Как максимально эффективно использовать технологию сквозных отверстий (THT) при проектировании высокоскоростных печатных плат

В настоящее время проектирование высокоскоростных печатных плат широко применяется во многих областях, таких как телекоммуникации, компьютеры, обработка графиков и изображений, и все высокотехнологичные продукты с добавленной стоимостью рассчитаны на низкое энергопотребление, низкое электромагнитное излучение, высокую надежность, миниатюризацию и легкий вес. масса. Для достижения этих целей разработка и внедрение технологии сквозных отверстий (THT) имеет чрезвычайно важное значение при проектировании высокоскоростных печатных плат.

Технология сквозных отверстий

Сквозное отверстие является одной из основных частей конструкции многослойной печатной платы. Сквозное отверстие состоит из трех частей:переходного отверстия, контактной площадки и изолирующей области плоскости питания, что можно продемонстрировать на следующем изображении. THT получают путем нанесения слоя металла на стенку отверстия способом химического осаждения, так что медная фольга из каждого внутреннего слоя или плоскости печатной платы может быть соединена друг с другом. Две стороны сквозных отверстий генерируются в форме обычной площадки, обе из которых могут быть напрямую связаны с трассировкой на верхнем и нижнем слоях, а также могут оставаться несвязанными. Сквозное отверстие играет роль в электрическом соединении, фиксации и позиционировании компонентов.

Что касается THT, сквозные отверстия обычно подразделяются на сквозные, глухие и заглубленные:
a. Сквозное отверстие проходит через все слои печатной платы, применимо для внутреннего соединения или играет роль позиционирующего отверстия. Поскольку сквозные отверстия доступны в технологии с низкой стоимостью, они широко применяются в большинстве печатных плат.
b. Слепое отверстие относится к отверстию, отвечающему за соединение между поверхностными дорожками и внутренними дорожками под ними на определенной глубине. Соотношение между глубиной переходного отверстия и его диаметром обычно не превышает определенного значения.
c. Скрытые переходные отверстия относятся к соединительным переходным отверстиям, расположенным во внутренних слоях, которые не видны на внешнем виде печатной платы, поскольку они не могут быть расширены до поверхности печатной платы.

Как глухие, так и скрытые переходные отверстия расположены во внутренних слоях печатной платы и создаются до ламинирования.

Паразитная емкость в THT

Сквозные отверстия имеют паразитную емкость относительно земли. Диаметр изоляции через заземление D₂; диаметр сквозной площадки D₁; толщина печатной платы T; диэлектрическая проницаемость материала подложки равна ε. Тогда паразитную емкость сквозных отверстий можно рассчитать по формуле C=1,41εTD₁ /(D₂ -D₁ )

Основное влияние паразитной емкости на схему заключается в увеличении времени нарастания сигналов и снижении скорости работы схемы. Таким образом, чем ниже паразитная емкость, тем лучше.

Паразитная индуктивность в THT

Сквозные отверстия также обладают паразитной индуктивностью. В процессе проектирования высокоскоростных цифровых схем опасности, возникающие из-за паразитной индуктивности, обычно больше, чем из-за паразитной емкости. Паразитная последовательная индуктивность ослабит функции обходной емкости и уменьшит фильтрующий эффект всей энергосистемы. Когда индуктивность сквозного отверстия указана как L, длина сквозного отверстия как h, диаметр переходного отверстия как d, паразитная индуктивность сквозного отверстия может быть рассчитана по формуле L=5,08h[In(4h/d)+1]

Исходя из этой формулы, диаметр сквозного отверстия редко связан с индуктивностью, а самым большим элементом, влияющим на индуктивность, является длина сквозного отверстия.

Не THT (включая глухие переходные отверстия и скрытые переходные отверстия)

Когда дело доходит до не-THT, применение глухих и скрытых переходных отверстий позволяет значительно уменьшить размер и качество печатных плат, включая количество слоев, улучшить электромагнитную совместимость (ЭМС) и минимизировать затраты. Кроме того, задача проектирования станет намного проще. В традиционном процессе проектирования и производства печатных плат сквозные отверстия обычно вызывают множество проблем. Во-первых, на них приходится большая часть полезного пространства. Во-вторых, слишком большая плотность сквозных отверстий затрудняет внутреннюю трассировку печатной платы.

