Het beste halen uit Through-Hole Technology (THT) in high-speed PCB-ontwerp

Op dit moment is high-speed PCB-ontwerp op grote schaal toegepast op zoveel gebieden als telecommunicatie, computer- en grafiek- en beeldverwerking en alle high-tech producten met toegevoegde waarde zijn ontworpen met het oog op een laag stroomverbruik, lage elektromagnetische straling, hoge betrouwbaarheid, miniaturisatie en licht gewicht. Om die doelen te bereiken, is het ontwerp en de implementatie van through-hole-technologie (THT) van extreem belang bij het ontwerpen van hogesnelheidsprintplaten.

Through-Hole-technologie

Doorgaand gat is een van de essentiële onderdelen voor meerlagig PCB-ontwerp. Een doorgaand gat bestaat uit drie delen:via, pad en isolatiegebied van het stroomvlak, wat kan worden aangetoond in de volgende afbeelding. THT wordt verkregen door een laag metaal op de wand van het gat te plateren op een manier van chemische afzetting, zodat koperfolie van elke interne laag of elk vlak van een printplaat met elkaar kan worden verbonden. Twee zijden van doorlopende gaten worden gegenereerd in de vorm van een gewone pad, die beide direct kunnen worden verbonden met tracering op boven- en onderlagen en ook los kunnen worden gehouden. Een doorgaand gat speelt een rol bij elektrische aansluiting, bevestiging en positionering van componenten.

Wat THT betreft, worden doorgaande gaten over het algemeen ingedeeld in doorgaande via, blinde via en begraven via:
a. Through-hole via gaat door alle lagen van een printplaat, toepasbaar voor interne interconnectie of vervult een rol als positioneringsgat. Omdat through-hole via's toegankelijk zijn in technologie met lage kosten, worden ze op grote schaal toegepast door de meeste PCB's.
b. Blinde via verwijst naar het gat dat verantwoordelijk is voor de verbinding tussen oppervlaktesporen en interne sporen eronder met een bepaalde diepte. De verhouding tussen via-diepte en via-diameter overschrijdt meestal een bepaalde waarde niet.
c. Begraven via verwijst naar verbinding via in interne lagen, die niet kan worden gezien vanaf het uiterlijk van een printplaat omdat deze niet kan worden uitgebreid naar het oppervlak van de printplaat.

Zowel blinde via's als begraven via's bevinden zich in de interne lagen van de printplaat en worden gegenereerd voorafgaand aan het lamineren.

Parasitaire capaciteit in THT

Doorgaande gaten zijn voorzien van parasitaire capaciteit naar de grond. Diameter van isolatie via op grondvlak is D₂; diameter van doorlopende pad is D₁; dikte van PCB is T; diëlektrische constante van substraatmateriaal is ε. Vervolgens kan de parasitaire capaciteit van doorgaande gaten worden berekend met formule C=1.41εTD₁ /(D₂ -D₁ )

De belangrijkste invloed van parasitaire capaciteit op het circuit is om de stijgtijd van signalen te verlengen en de loopsnelheid van het circuit te verlagen. Dus hoe lager de parasitaire capaciteit, hoe beter.

Parasitaire inductie in THT

Doorgaande gaten hebben ook parasitaire inductie. Bij het ontwerpen van digitale schakelingen met hoge snelheid zijn de gevaren die het gevolg zijn van parasitaire inductantie gewoonlijk groter dan die van parasitaire capaciteit. Parasitaire serie-inductantie zal de functies van bypass-capaciteit verzwakken en het filtereffect van het hele voedingssysteem verminderen. Wanneer de inductantie van een doorgaand gat wordt aangegeven als L, de lengte van het doorgaande gat als h, de diameter van de via als d, kan de parasitaire inductantie van het doorgaand gat worden berekend door te voldoen aan formule L=5.08h[In(4h/d)+1]

Op basis van die formule wordt de diameter van het doorgaande gat zelden geassocieerd met inductantie en het grootste element dat de inductantie beïnvloedt, is de lengte van het doorgaande gat.

Niet THT (inclusief blinde via en begraven via)

Als het gaat om niet-THT, zijn toepassingen van blinde via en begraven via in staat om de grootte en kwaliteit van PCB's drastisch te verminderen, inclusief het aantal lagen, waardoor de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) wordt verbeterd en de kosten worden geminimaliseerd. Bovendien zal de ontwerptaak ​​veel eenvoudiger worden. In traditioneel PCB-ontwerp en PCB-fabricageproces brengen doorgaande gaten meestal veel problemen naar voren. Ten eerste nemen ze het grootste deel van de effectieve ruimte voor hun rekening. Ten tweede vormt een te hoge dichtheid van doorgaande gaten een uitdaging voor de interne tracering van een printplaat.

