Via, çok katmanlı PCB'nin önemli bileşenlerinden biridir ve delme maliyeti genellikle PCB kartının maliyetinin %30 ila %40'ını oluşturur. Basitçe söylemek gerekirse, PCB'deki her delik via olarak adlandırılabilir.
Via'nın temel kavramı:
İşlevsel açıdan bakıldığında, via iki kategoriye ayrılabilir: biri katmanlar arasında elektriksel bağlantı olarak kullanılır ve diğeri cihazın sabitlenmesi veya konumlandırılması olarak kullanılır. İşlemden, bu delikler genellikle kör delikler, gömülü delikler ve geçiş delikleri olmak üzere üç kategoriye ayrılır.
Kör delikler, baskılı devre kartının üst ve alt yüzeylerinde bulunan ve yüzey devresi ile alttaki iç devrenin bağlantısı için belirli bir derinliğe sahip olan deliklerdir ve deliklerin derinliği genellikle belirli bir oranı (aperture) geçmez.
Gömülü delik, baskılı devre kartının iç katmanında bulunan ve kartın yüzeyine uzanmayan bağlantı deliğini ifade eder. Yukarıdaki iki delik türü, laminasyondan önce delikli kalıplama işlemiyle tamamlanan devre kartının iç katmanında bulunur ve delikli oluşumu sırasında birkaç iç katman üst üste gelebilir.
Üçüncü tür, tüm devre kartından geçen ve dahili ara bağlantı veya bileşenler için kurulum konumlandırma delikleri elde etmek için kullanılabilen geçiş delikleri olarak adlandırılır. Geçiş deliği, işlem sırasında elde edilmesi daha kolay ve maliyeti daha düşük olduğundan, baskılı devre kartlarının büyük çoğunluğu diğer iki geçiş deliği yerine bunu kullanır. Aşağıdaki delikler, özel talimatlar olmadan, geçiş deliği olarak kabul edilir.
Tasarım açısından bakıldığında, bir via esas olarak iki parçadan oluşur, biri delme deliğinin ortası, diğeri ise delme deliğinin etrafındaki kaynak pedi alanıdır. Bu iki parçanın boyutu vianın boyutunu belirler.
Elbette, yüksek hızlı, yüksek yoğunluklu PCB tasarımında, tasarımcılar her zaman deliğin mümkün olduğunca küçük olmasını isterler, böylece daha fazla kablolama alanı bırakılabilir, ayrıca via ne kadar küçükse, kendi parazitik kapasitansı da o kadar küçük olur ve yüksek hızlı devreler için daha uygundur.
Ancak, via boyutunun küçültülmesi aynı zamanda maliyetlerde de artışa neden olur ve deliğin boyutu sonsuza kadar küçültülemez, delme ve elektrokaplama teknolojisi ile sınırlıdır: delik ne kadar küçükse, delme işlemi o kadar uzun sürer, merkezden sapmak o kadar kolay olur; deliğin derinliği, deliğin çapının 6 katından fazla olduğunda, delik duvarının bakırla düzgün bir şekilde kaplanabilmesini sağlamak imkansızdır.
Örneğin, normal 6 katmanlı bir PCB kartının kalınlığı (delik derinliği) 50Mil ise, PCB üreticilerinin normal koşullar altında sağlayabileceği minimum delme çapı yalnızca 8Mil'e ulaşabilir. Lazer delme teknolojisinin gelişmesiyle, delme boyutu da giderek küçülebilir ve deliğin çapı genellikle 6Mil'den küçük veya ona eşittir, buna mikro delikler denir.
Mikro delikler genellikle HDI (yüksek yoğunluklu bağlantı yapısı) tasarımında kullanılır ve mikro delik teknolojisi deliğin doğrudan ped üzerine delinmesine izin verebilir, bu da devre performansını büyük ölçüde iyileştirir ve kablolama alanından tasarruf sağlar. Via, iletim hattındaki empedans sürekliliğinin bir kırılma noktası olarak görünür ve sinyalin yansımasına neden olur. Genellikle, deliğin eşdeğer empedansı iletim hattından yaklaşık %12 daha düşüktür, örneğin, 50 ohm'luk bir iletim hattının empedansı delikten geçtiğinde 6 ohm azalacaktır (özellikle ve via'nın boyutu, plaka kalınlığı da ilişkilidir, mutlak bir azalma değildir).
Ancak, empedans kesintisi yoluyla oluşan yansıma aslında çok küçüktür ve yansıma katsayısı yalnızca şudur:
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Via'dan kaynaklanan sorunlar daha çok parazitik kapasitans ve endüktans etkileri üzerinde yoğunlaşmaktadır.
