ในปัจจุบัน การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง (High-speed PCB) ได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น โทรคมนาคม คอมพิวเตอร์ และการประมวลผลกราฟิกและภาพ และผลิตภัณฑ์ไฮเทคที่มีมูลค่าเพิ่มทั้งหมดต่างถูกออกแบบให้มีการใช้พลังงานต่ำ การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าต่ำ มีความเชื่อถือได้สูง มีขนาดเล็กลง และมีน้ำหนักเบา เพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้ การออกแบบและการใช้งานเทคโนโลยีรูทะลุ (Through-Hole Technology: THT) จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง
เทคโนโลยีรูทะลุ
รูทะลุเป็นหนึ่งในส่วนสำคัญสำหรับการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (Multi-layer PCB) รูทะลุประกอบด้วยสามส่วนคือ วีอา (via), แพด (pad) และบริเวณฉนวนของเพลนไฟเลี้ยง (power plane) ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นได้ในภาพต่อไปนี้ THT ได้มาจากการชุบโลหะเคลือบบนผนังรูด้วยวิธีการตกตะกอนทางเคมี เพื่อให้ฟอยล์ทองแดงจากแต่ละเลเยอร์ภายในหรือเพลนของแผ่นวงจรสามารถเชื่อมต่อถึงกันได้ ทั้งสองด้านของรูทะลุจะถูกสร้างในรูปแบบของแพดทั่วไป ซึ่งทั้งสองด้านนี้สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับลายวงจรบนเลเยอร์ด้านบนและด้านล่าง หรืออาจปล่อยให้ไม่เชื่อมต่อก็ได้ รูทะลุมีบทบาทในการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า การยึดตรึง และการกำหนดตำแหน่งของอุปกรณ์组件
สำหรับ THT แล้ว รูทะลุโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็น via ทะลุรู, blind via และ buried via:
a. รูผ่านรู viaทะลุผ่านทุกชั้นของแผงวงจร ใช้ได้ทั้งสำหรับการเชื่อมต่อภายในหรือทำหน้าที่เป็นรูสำหรับกำหนดตำแหน่ง เนื่องจากเทคโนโลยีการทำรูทะลุมีต้นทุนต่ำ จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแผงวงจรส่วนใหญ่
b. ตาบอดผ่านหมายถึงรูที่ทำหน้าที่เชื่อมต่อระหว่างลายวงจรบนผิวหน้ากับลายวงจรภายในด้านล่างที่ระดับความลึกหนึ่ง ๆ อัตราส่วนระหว่างความลึกของเวียกับเส้นผ่านศูนย์กลางของเวียโดยทั่วไปจะไม่เกินค่าที่กำหนด
c. ฝังผ่านหมายถึงการเชื่อมต่อผ่านชั้นภายใน ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้จากลักษณะภายนอกของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เนื่องจากไม่ได้ถูกขยายออกมาถึงผิวหน้าของแผงวงจร
ทั้งบลายด์เวียและเบอรีด์เวียจะอยู่ในชั้นภายในของแผงวงจร และถูกสร้างขึ้นก่อนกระบวนการลามิเนชัน
ความจุ寄生ใน THT
รูทะลุมีคุณสมบัติความจุ寄生ต่อกราวด์ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูแยกบนระนาบกราวด์คือD2; เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรูทะลุคือดี1; ความหนาของแผ่น PCB คือT; ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุแผ่นรองεจากนั้นสามารถคำนวณค่าคาปาซิแตนซ์寄生ของรูทะลุได้โดยใช้สูตรC=1.41εTD1/(D2-D1)
อิทธิพลหลักของความจุปรสิตต่อวงจรคือการทำให้เวลาขึ้นของสัญญาณยาวนานขึ้นและลดความเร็วในการทำงานของวงจร ดังนั้นยิ่งความจุปรสิตต่ำเท่าใดก็ยิ่งดีเท่านั้น
ความเหนี่ยวนำ寄生ใน THT
