Heutzutage wird das High-Speed-PCB-Design in vielen Bereichen wie Telekommunikation, Computertechnik sowie Grafik- und Bildverarbeitung breit eingesetzt, und alle Hightech-Mehrwertprodukte werden auf niedrigen Stromverbrauch, geringe elektromagnetische Strahlung, hohe Zuverlässigkeit, Miniaturisierung und geringes Gewicht hin ausgelegt. Um diese Ziele zu erreichen, ist das Design und die Implementierung der Through-Hole-Technologie (THT) von äußerster Bedeutung im High-Speed-PCB-Design.
Durchsteckmontage-Technologie
Durchkontaktierungen sind ein wesentlicher Bestandteil des mehrlagigen PCB-Designs. Eine Durchkontaktierung besteht aus drei Teilen: Via, Pad und Isolationsbereich der Stromversorgungsebene, was in der folgenden Abbildung dargestellt werden kann. THT wird durch das Aufbringen einer Metallschicht auf die Lochwand mittels chemischer Abscheidung erzeugt, sodass die Kupferfolie jeder inneren Lage oder Ebene einer Leiterplatte miteinander verbunden werden kann. Die beiden Seiten der Durchkontaktierungen werden in Form eines gewöhnlichen Pads ausgeführt, die sowohl direkt mit Leiterbahnen auf den oberen und unteren Lagen verbunden als auch unverbindet belassen werden können. Eine Durchkontaktierung übernimmt die Funktion der elektrischen Verbindung, der Fixierung und der Positionierung von Bauteilen.
Was THT betrifft, werden Durchkontaktierungen im Allgemeinen in Durchkontaktierungs-Vias, Blind-Vias und vergrabene Vias unterteilt:
a. Durchkontaktierte Viadurchläuft alle Schichten einer Leiterplatte und ist anwendbar für interne Verbindungen oder dient als Positionierbohrung. Da Durchkontaktierungen technologisch leicht zugänglich und kostengünstig sind, werden sie in den meisten Leiterplatten weit verbreitet eingesetzt.
b. Blind überbezieht sich auf das Loch, das für die Verbindung zwischen Leiterbahnen auf der Oberfläche und den darunterliegenden internen Leiterbahnen in einer bestimmten Tiefe verantwortlich ist. Das Verhältnis zwischen Via-Tiefe und Via-Durchmesser überschreitet in der Regel keinen bestimmten Wert.
c. Vergraben überbezieht sich auf die Verbindung über in inneren Lagen befindliche, die von der äußeren Erscheinung einer Leiterplatte nicht sichtbar sind, da sie nicht bis zur Oberfläche der Leiterplatte geführt werden.
Sowohl Blind Vias als auch Buried Vias befinden sich in den inneren Lagen der Leiterplatte und werden vor der Laminierung hergestellt.
Parasitäre Kapazität in THT
Durchkontaktierungen weisen eine parasitäre Kapazität zur Masse auf. Der Durchmesser der Isolationsdurchkontaktierung in der Massefläche beträgtD2; Durchmesser der Durchkontaktierungs-Lötfläche istD1; Dicke der Leiterplatte istT; dielektrische Konstante des Substratmaterials istεDann kann die parasitäre Kapazität der Durchkontaktierungen mit der Formel berechnet werdenC=1,41εTD1/(D2-D1)
Der Haupteinfluss der parasitären Kapazität auf die Schaltung besteht darin, die Anstiegszeit der Signale zu verlängern und die Betriebsgeschwindigkeit der Schaltung zu verringern. Daher gilt: Je geringer die parasitäre Kapazität ist, desto besser.
Parasitäre Induktivität in THT
Durchkontaktierungen weisen ebenfalls parasitäre Induktivität auf. Im Prozess des Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungsdesigns sind die durch parasitäre Induktivität verursachten Störungen in der Regel größer als diejenigen durch parasitäre Kapazität. Parasitäre Serieninduktivität schwächt die Funktion der Bypass-Kapazität und verringert die Filterwirkung des gesamten Stromversorgungssystems. Wenn die Induktivität einer Durchkontaktierung angegeben ist alsL, Durchgangslochlänge alsh, Durchmesser der Via alsd, die parasitäre Induktivität der Durchkontaktierung kann gemäß der Formel berechnet werdenL=5,08h[In(4h/d)+1]
Basierend auf dieser Formel wird der Durchgangslochdurchmesser selten mit der Induktivität in Verbindung gebracht, und das größte Element, das die Induktivität beeinflusst, ist die Durchgangslochlänge.
Nicht-THT (einschließlich Blind-Via und Buried-Via)
Wenn es um nicht-THT geht, sind Anwendungen von Blind Vias und Buried Vias in der Lage, die Leiterplattengröße und -qualität einschließlich der Lagenanzahl drastisch zu reduzieren.Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)und die Kosten werden minimiert. Darüber hinaus wird die Designaufgabe wesentlich einfacher. Im herkömmlichen PCB-Design- und PCB-Fertigungsprozess verursachen Durchkontaktierungen in der Regel viele Probleme. Erstens beanspruchen sie den Großteil des nutzbaren Raums. Zweitens stellt eine zu hohe Dichte an Durchkontaktierungen eine Herausforderung für die interne Leiterführung einer Leiterplatte dar.
