Al momento, la progettazione di PCB ad alta velocità è ampiamente applicata in molti campi come le telecomunicazioni, l’informatica e l’elaborazione grafica e di immagini, e tutti i prodotti high-tech a valore aggiunto sono progettati puntando a basso consumo energetico, bassa radiazione elettromagnetica, elevata affidabilità, miniaturizzazione e leggerezza. Per raggiungere questi obiettivi, la progettazione e l’implementazione della tecnologia a foro passante (THT) rivestono un’importanza fondamentale nella progettazione di PCB ad alta velocità.
Tecnologia a foro passante
Il foro passante è una delle parti essenziali per la progettazione di PCB multistrato. Un foro passante è composto da tre parti: via, pad e area di isolamento del piano di alimentazione, come mostrato nell’immagine seguente. Il THT si ottiene placcando uno strato di metallo sulla parete del foro tramite deposito chimico, in modo che il rame di ciascun layer interno o piano di una scheda a circuiti stampati possa essere collegato tra loro. I due lati dei fori passanti sono realizzati sotto forma di un normale pad, entrambi possono essere collegati direttamente alle piste sugli strati superiore e inferiore oppure possono rimanere non collegati. Un foro passante svolge il ruolo di connessione elettrica, fissaggio e posizionamento dei componenti.
Per quanto riguarda i THT, i fori passanti sono generalmente classificati in via passante, via cieca e via interrata:
a. Via passanteattraversa tutti gli strati di un circuito stampato, applicabile per l’interconnessione interna o per svolgere la funzione di foro di posizionamento. Poiché i via passanti sono realizzabili con una tecnologia a basso costo, sono ampiamente utilizzati dalla maggior parte dei PCB.
b. Cieco tramitesi riferisce al foro responsabile della connessione tra le piste superficiali e le piste interne sottostanti a una certa profondità. Il rapporto tra la profondità del via e il diametro del via di solito non supera un determinato valore.
c. Sepolto tramitesi riferisce al collegamento tramite strati interni, che non possono essere visti dall’aspetto di un circuito stampato perché non vengono estesi fino alla superficie della scheda.
Sia i via ciechi che i via sepolti si trovano negli strati interni del circuito stampato e vengono realizzati prima della laminazione.
Capacità parassita nei THT
I fori passanti presentano una capacità parassita verso massa. Il diametro dell’isolamento del via sul piano di massa èD2; il diametro del pad del foro passante èD1; spessore del PCB èT; costante dielettrica del materiale del substrato èε. Quindi, la capacità parassita dei fori passanti può essere calcolata mediante la formulaC=1,41εTD1/(D2-D1)
L’influenza principale della capacità parassita sul circuito è quella di prolungare il tempo di salita dei segnali e ridurre la velocità di funzionamento del circuito. Pertanto, minore è la capacità parassita, meglio è.
Induttanza parassita nei THT
I fori passanti presentano anche induttanza parassita. Nel processo di progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, i rischi derivanti dall’induttanza parassita sono solitamente maggiori di quelli dovuti alla capacità parassita. L’induttanza parassita in serie indebolirà le funzioni della capacità di bypass e ridurrà l’effetto di filtraggio dell’intero sistema di alimentazione. Quando l’induttanza di un foro passante è indicata comeL, lunghezza del foro passante comeh, diametro del via comedl'induttanza parassita del foro passante può essere calcolata in conformità con la formulaL=5,08h[In(4h/d)+1]
In base a quella formula, il diametro del foro passante è raramente associato all’induttanza e l’elemento che influisce maggiormente sull’induttanza è la lunghezza del foro passante.
Non THT (include via cieche e via interrate)
Per quanto riguarda le soluzioni non THT, le applicazioni di via ciechi e via sepolti sono in grado di ridurre drasticamente le dimensioni e la qualità del PCB, incluso il numero di strati,migliorare la compatibilità elettromagnetica (EMC)e ottenere la minimizzazione dei costi. Inoltre, il compito di progettazione diventerà molto più semplice. Nel tradizionale processo di progettazione e produzione di PCB, i fori passanti solitamente comportano molti problemi. In primo luogo, occupano la maggior parte dello spazio effettivo. In secondo luogo, un’eccessiva densità di fori passanti rappresenta una sfida per il tracciamento interno di una scheda PCB.
