Tecniche di progettazione nel campo dei circuiti stampati

In Progettazione di circuiti stampati, il via di progettazione è un fattore cruciale. È costituito dal foro, dall’area circostante del pad e dall’area di isolamento dello strato POWER, ed è generalmente classificato in tre tipi: via ciechi, via sepolti e via passanti. Il team di ingegneri di Geyuan Electronics, attraverso l’analisi della capacità e dell’induttanza parassite nei via durante il processo di progettazione dei PCB, ha sintetizzato alcune considerazioni chiave e le relative tecniche di progettazione per la progettazione dei via nei PCB. Attualmente, la progettazione dei PCB è ampiamente utilizzata in settori quali le comunicazioni, l’informatica e l’elaborazione grafica. Tutti i progetti di prodotti elettronici ad alta tecnologia e ad alto valore aggiunto puntano a un basso consumo energetico, a basse radiazioni elettromagnetiche, ad un’elevata affidabilità, alla miniaturizzazione e alla leggerezza. Per raggiungere questi obiettivi, la progettazione dei via rappresenta un fattore fondamentale nella progettazione dei PCB.

Componenti di base e specifiche tecniche dei fori di collegamento dei circuiti stampati (PCB)

I via sono un elemento fondamentale nella progettazione di circuiti stampati multistrato. Un via è costituito principalmente da tre parti: il foro stesso, l’area del pad circostante e l’area di isolamento dello strato di alimentazione. Il processo di produzione dei via prevede il deposito chimico di uno strato metallico sulla superficie cilindrica della parete del via per collegare le lamine di rame negli strati intermedi. Le superfici superiore e inferiore del via hanno la forma di normali pad, che possono essere collegati direttamente alle piste sulle superfici superiore e inferiore oppure lasciati scollegati. I via servono a fornire collegamenti elettrici e a fissare o posizionare i componenti.

Classificazione dei fori passanti

I fori di collegamento vengono generalmente classificati in tre categorie: fori ciechi, fori nascosti e fori passanti.

foro cieco	I fori ciechi si trovano sulle superfici superiore e inferiore dei circuiti stampati, hanno una certa profondità e vengono utilizzati per collegare i circuiti superficiali a quelli interni sottostanti. La profondità e il diametro del foro non superano in genere un determinato rapporto.
Buco sepolto	I via sepolti sono fori di collegamento situati sullo strato interno di un circuito stampato che non si estendono fino alla superficie della scheda.
Foro passante	I fori passanti sono fori che attraversano l'intero circuito stampato e possono essere utilizzati per realizzare interconnessioni interne o come fori di montaggio per i componenti. Poiché i fori passanti sono più facili da realizzare e meno costosi, sono comunemente utilizzati nei circuiti stampati.

Analisi della progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati

Sia i fori ciechi che quelli sepolti si trovano sugli strati interni di un circuito stampato. Vengono realizzati mediante un processo di stampaggio a foro passante prima della laminazione, e durante il processo di formazione dei fori è possibile che diversi strati interni si sovrappongano. Poiché i fori passanti sono più facili da realizzare e hanno costi inferiori, vengono utilizzati nella stragrande maggioranza dei circuiti stampati al posto degli altri due tipi di vie. Se non diversamente specificato, le vie menzionate di seguito sono considerate fori passanti.

Dal punto di vista della progettazione dei circuiti stampati, un via è costituito principalmente da due parti: il foro al centro e l’area del pad che circonda il foro. Le dimensioni di queste due parti determinano le dimensioni del via. Ovviamente, nella progettazione di PCB ad alta velocità e ad alta densità, i progettisti preferiscono sempre che i via siano il più piccoli possibile, in modo da lasciare più spazio per l’instradamento sulla scheda. Inoltre, i via più piccoli presentano una capacità parassita inferiore, il che li rende più adatti ai circuiti ad alta velocità. Tuttavia, ridurre le dimensioni del via comporta anche un aumento dei costi, e le dimensioni non possono essere ridotte all’infinito. Esse sono limitate dai processi di foratura e placcatura: i fori più piccoli richiedono tempi di foratura più lunghi e sono più soggetti a problemi di centraggio; inoltre, quando la profondità del foro supera sei volte il diametro della punta, non è possibile garantire una placcatura in rame uniforme sulle pareti del foro. Ad esempio, lo spessore (profondità del foro passante) di un tipico PCB a 6 strati è di circa 50 mil, pertanto i produttori di PCB possono fornire diametri di foratura non inferiori a 8 mil.