Im PCB-Design werden zwar die Größe von Pads und Durchkontaktierungen ständig verringert, doch das Seitenverhältnis steigt, wenn die Leiterplattendicke nicht proportional abnimmt, und die Zuverlässigkeit sinkt mit zunehmendem Seitenverhältnis. Mit der Reife der Laserverbohrungstechnologie und der Plasma-Trockenätztechnologie sind nicht-THT-kleine Blind- und vergrabene Vias zu einer weiteren Möglichkeit geworden. Wenn der Durchmesser dieser Bohrungen 0,3 mm beträgt, liegen die parasitären Parameter bei einem Zehntel derjenigen herkömmlicher Vias, während die Zuverlässigkeit der Leiterplatte steigt.
Wenn Non-THT angewendet wird, verringert sich die Anzahl großer Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte, sodass mehr Platz für Leiterbahnen zur Verfügung steht. Der verbleibende Raum kann als großflächige Abschirmung genutzt werden, um die EMI/RFI-Leistung zu verbessern. Darüber hinaus kann der zusätzliche freie Raum auch als partielle Abschirmung für interne Komponenten und wichtige Netzwerkkabel verwendet werden, sodass diese eine optimale elektrische Leistung aufweisen. Der Einsatz von Non-THT-Vias erleichtert das Durchführen von Bauteilpins, sodass das Routen für hochdichte Pin-Bauteile wie BGA- (Ball Grid Array) Komponenten einfacher wird.
THT-Design in gewöhnlichen Leiterplatten
Parasitische Kapazität und parasitäre Induktivität wirken sich in der Regel kaum auf Durchkontaktierungen während der normalen PCB-Designphase aus. Was das Design von Leiterplatten mit 1 bis 4 Lagen betrifft, können Durchkontaktierungen mit Durchmessern von 0,36 mm, 0,61 mm oder 1,02 mm jeweils für Vias, Pads und Isolationsbereiche in der Massefläche ausgewählt werden. Einige Signalleitungen mit speziellen Anforderungen können auf Durchkontaktierungen mit Durchmessern von 0,41 mm, 0,81 mm und 1,32 mm zurückgreifen.
THT-Design in Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten
In Übereinstimmung mit den oben genannten parasitären Eigenschaften von THT können wir erkennen, dass THT, das einfach aussieht, dazu neigt, einen großen negativen Effekt auf das Schaltungsdesign inHochgeschwindigkeits-PCB-Design. Um die negativen Auswirkungen zu verringern, die sich aus dem parasitären Effekt von THT ergeben, werden folgende Hinweise als Referenz bereitgestellt:
a.Die geeignete THT‑Größe sollte ausgewählt werden. Bei einem PCB‑Design mit mehreren Lagen und gewöhnlicher Dichte sollten THTs mit Durchkontaktierungsparametern von 0,25 mm, 0,51 mm und 0,91 mm für Vias, Pad und Isolationsbereich gewählt werden. Hochdichte PCBs können auch Durchkontaktierungen mit Parametern von 0,20 mm, 0,46 mm und 0,86 mm für Vias, Pad und Isolationsbereich verwenden. Nicht‑THT ist ebenfalls eine Option. Für Durchkontaktierungen, die Stromversorgung oder Masse betreffen, können groß dimensionierte Durchkontaktierungen gewählt werden, um die Impedanz zu verringern.
b.Je größer der Isolationsbereich in der Stromversorgungsebene ist, desto besser. Was die Durchkontaktierungsdichte betrifft, ist der Wert vonD1ist normalerweise die Summe vonD2und 0,41 mm.
c.Es ist optimal, Signalleitungen nicht über mehrere Lagen zu führen, das heißt, die Anzahl der Durchkontaktierungen sollte minimiert werden.
d.Eine dünnere Leiterplatte wird eingesetzt, um die parasitären Parameter zu verringern.
e.Durchkontaktierungen sollten so nah wie möglich an den Versorgungs- und Massepins platziert werden, und die Leiterbahnen zwischen THT und Pins sollten so kurz wie möglich sein, da dies zu einer Verbesserung der Induktivität führt. Außerdem können die Leiterbahnen für Versorgung und Masse so breit wie möglich ausgeführt werden, um die Impedanz zu verringern.
Natürlich sollten spezifische Probleme in der PCB-Designphase gezielt analysiert werden. Zwei weitere Aspekte lassen sich jedoch nie vermeiden: Kosten und Signalqualität. Bei der Hochgeschwindigkeits-PCB-Entwicklung sollten ausgewogene Überlegungen angestellt werden, um eine optimale Signalqualität bei akzeptablen Kosten zu erreichen.
Das Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten erfordert eine effektive Handhabung von THT, um parasitäre Effekte zu minimieren und die Signalintegrität zu verbessern. Designs, die neue Konzepte wie Blind- und vergrabene Vias einbeziehen, bieten höhere Effizienz, kleinere Abmessungen und Zuverlässigkeit für moderne Elektronik.
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