Nel design dei PCB, sebbene le dimensioni dei pad e dei fori passanti siano costantemente ridotte, il rapporto d’aspetto aumenterà quando lo spessore della scheda diminuisce in modo non proporzionale e l’affidabilità si ridurrà con l’aumento del rapporto d’aspetto. Con la maturazione della tecnologia di foratura laser e della tecnologia di incisione a secco al plasma, i microvia ciechi e i via interrati non THT di piccole dimensioni sono diventati un’altra possibilità. Quando il diametro di questi fori è di 0,3 mm, i parametri parassiti saranno pari a un decimo di quelli dei via tradizionali, con un conseguente aumento dell’affidabilità del PCB.
Con l’applicazione di fori non THT, il numero di grandi fori passanti sulla scheda PCB si ridurrà, lasciando così più spazio per il tracciamento. Lo spazio rimanente può essere utilizzato come schermatura di ampia area per migliorare le prestazioni EMI/RFI. Inoltre, il maggiore spazio residuo può essere utilizzato anche come schermatura parziale per i componenti interni e i cavi di rete chiave, in modo che possano offrire prestazioni elettriche ottimali. L’uso di vias non THT facilita la penetrazione dei pin dei componenti, rendendo così più semplice il tracciamento per componenti ad alta densità di pin come i componenti BGA (ball grid array).
Progettazione THT nei PCB ordinari
La capacità parassita e l’induttanza parassita raramente influiscono sui fori passanti durante la normale fase di progettazione PCB. Per quanto riguarda la progettazione di PCB da 1 a 4 strati, è possibile selezionare fori passanti con diametri di 0,36 mm, 0,61 mm o 1,02 mm rispettivamente per via, pad e area di isolamento nel piano di massa. Alcune tracce di segnale con requisiti speciali possono fare affidamento su fori passanti con diametri di 0,41 mm, 0,81 mm e 1,32 mm.
Progettazione THT nei PCB ad alta velocità
In conformità con le proprietà parassite del THT menzionate sopra, possiamo vedere che il THT che sembra semplice tende a produrre un grande effetto negativo sulla progettazione del circuito inprogettazione PCB ad alta velocità. Per ridurre gli effetti negativi derivanti dall’effetto parassita del THT, si forniscono i seguenti suggerimenti come riferimento:
a.È necessario scegliere una dimensione THT adeguata. Per quanto riguarda la progettazione di PCB multistrato e a densità ordinaria, si dovrebbero utilizzare THT con parametri dei fori passanti pari rispettivamente a 0,25 mm, 0,51 mm e 0,91 mm per via, pad e area di isolamento. I PCB ad alta densità possono anche utilizzare fori passanti con parametri pari a 0,20 mm, 0,46 mm e 0,86 mm per via, pad e area di isolamento. È inoltre possibile scegliere soluzioni senza THT. Per i fori passanti relativi all’alimentazione o alla massa, è possibile selezionare fori passanti di dimensioni maggiori per ridurre l’impedenza.
b.Più grande è l’area di isolamento nel piano di alimentazione, meglio è. Per quanto riguarda la densità dei fori passanti, il valore diD1di solito è la somma diD2e 0,41 mm.
c.È ottimale disporre le tracce di segnale senza attraversare più strati, cioè il numero di fori passanti dovrebbe essere ridotto al minimo.
d.Si utilizza un PCB più sottile per favorire la riduzione dei parametri parassiti.
e.I fori passanti devono essere posizionati il più vicino possibile ai pin di alimentazione e di massa e il collegamento tra THT e pin deve essere il più corto possibile, poiché ciò migliorerà l’induttanza. Inoltre, le piste di alimentazione e di massa possono essere il più spesse possibile per ridurre l’impedenza.
Naturalmente, le problematiche specifiche devono essere analizzate in modo mirato durante la fase di progettazione del PCB. Altri due aspetti non possono mai essere evitati: il costo e la qualità del segnale. Durante la progettazione di PCB ad alta velocità è necessario trovare un equilibrio per ottenere una qualità del segnale ottimale con un costo accettabile.
La progettazione di PCB ad alta velocità richiede una gestione efficace dei THT per ridurre al minimo gli effetti parassiti e migliorare l’integrità del segnale. I progetti che incorporano nuovi concetti come i via ciechi e interrati offrono maggiore efficienza, dimensioni ridotte e affidabilità per l’elettronica moderna.
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