Влияние с помощью размеров и типов на целостность сигналов и производственные затраты в дизайне Pcb

В современной конструкции печатной платы (PCB) с помощью электронных плат являются невоспетыми героями, которые обеспечивают многослойное соединение. Эти крошечные проводящие пути позволяют сигналам перемещаться между различными слоями, делая возможными плотные высокопроизводительные схемы. Однако размер и тип с помощью напрямую влияют на два критических, часто конкурирующих, аспекта: целостность сигнала и стоимость производства. Инженеры должны ориентироваться в сложном компромиссе: меньшие, более сложные с помощью могут сохранить качество сигнала на высоких частотах, но увеличить расходы на изготовление, в то время как более крупные, более простые с помощью поддерживают низкие затраты, но могут ухудшить производительность. В этой статье исследуется, как с помощью размеров и конструкции влияют на электрическое поведение и производственные бюджеты, предлагая практическое руководство для оптимизации обоих.

Виды Vias в дизайне PCB

Виас классифицируются по их глубине относительно слоев платы и используемого метода бурения. Каждый тип представляет различные преимущества и ограничения с точки зрения целостности сигнала, технологичности и стоимости. В следующих разделах рассматриваются наиболее распространенные типы, встречающиеся в современных макетах ПХБ.

Сквозные мозоли

Сквозные отверстия (THV) являются традиционными рабочими лошадками изготовления ПХД. Они полностью проходят через доску, от верхнего слоя до нижнего слоя, и обычно образуются путем механического сверления с последующим безэлектронным медным покрытием. THV просты в изготовлении и экономически эффективны для конструкций с низкой плотностью. Однако они потребляют ценное пространство маршрутизации на каждом слое и создают длинные заглушки, которые могут вызывать отражения сигнала на высоких частотах. В высокоскоростных цифровых или радиочастотных схемах неиспользуемая часть сквозной скважины через (заглушку) действует как емкостная нагрузка и может резонировать, ухудшая сигнал. Для смягчения этого дизайнеры часто используют обратное бурение для удаления заглушки, что добавляет вторичный этап производства и увеличивает стоимость.

Слепые виазы

Слепые сквозняки соединяют внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями без прохождения через всю доску. Они образуются с помощью последовательной ламинации: внутренние слои сжимаются вместе, затем просверливаются и покрываются до того, как будут ламинированы следующие внешние слои. Этот процесс позволяет сигналам переходить между соседними слоями с гораздо более коротким путем, чем через отверстие. Слепые сквозняки уменьшают длину заглушки, улучшают целостность сигнала и освобождают пространство маршрутизации на противоположных слоях. Они распространены в конструкциях с высокой плотностью межсоединения (HDI), но требуют точной регистрации и нескольких циклов ламинирования, повышая сложность производства и стоимость.

Погребенные виасы

Похороненные сквозняки полностью заключены во внутренние слои многослойной ПХБ. Они невидимы с внешних поверхностей и изготовлены с последовательной ламинированием, похожи на слепые сквозняки. Погребенные сквозняки идеально подходят для подключения внутренних силовых и сигнальных слоев без воздействия на внешнюю область маршрутизации. Поскольку у них нет заглушки и экранированы окружающими плоскостями, они обеспечивают отличную целостность сигнала для высокочастотных сигналов. Однако последовательный процесс ламинирования делает погребенные сквозняки более дорогими, чем сквозные сквозняки, и выход может быть ниже из-за дополнительных этапов обработки. Они обычно зарезервированы для сложных, высоконадежных конструкций.

Микро-Виа

Микро-схемы очень маленькие, обычно диаметром менее 0,15 мм (150 мкм), и создаются с использованием лазерного сверления, а не механических битов. Они являются краеугольным камнем технологии HDI, позволяя тонкого компонента вентиляции и сверхплотной маршрутизации. Микро-схемы могут быть уложены или пошаговые для создания вертикальных соединений, которые значительно короче, чем любой другой тип с помощью. Их небольшой размер минимизирует паразитную емкость и индуктивность, что делает их идеальными для высокоскоростных цифровых и радиочастотных приложений в миллиметровом диапазоне волн. компромисс заключается в том, что лазерное сверление медленнее и дороже на отверстие, чем механическое сверление, и процесс обшивки должен точно контролироваться для обеспечения надежного наполнения и электрической непрерывности.

Влияние Via Sizes на целостность сигнала

Физические размеры с помощью непосредственно влияют на его электрические паразиты - непреднамеренную емкость, индуктивность и сопротивление, которые изменяют поведение сигнала. По мере того, как частоты поднимаются в гигагерцовый диапазон, даже небольшие с помощью структур могут вводить разрывы импеданса, отражения и потери. Понимание этих эффектов имеет важное значение для проектирования высокопроизводительных ПХД.

