Through-Hole Technology optimaliseren voor high-speed PCB's: betrouwbaarheid, lage EMI & energiebesparing

Op dit moment is high-speed PCB-ontwerp wijd toegepast in zoveel velden als telecommunicatie, computer en grafische en beeldverwerking en alle high-tech toegevoegde-waarde producten zijn ontworpen naar lage stroomverbruik, lage elektromagnetische straling, hoge betrouwbaarheid, miniaturisatie en licht gewicht. Om die doelen te bereiken, is through-hole technology (THT) ontwerp en implementatie van extreme betekenis in high-speed PCB-ontwerp.

Through-Hole Technology

Through-hole is een van de essentiële onderdelen voor meervoudige PCB-ontwerp. Een through-hole bestaat uit drie delen: via, pad en isolatiegebied van voedingsvlak, wat in de volgende afbeelding gedemonstreerd kan worden. THT wordt verkregen door een laag metaal op de gatwand te platen op chemische afscheiding wijze, zodat koperfolie van elke interne laag of vlak van een printplaat met elkaar verbonden kan worden. Twee zijden van through-holes worden gegenereerd in de vorm van een gewoon pad, beide kunnen direct verbonden worden met routing op boven- en onderlaag en ook onverbonden gehouden. Een through-hole speelt een rol in elektrische verbinding, fixatie en positionering van componenten.

Wat THT betreft, worden through-holes doorgaans geclassificeerd in through-hole via, blind via en buried via:
a. Through-hole via gaat door alle lagen van een printplaat, toepasbaar voor interne interconnectie of als positioneringsgat. Aangezien through-hole via's technologisch toegankelijk zijn met lage kosten, worden ze wijd toegepast door de meeste PCB's.
b. Blind via verwijst naar het gat verantwoordelijk voor de verbinding tussen oppervlaktespore en interne sporen eronder met een bepaalde diepte. Verhouding tussen via-diepte en via-diameter overschrijdt meestal niet een bepaalde waarde.
c. Buried via verwijst naar verbindende via gelegen in interne lagen, die niet gezien kan worden vanaf de uiterlijk van een PCB-bord omdat het niet uitgebreid kan worden naar het oppervlak van de printplaat.

Zowel blind via's als buried via's zijn gelegen in interne lagen van printplaat en worden gegenereerd vóór laminatie.

Parasitaire capaciteit in THT

Through-holes hebben parasitaire capaciteit ten opzichte van de massa. Diameter van isolatievia op massavlak is D₂; diameter van through-hole pad is D₁; dikte van PCB is T; dielektrische constante van substraatmateriaal is ε. Dan kan parasitaire capaciteit van through-holes worden berekend met formule C = 1,41 ε T D₁ / (D₂ - D₁).

De leidende invloed van parasitaire capaciteit op de schakeling is het verlengen van rijtijd van signalen en het verlagen van de draaisnelheid van de schakeling. Dus: hoe lager de parasitaire capaciteit, des te beter.

Parasitaire inductie in THT

Through-holes hebben ook parasitaire inductie. In het proces van high-speed digitale schakelingontwerp, zijn gevaren die voortkomen uit parasitaire inductie meestal groter dan die door parasitaire capaciteit. Parasitaire serie-inductie zal de functies van bypass-capaciteit verzwakken en het filtereffect van het hele voedingssysteem verminderen. Wanneer inductie van een through-hole wordt aangeduid als L, through-hole-lengte als h, diameter van via als d, kan parasitaire inductie van through-hole worden berekend volgens formule L = 5,08 h [ln(4h/d) + 1].

Op basis van die formule is through-hole-diameter zelden geassocieerd met inductie en het grootste element dat inductie beïnvloedt, is through-hole-lengte.

Non-THT (inclusief blind via en buried via)

Wat non-THT betreft, zijn toepassingen van blind via en buried via in staat om PCB-grootte en kwaliteit dramatisch te verminderen, inclusief laagaantal, elektromagnetische compatibiliteit (EMC) te verbeteren en kosten te minimaliseren. Bovendien wordt de ontwerptaak veel eenvoudiger. In traditioneel PCB-ontwerp en PCB-fabricageproces brengen through-holes meestal veel problemen. Ten eerste, ze rekenen voor het merendeel van effectieve ruimte. Ten tweede, te hoge dichtheid van through-holes daagt interne routing van een PCB-bord uit.