В конструкции печатных плат, несмотря на то, что размер контактных площадок и сквозных отверстий постоянно уменьшается, соотношение сторон будет увеличиваться, когда толщина платы уменьшается непропорционально, а надежность будет снижаться при увеличении соотношения сторон. С развитием технологии лазерного сверления и технологии плазменного сухого травления появилась возможность использовать малые глухие и заглубленные переходные отверстия без THT. При диаметре этих отверстий 0,3 мм паразитные параметры будут в десять раз меньше, чем у традиционных переходных отверстий с повышением надежности печатной платы.

Если не применяется THT, количество больших сквозных отверстий на печатной плате уменьшится, поэтому можно будет оставить больше места для трассировки. Пространство для отдыха можно использовать в качестве экранирования большой площади для улучшения характеристик электромагнитных/радиочастотных помех. Кроме того, большее пространство для отдыха можно также использовать для частичного экранирования внутренних компонентов и ключевых сетевых кабелей, чтобы они могли иметь оптимальные электрические характеристики. Применение не-THT переходных отверстий облегчает проникновение штырьков компонентов, что упрощает трассировку компонентов с высокой плотностью контактов, таких как компоненты BGA (массив шариковых решеток).

Проектирование THT в обычных печатных платах

Паразитная емкость и паразитная индуктивность редко оказывают влияние на сквозные отверстия на этапе проектирования обычной печатной платы. Что касается конструкции печатной платы с количеством слоев от 1 до 4, то сквозные отверстия диаметром 0,36 мм, 0,61 мм или 1,02 мм могут быть выбраны соответственно для переходных отверстий, контактных площадок и изоляционной области в плоскости заземления. Некоторые трассы сигналов с особыми требованиями могут зависеть от сквозных отверстий диаметром 0,41 мм, 0,81 мм и 1,32 мм.

Проектирование THT в высокоскоростных печатных платах

В соответствии с упомянутыми выше паразитными свойствами THT, мы можем видеть, что THT, который выглядит простым, имеет тенденцию приносить большой негативный эффект на проектирование схем при проектировании высокоскоростных печатных плат. Чтобы уменьшить негативный эффект, возникающий из-за паразитического эффекта ТГТ, в качестве справочного материала приводятся следующие советы:
a. Следует подобрать подходящий размер THT. Когда дело доходит до дизайна печатной платы с несколькими слоями и обычной плотностью, THT следует выбирать с параметрами сквозных отверстий, равными 0,25 мм, 0,51 мм и 0,91 мм соответственно для переходных отверстий, площадки и области изоляции. Платы высокой плотности также могут выбирать сквозные отверстия с параметрами 0,20 мм, 0,46 мм и 0,86 мм для переходных отверстий, площадки и области изоляции. Non-THT также является избирательным. Для сквозных отверстий, связанных с питанием или заземлением, можно выбрать сквозные отверстия большого размера, чтобы уменьшить импеданс.
b. Чем больше площадь изоляции в силовой плоскости, тем лучше. Что касается плотности сквозных отверстий, то значение D₁ обычно представляет собой сумму D₂ и 0,41 мм.
c. Оптимально располагать сигнальные трассы не поперек слоев, то есть количество сквозных отверстий должно быть минимальным.
г. Более тонкая печатная плата используется для снижения паразитных параметров.
e. Сквозные отверстия должны располагаться как можно ближе к выводам питания и заземления, а провод между THT и выводами должен быть как можно короче, поскольку это приведет к улучшению индуктивности. Кроме того, провода питания и заземления могут быть максимально толстыми, чтобы уменьшить импеданс.

Конечно, конкретные проблемы должны быть специально проанализированы на этапе проектирования печатной платы. Никогда нельзя избежать двух других аспектов:стоимости и качества сигнала. При проектировании высокоскоростной печатной платы следует учитывать сбалансированность, чтобы обеспечить оптимальное качество сигнала при приемлемой стоимости.

Вас также может заинтересовать:
• Как проектировать глухие/скрытые переходные отверстия в высокоскоростных цифровых схемах
• Следует ли удалять или оставлять нефункциональные контактные площадки в переходных отверстиях высокоскоростной печатной платы?
• Исследование проектирования высокоскоростных печатных плат во встраиваемой прикладной системе
• Как проектировать плоскости изображения для высокоскоростных печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат под ключ от PCBCart