Паразитическая способность

Когда сквозная проходимость проходит через плоскость отсчета (например, грунт или силовой слой), между бочками и плоскостью образуется паразитическая емкость. Величина этой емкости пропорциональна диаметру сквозной и толщине диэлектрика между сквозной и плоской. Более крупные сквозные отверстия демонстрируют более высокую паразитную емкость, которая может замедлить время подъема сигнала и ухудшить соответствие импеданса. Микросхемы, с их крошечным диаметром и короткой длиной заглушки, резко уменьшают эту емкость, сохраняя верность сигнала.

Паразитическая индуктивность

Каждый с помощью вводит ряд индуктивности, который увеличивается с помощью длины и уменьшается с помощью диаметра. Высокочастотный сигнал видит эту индуктивность как скачок импеданса, вызывающий отражения и ограничивающий пропускную способность. Обратный ток через с помощью также имеет значение: плохо расположенные наземные с помощью могут создавать большие петлевые индуктивности, которые усиливают электромагнитные помехи (EMI). Использование нескольких параллельных с помощью может уменьшить эффективную индуктивность, но меньшие с помощью обычно обеспечивают более низкую индуктивность на единицу длины, чем большие, потому что площадь поперечного сечения для потока тока более благоприятна.

Непрерывность импеданса и путь возвращения

Целостность сигнала сильно зависит от поддержания последовательного характеристического импеданса на всем пути сигнала. Когда сигнал переходит от следа на одном слое к следу на другом через сквозную структуру, импеданс обычно изменяется на сквозной структуре. Прерывность наиболее велика для сквозных проходов, которые имеют длинный ствол и заглушку. Слепые и заглушенные проходы, будучи короче, вызывают меньшее несоответствие импеданса. Для высокоскоростных конструкций инженеры используют инструменты моделирования импеданса для проектирования через антипапки (отверстия зазора в плоскостях отсчета) и для соответствия сквозной геометрии целевому импедансу.

Подробнее о Значение целостности сигнала

Помимо основных паразитов, на качество сигнала влияют и другие факторы, в том числе управление с помощью заглушек, использование с помощью заборов для изоляции и взаимодействие между с помощью и дифференциальными парами.

С помощью Stub Management

Заглушка — неиспользованная часть сквозного отверстия за пределами целевого соединения — действует как резонансная структура четверти длины на определенных частотах. Над этой резонансной частотой заглушка может отражать значительную энергию обратно к источнику, вызывая выемки в потере вставки и повреждая сигнал. Заднее бурение является распространенным методом смягчения: после того, как ПХБ покрыта, вторичная операция бурения удаляет заглушку с нижней стороны. Однако засверливание требует точного контроля глубины и добавляет стоимость. Альтернативой является использование слепых или заглубленных сквозняков, которые эффективно устраняют заглушки.

Сквозь заборы и заземление

В конструкциях со смешанными сигналами или радиочастотными сигналами, прокладки, расположенные по периметру критических цепей (например, фильтрованный остров мощности или высокочастотный след), действуют как забор, содержащий электромагнитные поля. Они через заборы состоят из нескольких прокладок, расположенных с интервалами, меньшими, чем одна двадцатая от интересующей длины волны. Правильная плотность и размещение этих прокладок необходимы для предотвращения перекрестных помех и поддержания изоляции.

Дифференциальные парные виасы

Для высокоскоростных дифференциальных сигналов, таких как USB, HDMI или PCI Express, две связки, которые несут дифференциальную пару, должны быть сопоставлены по длине и импедансу, чтобы избежать перекоса и конверсии в обычном режиме. Это часто требует использования плотно разнесенных с помощью, часто с землей, размещенной рядом с парой, чтобы улучшить симметрию пути возврата. Микро с помощью особенно хорошо подходят для дифференциальных пар, потому что их небольшой размер позволяет более плотное соединение и более короткие длины перехода.

Затраты на производство и размеры

Издержки производства являются основным ограничением в производстве ПХД, и с помощью геометрии является одним из наиболее влиятельных факторов. К затратам относятся метод бурения, сложность покрытия, потеря урожайности и отходы материалов. Понимание этих драйверов помогает дизайнерам принимать обоснованные решения на ранних этапах процесса компоновки.

Методы бурения

Механическое бурение эффективно при диаметрах выше 0,2 мм. Быстрое, хорошо понимаемое и относительно недорогое на основе отверстия, особенно при больших объемах. Однако, поскольку диаметры сквозняков сжимаются ниже 0,2 мм, механические биты становятся слишком хрупкими и быстро изнашиваются. Ниже этого порога становится необходимым лазерное бурение. Лазерное бурение медленнее и требует специализированного оборудования, увеличивая стоимость на отверстие в 2-5 раз. Кроме того, лазерные буровые сквозняки часто требуют последующей десмаревки и последовательности покрытия, что добавляет дальнейшие этапы обработки.