Capacità parassita dei fori di collegamento

I via stessi presentano una capacità parassita verso massa. Se il diametro del via sul piano di massa è D2, il diametro del pad del via è D1, lo spessore del PCB è T, e la costante dielettrica del substrato è ε, allora la capacità parassita del via è approssimativamente: C = 1,41εTD1/(D2-D1). L’effetto principale della capacità parassita dei via sul circuito è quello di prolungare il tempo di salita del segnale e ridurre la velocità del circuito. Ad esempio, per un PCB dello spessore di 50 mil, se si utilizza un via con un diametro interno di 10 mil e un diametro del pad di 20 mil, e la distanza tra il pad e l’area di rame di massa è di 32 mil, allora possiamo approssimare la capacità parassita del via utilizzando la formula sopra riportata: C = 1,41 × 4,4 × 0,050 × 0,020 / (0,032 – 0,020) = 0,517 pF. La variazione del tempo di salita causata da questa capacità è: T10 – 90 = 2,2C(Z0/2) = 2,2 × 0,517 × (55/2) = 31,28 ps. Da questi valori si evince che, sebbene l’effetto della riduzione del tempo di salita causato dalla capacità parassita di un singolo via non sia molto significativo, i progettisti dovrebbero comunque valutare attentamente l’uso di via per il cambio di strato più volte nel tracciato.

Come si calcola la capacità parassita?

Il via stesso presenta una capacità parassita verso massa. Se il diametro del foro di isolamento del via sul piano di massa è D2, il diametro del pad del via è D1, lo spessore del PCB è T e la costante dielettrica del substrato è ε, allora il valore della capacità parassita del via è approssimativamente:

C = K * ε0 * 3,14 * TD1 / (D2 – D1)

Dove ε0 è la permittività del vuoto e K è la permittività relativa (rispetto al vuoto ε0) del PCB.

Induttanza parassita dei fori passanti

I via presentano sia capacità parassita che induttanza parassita. Nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, gli effetti negativi dell’induttanza parassita dei via spesso superano quelli della capacità parassita. La loro induttanza parassita in serie indebolisce il contributo dei condensatori di bypass, riducendo l’efficacia di filtraggio dell’intero sistema di alimentazione. È possibile utilizzare la seguente formula per calcolare approssimativamente l’induttanza parassita di un via: L = 5,08h[ln(4h/d) + 1], dove L è l’induttanza del via, h è la lunghezza del via e d è il diametro del foro centrale. Dalla formula si evince che il diametro del via ha un impatto relativamente modesto sull’induttanza, mentre la lunghezza del via ha l’impatto maggiore. Utilizzando l’esempio sopra riportato, l’induttanza del via può essere calcolata come: L = 5,08 × 0,050[ln(4 × 0,050/0,010) + 1] = 1,015 nH. Se il tempo di salita del segnale è pari a 1 ns, la sua impedenza equivalente è: XL = πL/(10⁻⁹⁰) = 3,19 Ω. Tale impedenza non può essere trascurata quando è attraversata da corrente ad alta frequenza. Occorre prestare particolare attenzione al fatto che, quando il condensatore di bypass è collegato al piano di alimentazione e al piano di massa, deve passare attraverso due fori passanti, il che moltiplica l’induttanza parassita dei fori stessi.

Come si calcola l'induttanza parassita?

Analogamente, i via presentano sia una capacità parassita che un’induttanza parassita. Nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, gli effetti negativi dell’induttanza parassita dei via spesso superano l’impatto della capacità parassita. La loro induttanza parassita in serie indebolisce il contributo dei condensatori di bypass, riducendo così l’efficacia di filtraggio dell’intero sistema di alimentazione.

È possibile calcolare facilmente l'induttanza parassita di un via utilizzando la seguente formula:

L = 5,08 h [ln(4 h/d) + 1]

L indica l'induttanza del via.

h è la lunghezza della via.

d è il diametro del foro centrale.

