Оптимизация сквозной технологии для высокоскоростных печатных плат: надежность, низкий ЭМИ и экономия энергии

Прямо сейчас высокоскоростное проектирование печатных плат широко применяется во многих областях: телекоммуникации, компьютеры, графика и обработка изображений, и все высокотехнологичные продукты с добавленной стоимостью проектируются в направлении низкого потребления энергии, низкого электромагнитного излучения, высокой надежности, миниатюризации и легкости. Для достижения этих целей проектирование и реализация сквозной технологии (THT) имеют экстремальное значение в высокоскоростном проектировании печатных плат.

Сквозная технология (THT)

Сквозное отверстие — одна из существенных частей для многослойного проектирования печатных плат. Сквозное отверстие состоит из трех частей: виа, площадка и зона изоляции плоскости питания, что можно продемонстрировать на следующем изображении. THT получается путем гальванического наложения слоя металла на стенку отверстия химическим осаждением так, что медная фольга 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 соединены с трассировкой на верхнем и нижнем слоях и могут оставаться несоединенными. Сквозное отверстие играет роль в электрическом соединении, фиксации и позиционировании компонентов.

Что касается THT, сквозные отверстия обычно классифицируются на сквозное виа, слепое виа и зарытое виа:
a. Сквозное виа проходит через все слои печатной платы, применимо для внутреннего взаимосоединения или играет роль позиционирующего отверстия. Поскольку сквозные виа доступны в технологии с низкой стоимостью, они широко применяются большинством печатных плат.
b. Слепое виа относится к отверстию, ответственному за соединение между поверхностными трассами и внутренними трассами ниже с определенной глубиной. Отношение между глубиной виа и диаметром виа обычно не превышает определенного значения.
c. Зарытое виа относится к соединительному виа, расположенному во внутренних слоях, которое не может быть видно из внешнего вида печатной платы, потому что оно не расширяется до поверхности печатной платы.

И слепые виа, и зарытые виа расположены во внутренних слоях печатной платы и генерируются до ламинирования.

Паразитная емкость в THT

Сквозные отверстия имеют паразитную емкость к земле. Диаметр изоляционного виа на плоскости земли — D₂; диаметр площадки сквозного отверстия — D₁; толщина печатной платы — T; диэлектрическая постоянная материала подложки — ε. Тогда паразитная емкость сквозных отверстий может быть рассчитана по формуле C = 1.41εTD₁/(D₂ - D₁).

Главное влияние паразитной емкости на цепь — увеличение времени нарастания сигналов и снижение скорости работы цепи. Таким образом, чем ниже паразитная емкость, тем лучше.

Паразитная индуктивность в THT

Сквозные отверстия также имеют паразитную индуктивность. В процессе проектирования высокоскоростных цифровых цепей опасности, résultающие от паразитной индуктивности, обычно больше, чем от паразитной емкости. Паразитная последовательная индуктивность ослабит функции обходной емкости и снизит фильтрующий эффект всей системы питания. Когда индуктивность сквозного отверстия обозначена как L, длина сквозного отверстия — h, диаметр виа — d, паразитная индуктивность сквозного отверстия может быть вычислена по формуле L = 5.08h[ln(4h/d) + 1].

На основе этой формулы, диаметр сквозного отверстия редко ассоциируется с индуктивностью, а наибольший элемент, влияющий на индуктивность, — длина сквозного отверстия.

Не THT (включает слепые и зарытые виа)

Когда речь идет о не THT, применение слепых и зарытых виа способно резко уменьшить размер и качество печатной платы, включая количество слоев, улучшить электромагнитную совместимость (ЭМС) и минимизировать затраты. Кроме того, задача проектирования станет гораздо легче. В традиционном проектировании печатных плат и производственном процессе сквозные отверстия обычно приносят много проблем. Во-первых, они занимают большую часть эффективного пространства. Во-вторых, слишком высокая плотность сквозных отверстий создает вызов для внутренней трассировки печатной платы.