รูทะลุยังมีคุณสมบัติเป็นอุปนัย寄生อีกด้วย ในกระบวนการออกแบบวงจรดิจิทัลความเร็วสูง อันตรายที่เกิดจากอุปนัย寄生มักจะรุนแรงกว่าอันตรายที่เกิดจากความจุ寄生 อุปนัยอนุกรม寄生จะทำให้ประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุบายพาสลดลง และลดผลของการกรองของระบบจ่ายไฟทั้งหมด เมื่ออุปนัยของรูทะลุถูกระบุเป็นLความยาวรูทะลุhเส้นผ่านศูนย์กลางของรูผ่านเป็นdสามารถคำนวณค่าความเหนี่ยวนำ寄生ของรูทะลุได้โดยอ้างอิงตามสูตรL=5.08h[ใน(4h/d)+1]
จากสูตรนั้น เส้นผ่านศูนย์กลางของรูทะลุแทบไม่เกี่ยวข้องกับค่าความเหนี่ยวนำ และปัจจัยที่มีผลต่อค่าความเหนี่ยวนำมากที่สุดคือความยาวของรูทะลุ
ไม่ใช่ THT (รวมถึงบลายด์เวียและเบอรีด์เวีย)
เมื่อพูดถึงแบบไม่ใช้ THT การประยุกต์ใช้บลายด์เวียและเบอรีด์เวียสามารถลดขนาดและปรับปรุงคุณภาพของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ได้อย่างมาก รวมถึงจำนวนเลเยอร์ด้วยการปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)และทำให้ต้นทุนลดลง นอกจากนี้ งานออกแบบจะง่ายขึ้นมาก ในกระบวนการออกแบบ PCB แบบดั้งเดิมและกระบวนการผลิต PCB รูทะลุมักก่อให้เกิดปัญหามากมาย ประการแรก พวกมันกินพื้นที่ใช้งานส่วนใหญ่ ประการที่สอง ความหนาแน่นของรูทะลุที่สูงเกินไปทำให้การเดินลายภายในของแผ่น PCB เป็นเรื่องท้าทาย
ในการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) แม้ว่าขนาดของแผ่นรองบัดกรีและรูทะลุจะมีการลดลงอย่างต่อเนื่อง แต่เมื่อความหนาของบอร์ดลดลงโดยไม่เป็นสัดส่วน อัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของรู (aspect ratio) จะเพิ่มขึ้น และความน่าเชื่อถือจะลดลงเมื่ออัตราส่วนนี้เพิ่มสูงขึ้น ด้วยเทคโนโลยีการเจาะด้วยเลเซอร์และเทคโนโลยีการกัดแห้งแบบพลาสมาที่มีความสมบูรณ์มากขึ้น ทำให้รูสัญญาณขนาดเล็กแบบบอดและแบบฝังที่ไม่ใช่รู THT กลายเป็นอีกหนึ่งทางเลือก เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเหล่านี้อยู่ที่ 0.3 มม. ค่าพารามิเตอร์พาราซิติกจะมีค่าเพียงหนึ่งในสิบของรูสัญญาณแบบดั้งเดิม และความน่าเชื่อถือของ PCB จะเพิ่มสูงขึ้น
เมื่อไม่ใช้ THT จำนวนรูทะลุขนาดใหญ่บนแผ่น PCB จะลดลง ทำให้มีพื้นที่เหลือสำหรับการวางลายวงจรมากขึ้น พื้นที่ที่เหลือสามารถใช้เป็นพื้นที่ชิลด์ขนาดใหญ่เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ EMI/RFI นอกจากนี้ พื้นที่ที่เหลือยังสามารถใช้เป็นชิลด์บางส่วนสำหรับชิ้นส่วนภายในและสายเคเบิลเครือข่ายสำคัญ เพื่อให้สามารถมีสมรรถนะทางไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุด การใช้ via แบบไม่ใช่ THT ทำให้ขาของอุปกรณ์ทะลุผ่านได้ง่ายขึ้น จึงช่วยให้การวางลายวงจรง่ายขึ้นสำหรับอุปกรณ์ที่มีขาแน่นหนา เช่น อุปกรณ์ BGA (ball grid array)
การออกแบบ THT ในแผงวงจรพิมพ์ทั่วไป
ความจุ寄生และความเหนี่ยวนำ寄生มักมีอิทธิพลต่อรูทะลุค่อนข้างน้อยในระยะการออกแบบ PCB ทั่วไป สำหรับการออกแบบ PCB แบบ 1 ถึง 4 ชั้น สามารถเลือกรูทะลุที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.36 มม., 0.61 มม. หรือ 1.02 มม. สำหรับ via, pad และบริเวณแยกฉนวนในระนาบกราวด์ได้ ตามลำดับ ลายสัญญาณบางเส้นที่มีข้อกำหนดพิเศษสามารถใช้รูทะลุที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.41 มม., 0.81 มม. และ 1.32 มม. ได้
การออกแบบ THT ในแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง
