, без особых указаний, считаются сквозными.

асва (2)

С точки зрения конструкции, переходное отверстие состоит из двух частей: середины сверлящегося отверстия и зоны сварочной площадки вокруг него. Размер этих двух частей определяет размер переходного отверстия.

Очевидно, что при проектировании высокоскоростных печатных плат с высокой плотностью монтажа проектировщики всегда хотят, чтобы отверстие было как можно меньше, чтобы можно было оставить больше места для проводников. Кроме того, чем меньше переходное отверстие, тем меньше его собственная паразитная емкость, что больше подходит для высокоскоростных схем.

Однако уменьшение размера переходного отверстия также влечет за собой увеличение затрат, а размер отверстия невозможно уменьшать до бесконечности, он ограничен технологией сверления и гальванопокрытия: чем меньше отверстие, тем больше времени требуется на сверление, тем легче отклониться от центра; если глубина отверстия более чем в 6 раз превышает его диаметр, невозможно гарантировать равномерное покрытие стенок отверстия медью.

Например, если толщина (глубина сквозного отверстия) обычной 6-слойной печатной платы составляет 50 мил, то минимальный диаметр сверления, который производители печатных плат могут обеспечить в обычных условиях, может достигать лишь 8 мил. С развитием технологии лазерного сверления размер сверления может также уменьшаться, и диаметр отверстия, как правило, меньше или равен 6 мил, называется микроотверстием.

Микроотверстия часто используются в конструкциях HDI (структур межсоединений высокой плотности), и технология микроотверстий позволяет сверлить отверстия непосредственно на контактной площадке, что значительно улучшает характеристики схемы и экономит пространство для разводки. Переходное отверстие является точкой разрыва импеданса линии передачи, вызывая отражение сигнала. Как правило, эквивалентное сопротивление отверстия примерно на 12% ниже, чем у линии передачи. Например, импеданс линии передачи сопротивлением 50 Ом уменьшится на 6 Ом при прохождении через отверстие (в частности, толщина пластины и размер переходного отверстия также имеют отношение к этому параметру, а не к абсолютному уменьшению).

Однако отражение, вызванное разрывом импеданса через отверстие, на самом деле очень мало, и его коэффициент отражения составляет всего лишь:

(44-50)/(44 + 50) = 0,06

Проблемы, возникающие из-за переходных отверстий, в большей степени связаны с влиянием паразитной емкости и индуктивности.

Паразитная емкость и индуктивность Via

В самом переходном отверстии имеется паразитная ёмкость. Если диаметр зоны сопротивления припоя на наложенном слое равен D2, диаметр контактной площадки – D1, толщина печатной платы – T, а диэлектрическая проницаемость подложки – ε, паразитная ёмкость сквозного отверстия приблизительно равна:
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Основное влияние паразитной емкости на схему заключается в увеличении времени нарастания сигнала и снижении быстродействия схемы.

Например, для печатной платы толщиной 50 мил, если диаметр контактной площадки переходного отверстия составляет 20 мил (диаметр отверстия для сверления составляет 10 мил), а диаметр зоны сопротивления припоя составляет 40 мил, то мы можем приблизительно рассчитать паразитную емкость переходного отверстия по приведенной выше формуле:

C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31пФ

Величина изменения времени нарастания, вызванная этой частью емкости, приблизительно равна:

Т10-90=2,2С(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05пс

Из этих значений видно, что, хотя польза задержки нарастания, вызванной паразитной ёмкостью одного переходного отверстия, неочевидна, если переходное отверстие используется несколько раз в линии для переключения между слоями, потребуется использовать несколько отверстий, поэтому проектирование следует тщательно продумать. В реальной конструкции паразитную ёмкость можно уменьшить, увеличив расстояние между отверстием и медной областью (анти-контакт) или уменьшив диаметр контактной площадки.

асва (3)

При проектировании высокоскоростных цифровых схем вред, наносимый паразитной индуктивностью, часто превышает влияние паразитной емкости. Её паразитная последовательная индуктивность ослабляет вклад блокировочного конденсатора и снижает эффективность фильтрации всей системы питания.

Для простого расчета паразитной индуктивности сквозного отверстия можно использовать следующую эмпирическую формулу:

L=5,08ч[ln(4ч/д)+1]

Где L — индуктивность переходного отверстия, h — длина переходного отверстия, а d — диаметр центрального отверстия. Из формулы видно, что диаметр переходного отверстия мало влияет на индуктивность, тогда как длина оказывает наибольшее влияние. Используя приведенный выше пример, индуктивность вне отверстия можно рассчитать следующим образом:

L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015нГн

Если время нарастания сигнала составляет 1 нс, то его эквивалентная величина импеданса равна:

XL=πL/T10-90=3,19 Ом

Такое сопротивление нельзя игнорировать при наличии высокочастотного тока, в частности, следует отметить, что шунтирующий конденсатор должен проходить через два отверстия при соединении слоя питания и формации, так что паразитная индуктивность отверстия будет умножаться.

Как использовать сквозной переход?

Приведённый выше анализ паразитных характеристик отверстия показывает, что при проектировании высокоскоростных печатных плат, казалось бы, простые отверстия часто оказывают серьёзное негативное влияние на конструкцию схемы. Чтобы снизить негативные последствия, вызванные паразитным влиянием отверстия, конструкция может быть максимально:

асва (4)

С учётом стоимости и качества сигнала выберите разумный размер переходного отверстия. При необходимости можно рассмотреть возможность использования переходных отверстий разных размеров, например, для отверстий под провода питания или заземления можно использовать отверстия большего размера для снижения импеданса, а для сигнальных проводов — отверстия меньшего размера. Конечно, с уменьшением размера переходного отверстия увеличится и соответствующая стоимость.

Из двух рассмотренных выше формул можно сделать вывод, что использование более тонкой печатной платы способствует уменьшению двух паразитных параметров переходного отверстия.

По возможности не следует изменять разводку сигналов на печатной плате, то есть стараться не использовать ненужные переходные отверстия.

В контактах питания и заземления необходимо просверлить переходные отверстия. Чем короче провод между контактами и переходными отверстиями, тем лучше. Для уменьшения эквивалентной индуктивности можно просверлить несколько отверстий параллельно.

Разместите несколько заземлённых сквозных отверстий рядом с отверстиями для изменения сигнала, чтобы обеспечить ближайший контур для сигнала. Можно даже разместить несколько дополнительных заземлённых отверстий на печатной плате.

Для высокоскоростных печатных плат с высокой плотностью можно рассмотреть возможность использования микроотверстий.