В проектировании печатных плат, хотя размер площадки и сквозных отверстий постоянно уменьшается, соотношение сторон возрастет, когда толщина платы уменьшается непропорционально, и надежность снизится при увеличении соотношения сторон. Со зрелостью лазерной сверловки и плазменного сухого травления, не-THT малые слепые виа и зарытые виа стали другой возможностью. Когда диаметр этих отверстий 0.3 мм, паразитные параметры будут одной десятой от традиционных виа с повышением надежности печатной платы.

С применением не-THT количество больших сквозных отверстий уменьшится на печатной плате, поэтому больше места можно оставить для трассировки. Оставшееся пространство может использоваться как массивная экранирующая площадь для улучшения характеристик ЭМИ/РФИ. Кроме того, больше оставшегося пространства может использоваться как частичная экранировка для внутренних компонентов и ключевых сетевых кабелей, чтобы они имели оптимальную электрическую производительность. Применение не-THT виа делает легче для выводов компонентов проникать сквозь, так что трассировка может быть легче для высокоплотных выводных компонентов, таких как BGA (ball grid array) компоненты.

THT дизайн в обычных печатных платах

Паразитная емкость и паразитная индуктивность редко влияют на сквозные отверстия в фазе проектирования обычных печатных плат. Что касается 1-4 слоев проектирования печатных плат, сквозные отверстия с диаметрами 0.36 мм, 0.61 мм или 1.02 мм могут быть выбраны соответственно для виа, площадки и зоны изоляции в плоскости земли. Некоторые сигнальные трассы с особыми требованиями могут полагаться на сквозные отверстия с диаметрами 0.41 мм, 0.81 мм и 1.32 мм.

THT дизайн в высокоскоростных печатных платах

В соответствии с паразитными свойствами THT, упомянутыми выше, мы видим, что THT, выглядящий просто, склонен приносить большой негативный эффект в проектировании цепей в высокоскоростном проектировании печатных плат. Для снижения плохого эффекта, производного от паразитного эффекта THT, следующие советы предоставлены как референс:
a. Должен быть выбран подходящий размер THT. Когда речь идет о проектировании печатных плат с множественными слоями и обычной плотностью, THT должен быть выбран с параметрами сквозного отверстия 0.25 мм, 0.51 мм и 0.91 мм соответственно для виа, площадки и зоны изоляции. Высокоплотные печатные платы также могут выбирать сквозные отверстия с параметрами 0.20 мм, 0.46 мм и 0.86 мм для виа, площадки и зоны изоляции. Не-THT также выбираем. Для сквозных отверстий, касающихся питания или заземления, можно выбирать крупногабаритные сквозные отверстия для снижения импеданса.
b. Чем больше зона изоляции в плоскости питания, тем лучше. Что касается плотности сквозных отверстий, значение D₁ обычно является суммой D₂ и 0.41 мм.
c. Оптимально размещать сигнальные трассы не через слои, то есть количество сквозных отверстий должно быть минимизировано.
d. Тонкая печатная плата используется для благоприятного уменьшения паразитных параметров.
e. Сквозные отверстия должны быть размещены максимально близко к выводам питания и заземления, и проводник между THT и выводами должен быть максимально коротким, потому что они приведут к улучшению индуктивности. Кроме того, выводы питания и заземления могут быть максимально толстыми для снижения импеданса.

Конечно, конкретные проблемы должны быть конкретно проанализированы в фазе проектирования печатных плат. Два других аспекта никогда не могут быть избегнуты: стоимость и качество сигнала. Сбалансированные соображения должны быть приняты в высокоскоростном проектировании печатных плат для захвата оптимального качества сигнала с приемлемой стоимостью.

Вы также можете быть заинтересованы:
• Как проектировать слепые/зарытые виа в высокоскоростных цифровых цепях
• Должны ли не-функциональные площадки быть удалены или сохранены в виа высокоскоростных печатных плат
• Исследование высокоскоростного проектирования печатных плат во встроенных прикладных системах
• Как проектировать образные плоскости для высокоскоростных печатных плат
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart
• Продвинутый turnkey сервис сборки печатных плат от PCBCart