Multilayer imprimió circuitos (PCB) son la columna vertebral de prácticamente todos los dispositivos electrónicos modernos, desde teléfonos inteligentes y portátiles hasta equipos médicos y sistemas aeroespaciales. Mientras las frecuencias operativas aumentan y aumentan las densidades de componentes, mantener la integridad de la señal limpia a través de estas interconexiones complejas se convierte en un reto primordial.

Comprender las vias en PCB multicapa

Los vias son estructuras esenciales que permiten que las señales eléctricas viajen de una capa de PCB a otra. En una tabla multicapa, que puede contener cuatro, seis, diez o más capas de cobre, a través de las conexiones simples de agujeros utilizados en diseños más simples. La construcción física de una vía normalmente consiste en un agujero perforado chapado con cobre, junto con anillos anulares (pads) en cada capa conectada y una antipantalla

Tipos de Vía Común

Los ingenieros pueden elegir entre varios mediante estructuras dependiendo de la complejidad, las limitaciones de coste y los requisitos de velocidad de señal:

  • Los vias de agujeros de tres dimensiones se extienden a través del espesor de la tabla, conectando todas las capas. Mientras más simples de fabricar, crean largos obstáculos y gran capacitancia parasitaria, haciéndolos menos adecuados para señales de alta frecuencia.
  • Los vias inclinados conectan una capa exterior a una o más capas interiores sin pasar por toda la tabla. Reducen la longitud del tono y mejoran la calidad de la señal, pero requieren procesos de fabricación más complejos.
  • Los vias depurados] existen completamente dentro de las capas interiores, invisibles de la superficie de la tabla. Son excelentes para las señales de routing densas y de alta velocidad porque minimizan la interferencia con los componentes de capa externa, pero añaden coste de fabricación.
  • Microvias] son muy pequeñas vias (normalmente menos de 150 μm de diámetro) que se forman a menudo por perforación láser. Se utilizan en diseños de interconexión de alta densidad y ofrecen una mínima inductancia y capacitancia parasitaria, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta frecuencia.

Via Construcción y Materiales

El material conductivo en vias es casi siempre cobre, aplicado a través de la placa electrónica seguida de electroplado. El espesor del revestimiento (típicamente 1–2 onzas por pie cuadrado) afecta tanto la capacidad de carga actual como la resistencia a la alta frecuencia.El material dieléctrico alrededor de la vía – generalmente FR-4, poliimido, o especialidad de baja pérdida de materiales – influencias de la clasificación

Efectos parasitarios introducidos por vias

Cada vía se comporta como un pequeño elemento de circuito no deseado —principalmente una combinación de inductancia de serie y capacitancia de recortada. Estos efectos parasitarios se vuelven problemáticos cuando los tiempos de aumento de señales son cortos (número de alta velocidad) o cuando la frecuencia de señal supera varios cientos de megahercios. Entendiendo la magnitud de estas parasitarias es el primer paso para controlarlos.

Via Inductance

La inductancia de un via se deriva del área de la bobina formada por el barril, el camino de la corriente de retorno y las conexiones de avión interna. Un agujero típico puede tener una inductancia en el orden de 0,5 a 2 nanotenries, dependiendo de su altura y diámetro. Este componente inductivo causa un impacto de impedancia que refleja señales, aumenta el tiempo de aumento y puede producir dropa de tensión en las redes de distribución de energía.

Via Capacitance

El diámetro de la señalización es dilatado, el diámetro de la señalización es inferior, y el dLT es un dpacance de la señal de alta densidad, y el dLT es un dp de mayor diámetro, y el dLT es un dp de mayor tamaño.

El impacto de Via Stubs

Un esquema de extracción de los tubos es la parte no utilizada de un agujero a través de que se extiende más allá de la capa donde las transiciones de señal. Este stub actúa como un punto de transmisión de circuito abierto, causando reflexiones a frecuencias donde la longitud del stub equivale a una longitud de onda trimestral.

Integridad de la señal Desafíos Cautilizados por Vias

La inductancia parasitaria y la capacitancia de vias se manifiestan como problemas de integridad de señal concreto que pueden descarrilar el rendimiento de un diseño. Los ingenieros deben reconocer cómo estos problemas aparecen en simulaciones y mediciones.

Reflexiones de señalización y descontinuidades de impedancia

La integridad de la señal se basa en la impedancia controlada a lo largo de todo el camino del conductor al receptor. Cuando un via interrumpe la línea de transmisión - cambiar su geometría transversal - la impedancia instantánea en ese punto difiere del impedancia de traza. Este desajuste de impedancia causa una reflexión parcial de la energía de la señal, que se propaga hacia la fuente y puede causar anillo, superación o falso disparado por medio de diseño.

