En el diseño moderno de la placa de circuito impreso (PCB), los vias son los héroes no escaneos que permiten la interconexión de múltiples capas. Estas pequeñas vías conductivas permiten que las señales viajen entre diferentes capas, haciendo que los circuitos densos y de alto rendimiento sean posibles. Sin embargo, el tamaño y tipo de vias influyen directamente en dos aspectos críticos, a menudo competidores: integridad de la fabricación.

Tipos de Vias en PCB Design

Los vias se clasifican por su profundidad en relación con las capas de tablero y por el método de perforación utilizado. Cada tipo presenta ventajas y limitaciones distintas en términos de integridad de señal, fabricación y costo. Las secciones siguientes examinan los tipos más comunes encontrados en los diseños PCB contemporáneos.

Vias a través de la casa

A través de los vias de agujero (THVs) son los caballos de trabajo tradicionales de la fabricación PCB. Se extienden completamente a través de la tabla, desde la capa superior a la capa inferior, y se forman típicamente mediante perforación mecánica seguido de la placa de cobre sin electros. Los THV son simples de fabricación y rentable para los diseños de baja densidad. Sin embargo, consumen valioso espacio de perforación en cada capa y crean agujeros largos que pueden causar reflejos de señalización digital.

Blind Vias

Los vias inclinados conectan una capa exterior a una o más capas interiores sin pasar por toda la tabla. Se forman mediante laminación secuencial: las capas internas se apretan juntas, luego se perforan y se encuadran antes de que las capas exteriores siguientes sean laminadas. Este proceso permite la transición entre capas adyacentes con una trayectoria mucho más corta que una vía a través de agujeros.

Vias enterrados

Los vias enterrados están completamente encerrados en las capas interiores de un PCB multicapa. Son invisibles de las superficies exteriores y se fabrican con laminación secuencial, similar a los vias ciegos. Los vias enterrados son ideales para conectar las capas de potencia interna y de señal sin afectar el área de enrutamiento exterior. Debido a que no tienen problemas y son blindados por los planos circundantes, ofrecen una excelente integridad de señal para la secuencia elevada.

Micro Vias

Los micro viales son muy pequeños, normalmente con diámetros inferiores a 0.15 mm (150 μm), y se crean mediante perforación láser en lugar de trocitos mecánicos. Son una piedra angular de la tecnología HDI, permitiendo el ventilador de componentes de punta fina y la velocidad de routización ultra-densa. Micro vias pueden ser apilados o estancados para crear interconexiones verticales que son significativamente más cortos que cualquier otro tipo.

Impacto de las dimensiones de la vía en la integridad de la señal

Las dimensiones físicas de una vía afectan directamente a su parasitaria eléctrica, la capacitancia, la inductancia y la resistencia no deseadas que alteran el comportamiento de la señal. A medida que las frecuencias se elevan en la gama de gigahercios, incluso pequeñas a través de estructuras pueden introducir discontinuidades, reflexiones y pérdidas de impedancia. Entender estos efectos es esencial para diseñar PCBs de alto rendimiento.

Concitación parasitaria

Cuando un via pasa a través de un plano de referencia (como una capa de tierra o de potencia), una capacitancia parasitaria se forma entre el barril y el plano. La magnitud de esta capacitancia es proporcional al diámetro y el espesor de la dielectrica entre el via y el plano. Los viales más grandes de agujero presentan una mayor capacitancia paras, que puede frenar los tiempos de aumento de señal y la impedancia degradan la condensación.

Inductancia parasitaria

Cada vía introduce una inductancia de serie que aumenta con la longitud y disminuye con el diámetro. Una señal de alta frecuencia ve esta inductancia como un empuje de impedancia, causando reflexiones y limitando el ancho de banda. El camino de retorno a través de la vía también importa: vias de tierra mal colocados pueden crear grandes inductancias de flujo que exacerban la interferencia electromagnética (EMI).

Continuidad de la impedancia y Sendero de Retorno

La integridad de la señal depende en gran medida de mantener una impedancia característica constante a lo largo de la ruta de la señal. Cuando una señal pasa de un rastro en una capa a un rastro en otra vía, la impedancia cambia típicamente en la estructura. La discontinuidad es más grande para los viales de agujeros que tienen un barril largo y un tono.

Consideraciones de integridad de la señal en detalle

Más allá de la parasitaria básica, varios otros factores influyen en cómo los vias afectan la calidad de la señal.Estos incluyen la gestión de los problemas, el uso de las vallas para el aislamiento, y la interacción entre vias y pares diferenciales.

Via Stub Management

El tono —la parte no utilizada de un agujero a través de más allá de la conexión objetivo— actúa como una estructura resonante de cuarta longitud en ciertas frecuencias. Sobre esa frecuencia resonante, el tono puede reflejar energía sustancial hacia la fuente, causando musculos en la pérdida de inserción y corrompiendo la señal. El retroceso es una técnica común de mitigación de costos: después de que el PCB esté empapado, una operación de perforación secundaria elimina el lado de la tapa.

Via Fences and Grounding

En diseños de señal mixta o RF, vias colocadas alrededor del perímetro de circuitos críticos (por ejemplo, una isla de potencia filtrada o un rastro de alta frecuencia) actúan como una cerca para contener campos electromagnéticos. Estos viales consisten en múltiples vias terrestres espaciadas a intervalos más cortos que un tercio de la longitud de onda de interés. La densidad y colocación adecuada de estos vias son esenciales para el aislamiento cruzado.