In PCB-ontwerp, hoewel de grootte van pad en doorgaande gaten voortdurend wordt verminderd, zal de beeldverhouding toenemen wanneer de plaatdikte niet-proportioneel daalt en zal de betrouwbaarheid afnemen wanneer de beeldverhouding toeneemt. Met de rijping van laserboortechnologie en plasma-droge etstechnologie, zijn niet-THT kleine blinde via's en begraven via's een andere mogelijkheid geworden. Wanneer de diameter van die gaten 0,3 mm is, zullen parasitaire parameters een tiende zijn van die van traditionele via's, waarbij de betrouwbaarheid van PCB's omhoog gaat.

Als niet-THT is toegepast, zal het aantal grote doorgaande gaten op de printplaat afnemen, zodat er meer ruimte overblijft voor tracering. Rustruimte kan worden gebruikt als afscherming van een groot oppervlak om de EMI/RFI-prestaties te verbeteren. Bovendien kan meer rustruimte ook worden gebruikt als gedeeltelijke afscherming voor interne componenten en belangrijke netwerkkabels, zodat ze optimale elektrische prestaties kunnen leveren. De toepassing van niet-THT via's maakt het gemakkelijker voor componentpinnen om door te dringen, zodat het traceren gemakkelijker kan zijn voor pincomponenten met een hoge dichtheid, zoals BGA-componenten (ball grid array).

THT-ontwerp in gewone PCB's

Parasitaire capaciteit en parasitaire inductantie hebben zelden invloed op doorgaande gaten tijdens de gewone PCB-ontwerpfase. Wat betreft het ontwerp van 1- tot 4-laags PCB's, kunnen doorgaande gaten met een diameter zoals 0,36 mm, 0,61 mm of 1,02 mm worden geselecteerd voor respectievelijk via, pad en isolatiegebied in het grondvlak. Sommige signaalsporen met speciale vereisten kunnen afhankelijk zijn van doorlopende gaten met een diameter van 0,41 mm, 0,81 mm en 1,32 mm.

THT-ontwerp in high-speed PCB's

In overeenstemming met de parasitaire eigenschappen van THT die hierboven zijn vermeld, kunnen we zien dat THT die er eenvoudig uitziet, de neiging heeft om een ​​groot negatief effect op het circuitontwerp in high-speed PCB-ontwerp naar voren te brengen. Om het slechte effect van het parasitaire effect van THT te verminderen, worden de volgende tips gegeven als referentie:
a. Geschikte THT-maat moet worden opgehaald. Als het gaat om PCB-ontwerp met meerdere lagen en gewone dichtheid, moet THT worden opgepikt met doorgaande gatenparameters van respectievelijk 0,25 mm, 0,51 mm en 0,91 mm voor via's, pad en isolatiegebied. PCB's met hoge dichtheid kunnen ook doorlopende gaten selecteren met parameters van 0,20 mm, 0,46 mm en 0,86 mm voor via's, pad en isolatiegebied. Niet-THT is ook selectief. Voor doorgaande gaten met betrekking tot stroom of aarde kunnen grote doorgaande gaten worden geselecteerd om de impedantie te verminderen.
b. Hoe groter het isolatiegebied in het vermogensvlak, hoe beter. Wat de dichtheid van de doorgaande gaten betreft, is de waarde van D₁ is meestal de som van D₂ en 0,41 mm.
c. Het is optimaal om signaalsporen niet over lagen te rangschikken, dat wil zeggen dat het aantal doorgaande gaten moet worden geminimaliseerd.
d. Dunnere PCB's worden gebruikt om gunstig te zijn voor parasitaire parameterreductie.
e. Doorgaande gaten moeten zo dicht mogelijk bij de voedings- en aardpennen worden geplaatst en de kabel tussen THT en pennen moet zo kort mogelijk zijn, omdat ze tot een verbetering van de inductie leiden. Bovendien kunnen stroom- en aardedraden zo dik mogelijk zijn om de impedantie te verlagen.

Natuurlijk moeten specifieke problemen specifiek worden geanalyseerd tijdens de PCB-ontwerpfase. Twee andere aspecten kunnen nooit worden vermeden:kosten en signaalkwaliteit. Er moeten evenwichtige overwegingen worden genomen tijdens het ontwerpen van high-speed PCB's om een ​​optimale signaalkwaliteit vast te leggen tegen acceptabele kosten.

Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
• Hoe blinde/begraven via's in snelle digitale circuits te ontwerpen
• Moeten niet-functionele pads worden verwijderd of bewaard in via's van hogesnelheidsprintplaten?
• Onderzoek naar high-speed PCB-ontwerp in ingebed applicatiesysteem
• Hoe beeldvlakken te ontwerpen voor high-speed PCB's
• Full-feature PCB-productieservice van PCBCart
• Geavanceerde kant-en-klare PCB-assemblageservice van PCBCart