Come si può notare dalla formula, il diametro del via ha un impatto relativamente modesto sull’induttanza, mentre la lunghezza del via è il fattore che incide maggiormente su di essa. La capacità parassita del via influisce principalmente sul circuito allungando il tempo di salita del segnale e riducendone la velocità.

Progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati tecniche

Dall'analisi sopra riportata delle caratteristiche parassite dei via, si evince che nella progettazione dei circuiti stampati (PCB) i via, apparentemente semplici, possono spesso comportare effetti negativi significativi sulla progettazione del circuito. Per ridurre gli effetti negativi derivanti dagli effetti parassiti dei via, durante il processo di progettazione è opportuno tenere conto dei seguenti aspetti:

(1) Scegliere una dimensione ragionevole per i via. Per i progetti di PCB multistrato con densità standard, sono preferibili via da 0,25 mm/0,51 mm/0,91 mm (foro/pad/area di isolamento POWER); per alcuni PCB ad alta densità, è possibile utilizzare anche vie da 0,20 mm/0,46 mm/0,86 mm, oppure provare vie non passanti; per le vie di alimentazione o di massa, si possono prendere in considerazione dimensioni maggiori per ridurre l’impedenza;

(2) Più ampia è l'area di isolamento POWER, meglio è. Tenendo conto della densità dei fori di collegamento sul PCB, in genere si ha D1 = D2 + 0,41 mm.

(3) Le tracce dei segnali sul circuito stampato non dovrebbero cambiare strato il più possibile, ovvero il numero di fori di collegamento dovrebbe essere ridotto al minimo;

(4) L'utilizzo di un PCB più sottile contribuisce a ridurre i due parametri parassiti dei via;

(5) I pin di alimentazione e di massa devono essere collegati tramite vie il più vicino possibile, e i conduttori tra le vie e i pin devono essere il più corti possibile, poiché aumentano l'induttanza. Allo stesso tempo, i conduttori di alimentazione e di massa devono essere il più spessi possibile per ridurre l'impedenza;

(6) Posizionare alcuni via di messa a terra in prossimità dei via utilizzati per il passaggio da uno strato di segnale all’altro, in modo da creare percorsi ad anello di breve distanza per i segnali. Naturalmente, durante il processo di progettazione è necessario analizzare caso per caso eventuali problemi specifici. Tenendo conto sia dei costi che della qualità del segnale, i progettisti mirano sempre a realizzare vie il più piccole possibile nella progettazione di PCB ad alta velocità, in modo da lasciare più spazio per il cablaggio sulla scheda. Inoltre, più piccola è la via, minore è la sua capacità parassita, il che la rende più adatta ai circuiti ad alta velocità. Nella progettazione di PCB ad alta densità, l’uso di vie non passanti e la riduzione delle dimensioni delle vie hanno comportato un aumento dei costi. Inoltre, le dimensioni delle vie non possono essere ridotte all’infinito, poiché sono limitate dai processi di foratura e galvanizzazione di Produttori di circuiti stampati. Nella progettazione delle vie dei circuiti stampati ad alta velocità è necessario garantire un giusto equilibrio.

Tramite selezione nei circuiti stampati standard

Nella progettazione generale dei PCB, la capacità e l’induttanza parassite dei via hanno un impatto relativamente limitato sul progetto stesso. Per i PCB da 1 a 4 strati, si preferiscono generalmente via da 0,36 mm/0,61 mm/1,02 mm (fori di foratura/pad/aree di isolamento POWER). Per alcune linee di segnale con requisiti particolari (come linee di alimentazione, linee di terra, linee di clock, ecc.), è possibile utilizzare vie da 0,41 mm/0,81 mm/1,32 mm oppure scegliere vie di altre dimensioni in base alla situazione specifica.

Tecnologia senza fori passanti nella progettazione dei fori passanti dei circuiti stampati

I fori passanti non a foro passante comprendono i fori ciechi e quelli sepolti. L'utilizzo di fori ciechi e sepolti nella tecnologia dei fori passanti non a foro passante può ridurre significativamente le dimensioni e il peso dei circuiti stampati, diminuire il numero di strati, migliorare la compatibilità elettromagnetica, potenziare le caratteristiche dei prodotti elettronici, ridurre i costi e, inoltre, rendere il processo di progettazione più semplice e veloce.