Via'nın Parazitik Kapasitansı ve Endüktansı
Via'nın kendisinde parazitik kaçak kapasitans vardır. Lehimleme direnç bölgesinin döşenen katmandaki çapı D2, lehim pedinin çapı D1, PCB kartının kalınlığı T ve alt tabakanın dielektrik sabiti ε ise, geçiş deliğinin parazitik kapasitansı yaklaşık olarak şöyledir:
C=1.41εTD1/(D2-D1)
Parazitik kapasitansın devreye olan temel etkisi, sinyalin yükselme süresini uzatması ve devrenin hızını düşürmesidir.
Örneğin, 50Mil kalınlığındaki bir PCB için, via pedinin çapı 20Mil (delme deliğinin çapı 10Mil) ve lehim direnç bölgesinin çapı 40Mil ise, via'nın parazitik kapasitansını yukarıdaki formülle yaklaşık olarak hesaplayabiliriz:
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
Kapasitansın bu kısmının neden olduğu yükselme süresi değişiminin miktarı yaklaşık olarak şudur:
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
Bu değerlerden görülebileceği gibi, tek bir via'nın parazitik kapasitansı tarafından oluşturulan yükselme gecikmesinin faydası çok belirgin olmasa da, via hat üzerinde katmanlar arasında geçiş yapmak için birkaç kez kullanılırsa, birden fazla delik kullanılacaktır ve tasarım dikkatlice düşünülmelidir. Gerçek tasarımda, parazitik kapasitans delik ile bakır alan arasındaki mesafeyi artırarak (Anti-pad) veya pad'in çapını azaltarak azaltılabilir.
Yüksek hızlı dijital devrelerin tasarımında, parazitik endüktansın neden olduğu zarar genellikle parazitik kapasitansın etkisinden daha büyüktür. Parazitik seri endüktansı, bypass kapasitörünün katkısını zayıflatacak ve tüm güç sisteminin filtreleme etkinliğini zayıflatacaktır.
Parazitik endüktansı bir geçiş deliğinden yaklaşımda basitçe hesaplamak için aşağıdaki deneysel formülü kullanabiliriz:
L=5.08h[ln(4h/g)+1]
Burada L, via'nın endüktansına, h via'nın uzunluğuna ve d ise merkezi deliğin çapına karşılık gelir. Formülden via'nın çapının endüktans üzerinde çok az etkisi olduğu, via'nın uzunluğunun ise endüktans üzerinde en büyük etkiye sahip olduğu görülebilir. Yine yukarıdaki örneği kullanarak, deliğin dışındaki endüktans şu şekilde hesaplanabilir:
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
Eğer sinyalin yükselme süresi 1ns ise eşdeğer empedans büyüklüğü şu şekildedir:
XL=πL/T10-90=3,19Ω
Yüksek frekanslı akımın varlığında böyle bir empedans göz ardı edilemez, özellikle güç katmanı ve formasyon bağlanırken bypass kapasitörünün iki delikten geçmesi gerektiğini, böylece deliğin parazitik endüktansının çarpılacağını unutmayın.
Via nasıl kullanılır?
Yukarıdaki deliğin parazitik özelliklerinin analizinden, yüksek hızlı PCB tasarımında, görünüşte basit deliklerin genellikle devre tasarımına büyük olumsuz etkiler getirdiğini görebiliriz. Deliğin parazitik etkisinin neden olduğu olumsuz etkileri azaltmak için, tasarım mümkün olduğunca şu şekilde olabilir:
Maliyet ve sinyal kalitesi açısından, via boyutunun makul bir boyutunu seçin. Gerekirse, güç kaynağı veya topraklama kablosu delikleri gibi farklı via boyutları kullanmayı düşünebilirsiniz, empedansı azaltmak için daha büyük bir boyut kullanmayı düşünebilirsiniz ve sinyal kablolaması için daha küçük bir via kullanabilirsiniz. Elbette, via boyutu azaldıkça, buna karşılık gelen maliyet de artacaktır
Yukarıda tartışılan iki formül, daha ince bir PCB kartının kullanılmasının, via'nın iki parazitik parametresini azaltmaya yardımcı olduğu sonucuna varılabilir.
PCB kartı üzerindeki sinyal kablolarını mümkün olduğunca değiştirmemeye, yani gereksiz vialar kullanmamaya çalışın.
Vialar güç kaynağının pimlerine ve toprağa delinmelidir. Pinler ve vialar arasındaki bağlantı ne kadar kısa olursa o kadar iyidir. Eşdeğer endüktansı azaltmak için paralel olarak birden fazla delik delinebilir.
Sinyal değişiminin geçiş deliklerinin yakınına, sinyal için en yakın devreyi sağlayacak şekilde birkaç topraklı geçiş deliği yerleştirin. PCB kartına birkaç fazladan topraklama deliği bile yerleştirebilirsiniz.
Yüksek yoğunluklu, yüksek hızlı PCB kartları için mikro delikler kullanmayı düşünebilirsiniz.