ตามคุณสมบัติ寄生ของ THT ที่กล่าวถึงข้างต้น เราจะเห็นได้ว่า THT ที่ดูเรียบง่ายมักก่อให้เกิดผลกระทบด้านลบอย่างมากต่อการออกแบบวงจรในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง. เพื่อลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ซึ่งเกิดจากผล寄生ของ THT ขอเสนอคำแนะนำต่อไปนี้เป็นข้อมูลอ้างอิง:
a.ควรเลือกขนาด THT ที่เหมาะสม สำหรับการออกแบบ PCB ที่มีหลายชั้นและความหนาแน่นปกติ ควรเลือก THT ที่มีพารามิเตอร์รูทะลุเท่ากับ 0.25 มม., 0.51 มม. และ 0.91 มม. สำหรับ via, แพด และบริเวณฉนวน ตามลำดับ PCB ที่มีความหนาแน่นสูงก็สามารถเลือกใช้รูทะลุที่มีพารามิเตอร์ 0.20 มม., 0.46 มม. และ 0.86 มม. สำหรับ via, แพด และบริเวณฉนวนได้เช่นกัน นอกจากนี้ยังสามารถเลือกใช้แบบไม่ใช่ THT ได้ สำหรับรูทะลุที่เกี่ยวข้องกับไฟเลี้ยงหรือกราวด์ สามารถเลือกรูทะลุขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อช่วยลดอิมพีแดนซ์
ข.ยิ่งพื้นที่แยกในเพลนจ่ายไฟมีขนาดใหญ่เท่าใดก็ยิ่งดีเท่านั้น สำหรับความหนาแน่นของรูทะลุ ค่าD1มักจะเป็นผลรวมของD2และ 0.41 มม.
ค.การจัดวางลายสัญญาณให้เหมาะสมคือไม่ให้วิ่งข้ามเลเยอร์ กล่าวคือควรลดจำนวนรูทะลุให้เหลือน้อยที่สุด
ง.การใช้แผ่นวงจรพิมพ์ที่บางลงช่วยให้ลดพารามิเตอร์ปรสิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ
e.ควรจัดวางรูทะลุให้ใกล้กับขาพาวเวอร์และกราวด์มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และให้ลายเชื่อมระหว่าง THT กับขาเหล่านั้นสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ เนื่องจากจะช่วยปรับปรุงค่าความเหนี่ยวนำ นอกจากนี้ ลายทองแดงของพาวเวอร์และกราวด์ควรทำให้หนาที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เพื่อให้ค่าความต้านทานเชิงซ้อน (อิมพีแดนซ์) ลดลง
แน่นอนว่าในระยะการออกแบบ PCB ควรวิเคราะห์ปัญหาเฉพาะอย่างเป็นรายกรณี สองประเด็นอื่นที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้คือ ต้นทุนและคุณภาพสัญญาณ ในการออกแบบ PCB ความเร็วสูงควรพิจารณาอย่างสมดุลเพื่อให้ได้คุณภาพสัญญาณที่เหมาะสมที่สุดควบคู่กับต้นทุนที่ยอมรับได้
การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงต้องการการจัดการ THT อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อลดผลกระท寄สิก寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄寄
PCBCart มอบโซลูชัน PCB ระดับมืออาชีพด้วยความเชี่ยวชาญด้าน THT และเทคโนโลยี via ที่ล้ำสมัย เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำและประสิทธิภาพระดับสูง แนวทางที่ปรับให้เหมาะสมของเราสามารถตอบโจทย์ความต้องการที่หลากหลาย พร้อมนำเสนอการออกแบบต้นทุนต่ำแต่คุณภาพยอดเยี่ยม ไว้วางใจ PCBCart สำหรับความต้องการ PCB ประสิทธิภาพสูงของคุณ ขอใบเสนอราคาตอนนี้และใช้ประโยชน์จากความเชี่ยวชาญของเราเพื่อยกระดับโครงการอิเล็กทรอนิกส์ของคุณ
ขอใบเสนอราคาการออกแบบและจัดวางแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงของคุณ
คุณอาจสนใจเพิ่มเติมใน:
•วิธีออกแบบเวียฝัง/เวียฝังลึกในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง
•แผ่นรองที่ไม่ทำหน้าที่ควรถูกลบออกหรือคงไว้ในเวียของ PCB ความเร็วสูงหรือไม่?
•การวิจัยการออกแบบ PCB ความเร็วสูงในระบบประยุกต์แบบฝังตัว
•วิธีออกแบบระนาบอิมเมจสำหรับแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ครบวงจรจาก PCBCart
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์แบบเทิร์นคีย์ขั้นสูงจาก PCBCart