In PCB-ontwerp, hoewel de grootte van pad en through-holes constant wordt verlaagd, zal aspectverhouding stijgen wanneer borddikte niet-proportioneel daalt en betrouwbaarheid zal dalen wanneer aspectverhouding toeneemt. Met de volwassenheid van laserboortechnologie en plasma-droog-ets-technologie, zijn non-THT kleine blind via's en buried 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 met PCB-betrouwbaarheid die stijgt.

Met non-THT toegepast, zal het aantal grote through-holes op PCB-bord dalen, zodat meer ruimte voor routing overblijft. Restruimte kan als massaal afscherming worden gebruikt om EMI/RFI-prestaties te verbeteren. Bovendien kan meer restruimte ook als gedeeltelijke afscherming voor interne componenten en sleutel-netwerkkabels worden gebruikt, zodat ze optimale elektrische prestaties hebben. De toepassing van non-THT via's maakt het gemakkelijker voor componentpennen om door te dringen, zodat routing gemakkelijker wordt voor hoogdichte pin-componenten zoals BGA (ball grid array) componenten.

THT-ontwerp in gewone PCB's

Parasitaire capaciteit en parasitaire inductie hebben zelden invloed op through-holes tijdens gewone PCB-ontwerpfase. Wat 1 tot 4-laags PCB-ontwerp betreft, kunnen through-holes met diameters zoals 0,36 mm, 0,61 mm of 1,02 mm respectievelijk worden geselecteerd voor via, pad en isolatiegebied in massavlak. Sommige signaalsporen met speciale eis kunnen afhankelijk zijn van through-holes met diameters van 0,41 mm, 0,81 mm en 1,32 mm.

THT-ontwerp in high-speed PCB's

In overeenstemming met parasitaire eigenschappen van THT hierboven genoemd, kunnen we zien dat THT wat simpel lijkt, grote negatieve effecten op schakelingontwerp in high-speed PCB-ontwerp kan hebben. Om het slechte effect afkomstig van parasitaire effect van THT te verminderen, worden de volgende tips als referentie gegeven:
a. Geschikte THT-grootte selecteren. Bij PCB-ontwerp met meerdere lagen en gewone dichtheid, moet THT geselecteerd worden met through-hole parameters 0,25 mm, 0,51 mm en 0,91 mm respectievelijk voor via's, pad en isolatiegebied. Hoogdichte PCB's kunnen ook through-holes selecteren met parameters 0,20 mm, 0,46 mm en 0,86 mm voor via's, pad en isolatiegebied. Non-THT is ook selecteerbaar. Voor through-holes betreffende voeding of massa, kunnen grote through-holes worden geselecteerd om impedantie te verlagen.
b. Het groter het isolatiegebied in voedingsvlak, des te beter. Wat through-hole-dichtheid betreft, is de waarde van D₁ meestal de som van D₂ en 0,41 mm.
c. Optimale signaalsporen niet over lagen heen routeren, dat wil zeggen, aantal through-holes moet worden geminimaliseerd.
d. Dunnere PCB gebruiken om parasitaire parameter-reductie te begunstigen.
e. Through-holes zo dicht mogelijk bij voedings- en massapennen plaatsen en leiding tussen THT en pennen zo kort mogelijk maken, want ze leiden tot inductieverbetering. Bovendien kunnen voedings- en massaleidingen zo dik mogelijk zijn om impedantie te verlagen.

Natuurlijk moeten specifieke problemen specifiek geanalyseerd worden tijdens PCB-ontwerpfase. Twee andere aspecten kunnen nooit vermeden worden: kosten en signaalkwaliteit. Gebalanceerde overwegingen moeten worden genomen tijdens high-speed PCB-ontwerp om optimale signaalkwaliteit met acceptabele kosten te bereiken.

U bent misschien ook geïnteresseerd in:

• Hoe blind/buried via's te ontwerpen in high-speed digitale schakelingen
• Moeten non-functionele pads in via's van high-speed PCB verwijderd of behouden worden?
• Onderzoek naar high-speed PCB-ontwerp in embedded applicatiesysteem
• Hoe image-vlakken te ontwerpen voor high-speed PCB's
• Volledige PCB-fabricageservice van PCBCart
• Geavanceerde Turnkey PCB-assemblageservice van PCBCart