6 ключевых проблем с виа на высокочастотных платах и способы их избежания

Виа печатных плат могут влиять на целостность сигнала

В нормальных условиях маршрутизируют сигнал так, чтобы ток возврата проходил через экранирующую плоскость прямо под линией — идеально. Это происходит в сбалансированной линиях передачи с контролируемым импедансом. Однако, если виа преграждает путь, ток возврата должен найти переходной путь сам. Ему нужно перейти через слои к ближайшей заземленной виа.

Если ток возврата проходит дополнительное расстояние — задерживает высокочастотный сигнал. Причина — создание индуктивной петли из-за дополнительных виа печатных плат. Не только это; по этому маршруту могут накапливаться нежелательные сигналы.

Кроме того, виа деградируют целостность сигнала из-за больших задержек и значительных фронтов нарастания/спада. Изучите S-параметры для оценки влияния виа на целостность сигнала. Они отражают свойства всех компонентов канала: потери, затухание, отражение и др.

Для улучшения целостности сигнала держите количество виа низким для высокочастотных сигналов. Получите быстрый фронт нарастания и меньшую задержку. Меньшие виа дают меньшую задержку, но незначительно влияют на фронт нарастания. Также сократите длину виа — тоже дает быстрый фронт и меньшую задержку.

Виа препятствуют высокочастотным сигналам

Виа функционируют как аварийные сливы: вода течет через цилиндрический путь вокруг пробки от плоской поверхности. Вода не телепортируется в канализацию, так как слив сопротивляется морю. Виа заставляют ток течь по кольцеобразному пути от плоской медной дорожки.

Связь со сливом — ядро некондуктивного газа, воздуха. Вы заставляете ток течь через металлическое кольцо вокруг отверстия. Виа препятствует потоку тока и ведет себя как паразитная индуктивность, влияя на производительность высокочастотного сигнала.

Толщина металлизации на виа очень мала — большое сопротивление. Это свойство не позволяет нести большой ток. Нужно несколько виа для высокого тока.

Ток может течь с одной стороны платы на другую. Тратит пространство.

Положительная сторона: существуют онлайн-калькуляторы виа. Введите размеры планируемых виа — калькулятор покажет их суммарное сопротивление. Также узнаете токонесущую способность и другие параметры.

Высокочастотные виа требуют специального тестирования и дизайна

Добавляя виа в дизайн платы, создаете проблемы для производителя. Процессный контроль, используемый для базовых плат, не подходит для контроля качества металлизации виа для высоких частот.

Другими словами, нельзя точно предсказать поведение виа для высокочастотных сигналов без строгих контролов на стадии разработки. Требует дополнительного времени на проектирование и тестирование для эффективной работы высокочастотных плат в финальной сборке.

Производители используют автоматизированные сверлильные станки, повышающие стоимость виа. Хотя не видно в счете, рекомендуем держать медную дорожку на одном слое для высокочастотных сигналов.

Виа приводят к несовпадению импеданса

Больше виа для высокочастотных сигналов — вызывает несовпадение импеданса. Разрыв импеданса ведет к отражениям. Представьте волоконно-оптический кабель, заменяющий свет электронами. Когда все гладко — свет входит с одной стороны и выходит с другой.

Если разрыв в проводе или участке кабеля — наблюдается обратное отражение света. В проводниках то же самое, но невидимо. Чтобы избежать отражений — обязательно согласование импеданса.

Согласование импеданса зависит от расстояния до других дорожек, ширины дорожки и т.д. Виа — это изменение импеданса, потому что ширина/расстояние и все остальные параметры меняются резко. Получаете частичное отражение, возможно RFI-вибрацию или другие помехи.

Виа увеличивают размер печатной платы

Главная проблема виа — увеличение размера платы. Окупируют значительное пространство, требуют большую плату для размещения компонентов. Пример: плата с 3 сквозными виа позволяет разместить только 4 контактные площадки.

Если заменить одно сквозное виа на слепое (blind via) или убрать виа — можно разместить 6 площадок. Количество площадок растет при добавлении сквозных виа. Так можно разместить крупные BGA-компоненты. Но в итоге увеличиваете размер высокочастотной платы и её стоимость.

Размер платы также растет, потому что виа не выдерживают высокий ток. Если высокочастотные сигналы сопровождаются высокими токами — нужно множество виа. Увеличивает токонесущую способность, но одновременно увеличивает расстояние между компонентами.

Виа увеличивают паразитную индуктивность и емкость

Виа имеют паразитную индуктивность и емкость, как и дорожки платы. Расчет по формулам:

Емкость: Cp = 1.41 × ε × t × dv / (DSM − DV)

Индуктивность: L = 5.08 × l × [ln(4 × l / DV) + 1]

Где DSM — диаметр паяльной маски, DV — диаметр виа, t — толщина платы, ε — относительная диэлектрическая постоянка, l — длина виа.

Эти дополнительные индуктивность и емкость деградируют целостность сигнала из-за больших задержек и значительных фронтов нарастания/спада. Может не быть проблемой для низкочастотных дизайнов. Но становится критической для высокочастотных печатных плат.

Уменьшить паразитную емкость: плата с меньшей диэлектрической постоянкой или тонкая плата. Увеличьте площадь паяльной маски — медные отложения отодвинутся от площадки.

Уменьшить паразитную индуктивность: тонкая плата. Эквивалентная индуктивность снижается при параллельном проектировании виа.

Виа также приводят к изменению ступенчатой функции импеданса медной дорожки. Стандартное падение импеданса виа ~10%. Зависит от толщины платы, размера виа и др.

Резюме

Рекомендуем избегать виа и смены слоев для предотвращения искажений сигнала, если возможно. Лучше не использовать виа для высокочастотной передачи тактовых сигналов. Убирайте ненужные площадки на виа, где возможно — они создают емкость параллельных пластин.

Если нулевое количество виа невозможно — проектируйте для снижения индуктивности и емкости. Маленькие виа — меньшая емкость. Большой диаметр и короткая длина — меньшая индуктивность. Держите значения паразитных параметров низкими для избежания вредных эффектов.

Нужны услуги производства высокочастотных печатных плат? Свяжитесь с нами — предоставим технологии, материалы и качественный сервис. Мы в одном письме. Контактируйте сейчас за советом!