Nella progettazione e produzione tradizionale dei PCB, i fori di collegamento presentano numerosi problemi. Innanzitutto, occupano una quantità significativa di spazio utilizzabile. In secondo luogo, un gran numero di fori raggruppati crea ostacoli notevoli per l’interconnessione all’interno dei PCB multistrato. Questi via consumano lo spazio necessario per il tracciamento e la loro fitta penetrazione attraverso le superfici degli strati di alimentazione e di massa può alterarne le caratteristiche di impedenza, causandone potenzialmente il malfunzionamento. Inoltre, la foratura meccanica convenzionale richiede un impiego di manodopera 20 volte superiore rispetto all’utilizzo di tecniche che non prevedono l’uso di via passanti.

Nella progettazione dei circuiti stampati, sebbene le dimensioni dei pad e dei via siano gradualmente diminuite, se lo spessore dello strato della scheda non diminuisce in modo proporzionale, il rapporto di aspetto dei fori passanti aumenta, riducendo così l’affidabilità. Con la maturazione delle tecnologie avanzate di foratura laser e incisione a secco al plasma, è diventato possibile l’utilizzo di via cieche di piccole dimensioni senza foro passante e di piccole via sepolte. Se il diametro di questi via non passanti è pari a 0,3 mm, i parametri parassiti risultanti sono circa 1/10 di quelli dei via convenzionali, migliorando l’affidabilità del PCB. Grazie all’uso della tecnologia dei via non passanti, sul PCB, garantendo così più spazio per le tracce.

Lo spazio rimanente può essere utilizzato per una schermatura su ampia superficie, al fine di migliorare le prestazioni EMI/RFI. Allo stesso tempo, è possibile utilizzare ulteriore spazio rimanente per la schermatura parziale dei componenti e delle reti critiche negli strati interni, garantendo prestazioni elettriche ottimali. L’uso di fori non passanti facilita il fan-out dei terminali dei componenti, semplificando l’interconnessione di dispositivi ad alta densità di pin (come quelli con packaging BGA), riducendo le lunghezze delle interconnessioni e soddisfacendo i requisiti di temporizzazione dei circuiti ad alta velocità.

Qual è la differenza tra i fori passanti dei circuiti stampati e i fori dei componenti?

Nella progettazione dei circuiti stampati, esiste una differenza tra i via e i fori dei componenti, che non devono mai essere utilizzati in modo intercambiabile.

I vie servono generalmente a facilitare la conduzione tra due lati, e il metodo di lavorazione convenzionale consiste nell'applicare un rivestimento a base di olio.

I fori dei componenti sono in genere progettati come fori di inserimento da utilizzare durante la saldatura a inserimento.

Se i fori passanti e i fori dei componenti vengono utilizzati in modo intercambiabile, quando si seleziona l’inchiostro di copertura dei fori passanti, i fori passanti verranno coperti o ostruiti dall’inchiostro, rendendo impossibile controllarne efficacemente le dimensioni. Un'altra situazione è quella in cui i fori dei componenti vengono erroneamente utilizzati come vie. In questo caso, quando il software chiude automaticamente la finestra delle vie, non è in grado di identificare correttamente la via, con il risultato che le vie che necessitano di inchiostro di copertura non vengono coperte.

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Riassumi

Questo articolo non solo riassume le tecniche di progettazione dei via nei PCB raccolte dal team di ingegneri di Geyuan Electronics, ma fornisce anche informazioni fondamentali sui via e sulle attuali tecnologie avanzate relative ai via nei PCB. Seguire queste regole e tecniche di progettazione può migliorare significativamente l’integrità del segnale, l’efficienza della gestione termica e la resa al primo passaggio. È essenziale eseguire il DRC (Design Rule Check) nelle fasi finali del processo di progettazione e ottimizzare il progetto in base alle specifiche di processo del produttore di PCB. Se state cercando un produttore di PCB professionale per la produzione in serie dei vostri prodotti PCB, vi preghiamo di contattaci per ricevere assistenza.