Соотношение сторон и посадка

Соотношение сторон сквозного отверстия - отношение толщины платы к диаметру отверстия - определяет сложность равномерного осаждения безэлектронной меди. Для сквозных отверстий соотношение сторон выше 10:1 является сложным; медь не может равномерно проходить через отверстие, что приводит к пустотам или слабым межсоединениям. Для микро-схем соотношение сторон обычно держится ниже 1:1, потому что сквозное отношение является коротким, а диэлектрик тонким. Покрытие микро-схем часто требует цикла заполнения, чтобы они не были полыми, что увеличивает стоимость, но повышает надежность. Высокое соотношение сторон также увеличивает риск трещины ствола во время теплового цикла.

Доходность и дефектные ставки

Меньшие сквозняки более подвержены дефектам, таким как неполная пошивка, неправильное оформление и обломки. Погребённые сквозняки, будучи внутренними, визуально не могут быть проверены, поэтому любой дефект ламинирования внутреннего слоя может впоследствии в процессе сломать всю доску. Добавленная сложность последовательного ламинирования и множественных циклов бурения снижает урожайность. Для поддержания приемлемых урожаев производители часто навязывают правила проектирования, ограничивающие количество типов сквозняков, минимальный диаметр по толщине доски и общее количество слоёв. Игнорирование этих правил может привести к крутым премиям за стоимость или прямой неосуществимости.

Стратегии компромиссов и оптимизации затрат

Взаимосвязь между типом и стоимостью не является линейной; она зависит от количества слоев платы, общей плотности и требований к производительности.Тщательный анализ компромиссов может определить наиболее экономичную стратегию, которая все еще отвечает целям целостности сигнала.

Сравнение затрат Via

Сквозные отверстия являются исходным уровнем - они добавляют минимальную стоимость за отверстие за пределами стандартного процесса изготовления. Слепые сквозные отверстия увеличивают стоимость примерно на 10-20% по сравнению с сопоставимой конструкцией сквозного отверстия, в основном из-за дополнительных циклов ламинирования. Погребенные сквозные отверстия еще дороже, часто добавляя 30-50% к стоимости платы, потому что они требуют нескольких последовательностей ламинирования и более жестких допусков. Микро-схемы при использовании в структурах HDI могут удвоить или утроить стоимость квадратного сантиметра по сравнению со стандартным дизайном сквозного отверстия, хотя разрыв в стоимости сужается по мере увеличения объема.

Правила проектирования для производства (DFM)

Для контроля затрат конструкторы должны следовать установленным рекомендациям DFM. Например, сохранение всех прорезей выше 0,3 мм позволяет механическое сверление, избегая затрат на лазер. Ограничение использования слепых или закопанных прокладок только теми слоями, где они абсолютно необходимы, может уменьшить последовательные шаги ламинирования. При использовании микропропусков, ограничение очень маленьких диаметров только самыми внешними слоями и использование стандартных прокладок для внутренних слоев может сбалансировать производительность с затратами. Многие производители предлагают через библиотечные файлы, которые перечисляют самые дешевые через конфигурации для данной стекап платы.

Материалы и стекать соображения

На стоимость изготовления также влияет выбранный материал подложки. Стандарт FR-4 прост в бурении и нанесении пластин. Высокопроизводительные материалы, такие как ламинаты с низкими потерями или материалы на основе PTFE, требуют более медленного сверления и более тщательного покрытия, увеличивая связанные с этим затраты. Кроме того, использование более толстых медных фольг увеличивает проблему соотношения сторон для небольших слоёв. Экономически эффективной стратегией является использование стандарта FR-4 для основной части платы и ограничение дорогих материалов только высокочастотными сигнальными слоями.

Практические рекомендации по выбору

Для всех конструкций оптимальным является не один тип сквозного сигнала. Лучший выбор зависит от частоты сигнала приложения, количества слоев, требуемой плотности и бюджета. Для низкоскоростных, чувствительных к затратам конструкций с менее чем восемью слоями обычно достаточно сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных сквозных ск

Выбор подходящего размера и типа имеет решающее значение для оптимизации производительности ПХД при управлении производственными затратами. Высокоплотные высокочастотные приложения часто оправдывают более высокие затраты на микро-схемы, тогда как более простые конструкции могут использовать более крупные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные сквозные с

Для дальнейшего чтения по дизайну и целостности сигнала обратитесь к стандартам IPC для проектирования и производства ПХД, в частности IPC-2141 для контролируемого импеданса. Полная техническая статья о с помощью паразитов доступна из Все о схемах , а ресурсы анализа затрат можно найти через PCBWay и Еврокиркуиты .