Vías de par diferencial

Para señales diferenciales de alta velocidad como USB, HDMI o PCI Express, los dos vias que llevan el par diferencial deben ser emparejados en longitud e impedancia para evitar la conversión de musgo y de modo común. Esto a menudo requiere el uso de vias ajustados, a menudo con un terreno situado cerca del par para mejorar la simetría de la ruta de retorno. Micro vias son especialmente bien adaptados para pares diferenciales porque su tamaño pequeño.

Costos de fabricación y tamaños de Via

El costo de fabricación es una limitación primaria en la producción de PCB, y la geometría es uno de los factores más influyentes. Los controladores de costes incluyen el método de perforación, la complejidad de la placa, la pérdida de rendimiento y los desechos materiales. Entender estos controladores ayuda a los diseñadores a tomar decisiones informadas a principios del proceso de distribución.

Métodos de perforación

La perforación mecánica es eficaz por medio de diámetros superiores a unos 0,2 mm. Es rápida, bien comprendida y relativamente barata sobre una base de per-hole, especialmente para volúmenes altos. Sin embargo, como los diámetros se reducen por debajo de 0,2 mm, los bits mecánicos se vuelven demasiado frágiles y se agotan rápidamente. Debajo de este umbral, la perforación láser se vuelve más lenta y requiere equipo especializado, aumentando el costo por factor de platina.

Relación de Aspect y Plating

La relación de aspecto de una vía -la relación de espesor de la tabla con diámetro del agujero- determina la dificultad de la deposición de cobre electromeno uniforme. Para los vias de agujero, las proporciones de aspecto superiores a 10:1 son desafiantes; el cobre no puede planchar uniformemente a través del agujero, lo que conduce a las grietas o interconexiones débiles. Para micro vias, la relación de aspecto se mantiene generalmente por debajo de 1:1 porque la vía es corta y la llenura es del coste del dielectrónico.

Tasas de rendimiento y defecto

Los vias más pequeños son más susceptibles a defectos como el encofrado incompleto, la inregistración y los escombros. Los vias enterrados, siendo internos, no pueden ser inspeccionados visualmente, por lo que cualquier defecto en la capa interna de laminación puede raspar toda la tabla más adelante en el proceso. La complejidad agregada de la laminación secuencial y los ciclos de perforación múltiples reduce el rendimiento.

Economías y estrategias de optimización

La relación entre tipo y coste no es lineal; depende del recuento de capas de la junta, la densidad general y los requisitos de rendimiento. Un cuidadoso análisis de compensación puede identificar la más económica a través de la estrategia que aún cumple con los objetivos de integridad de la señal.

Comparación de costos via

Los vias de agujero son la base de referencia, añaden un coste mínimo por agujero más allá del proceso de fabricación estándar. Los vias inclinados aumentan el costo aproximadamente 10-20% sobre un diseño de agujeros comparables, principalmente debido a los ciclos de laminación extra. Los vias enterrados son aún más caros, a menudo agregan 30–50% al costo de la junta porque requieren múltiples secuencias de laminación y tolerancias más estrechas.

Diseño para las Reglas de Fabricación (DFM)

Para controlar los costos, los diseñadores deben seguir las pautas establecidas de DFM. Por ejemplo, mantener todos los viales de 0,3 mm permite la perforación mecánica, evitando los costos del láser. Limitar el uso de vias ciegos o enterrados a sólo aquellas capas donde son absolutamente necesarias puede reducir los pasos de laminación secuencial. Al utilizar micro vias, restringir los diámetros muy pequeños a sólo las capas más externas y utilizar las bibliotecas estándar para los archivos de balance interno pueden ofrecer rendimiento.

Consideraciones materiales y de determinación

El costo de la fabricación también se ve afectado por el material de sustrato elegido. Standard FR-4 es fácil de perforar y plancha. Materiales de alto rendimiento como laminados de baja pérdida o materiales basados en PTFE requieren perforación más lenta y más cuidadoso, aumentando los costos relacionados con la placa. Además, el uso de láminas de cobre más gruesas aumenta el desafío de relación de aspecto para pequeñas vias. Una estrategia rentable es restringir el uso estándar FR-4 para la mayor parte de la tabla costosa

Guía práctica para la selección de via

No es un solo tipo de uso es óptimo para todos los diseños. La mejor opción depende de la frecuencia de señal de la aplicación, el recuento de capas, la densidad requerida y el presupuesto. Para diseños de baja velocidad y costos sensibles con menos de ocho capas, los viales de agujero son generalmente suficientes. Para aplicaciones de gama media de hasta 1-3 GHz, la adición de algunas vias ciegas puede mejorar la integridad de la señal sin un costo excesivo.

Elegir el tamaño y tipo adecuados es crucial para optimizar el rendimiento de PCB al gestionar los costos de fabricación. Aplicaciones de alta densidad y alta frecuencia suelen justificar los costos más altos de micro vias, mientras que diseños más simples pueden usar vias más grandes, a través de agujeros para ahorrar dinero. Al entender la física de la propagación de señales y las realidades de fabricación, los ingenieros pueden tomar decisiones informadas que equilibran la integridad de la señal con restricciones presupuestarias.

Para más información sobre el diseño y la integridad de la señal, consulte el documento "Href="https://www.ipc.org/" rel="nofollow" target=" blank" normas de usuario IPC "(a) para el diseño y la fabricación de PCB, en particular IPC-2141 para la impedancia controlada.