Crosstalk Entre Vías

Los vias colocados juntos pueden combinar energía a través de la inductancia y la capacitancia mutuas, especialmente si llevan señales de alta velocidad o de alta velocidad. El crosstalk de extremo cercano y extremo entre vias puede superar que entre trazas paralelas debido a la naturaleza tridimensional del acoplamiento. En diseños densos, vias para diferentes redes pueden compartir la misma limpieza antipad, aumentando las tramas transversales.

Interferencia electromagnética (EMI)

Los vias pueden actuar como antenas involuntarias, radiando energía electromagnética. El bucle formado por la señal vía y su vía de retorno más cercana (normalmente un terreno vía o capacitancia a un plano adyacente) crea una pequeña antena de bucle. La eficiencia de la radiación aumenta con el área de bucle y la frecuencia de la señal.

Estrategias de diseño para minimizar los problemas de señalización inducidos por Via‐

Con un sólido entendimiento de los problemas, los ingenieros pueden implementar técnicas comprobadas para preservar la integridad de la señal a través de interconexiones multicapa. Las siguientes estrategias abordan a través de geometría, colocación y opciones de fabricación avanzadas.

Optimización de la geometría

Las dimensiones de un a través de un diametro, tamaño de la almohadilla y antipadamiento controlan directamente su parasitario L y C. Un buen punto de partida es utilizar el más pequeño a través del diámetro que el fabricante puede producir de forma fiable, ya que los vias más pequeños generalmente tienen menor capacitancia (aunque la inductancia puede aumentar ligeramente).

Via Placement and Routing

La colocación estratégica de vias puede reducir significativamente la degradación de la señal. Evite colocar vias cerca de los bordes de las tablas o cerca de otros trazos de alta velocidad. Siempre que sea posible, inserte un terreno a través de adyacente a cada señal a través de proporcionar una vía de retorno de baja-inductancia; esto es especialmente eficaz cuando se transfiere señales entre capas.

Retrocede y reducción de trazos a través de

Para los diseños que operan por encima de 1 GHz, se requiere el retroceso (también llamado perforación a fondo controlada). El proceso utiliza un brote más grande para eliminar el barril de cobre no utilizado de la vía stub, dejando sólo la porción necesaria para la vía de señal real. La marcha atrás reduce la resonancia de la punción y mejora la pérdida de la insección de la ceguera eliminando la carga capacitiva y inductiva del stubLT.

Técnicas de puesta en marcha y de escudo

Los viales terrestres juegan un doble papel: abren los planos de tierra para mantener una referencia de bajo impacto y protegen los viales de señal unos a otros. Colocar un anillo de tierra a través de una señal de alta velocidad (una vía de defensa o coaxial a través de la estructura) puede reducir el ruido cruzado y el EMI. El espaciamiento entre los viales terrestres debe ser inferior a λ/20 a la mayor frecuencia de interés para actuar como una barrera efectiva.

Avanzado Vía Estructuras

Cuando la densidad y el rendimiento demandan más, los ingenieros pueden emplear avanzadas a través de tecnologías. Microvias (últimos vias con diámetros ≤ 0.15 mm) ofrecen los parasitarios más pequeños y son apilados o estancados en diseños de HDI. Via‐in-pad (VIP) coloca una vía directamente dentro de la plataforma de soldadura de un componente, reduciendo la longitud de routing y la inductancia al dispositivo emergente.

Simulación y verificación de la vía de rendimiento

Incluso las mejores reglas de diseño no pueden garantizar la integridad de la señal para diseños novedosos o extremos. Las herramientas de simulación permiten a los ingenieros modelar vias en 3D, extraer S-parameters y visualizar efectos antes de la fabricación.

Herramientas de simulación electromagnética 3D

Software como Ansys HFSS, CST Studio Suite, o Keysight ADS puede crear un modelo de onda completa de una vía de transición. El modelo incluye el via barril, almohadillas, antipados, planos adyacentes y el apilamiento dieléctrico. Estas herramientas computan el perfil de impedancia, pérdida de inserción, pérdida de retorno y cruce de un amplio rango de frecuencia.

Medición de la pérdida de la impedancia y la inserción

Más allá de la simulación, la verificación física es importante. La reflectometría de dominio temporal (TDR) puede medir la impedancia de una línea de transmisión en resolución picosecond, revelando discontinuidades. Las mediciones de dominio de frecuencia utilizando un analizador de red vectorial (VNA) proporcionan parámetros S que cuantifican la pérdida de inserción y la pérdida de rendimiento.

Conclusión

El diseño no es un resultado en el desarrollo multicapa PCB; es un factor primario para determinar si un diseño funcionará de forma fiable a altas velocidades. La inductancia parasitaria y la capacitancia de los vias introducen reflexiones, crosstalk y EMI que pueden dañar las señales y aumentar las tasas de error.