Via-ontwerptechnieken bij het ontwerpen van printplaten

In PCB-ontwerp, via-ontwerp is een cruciale factor. Het bestaat uit het gat, het omliggende padgebied en het isolatiegebied van de POWER-laag, en wordt over het algemeen ingedeeld in drie soorten: blinde via’s, verborgen via’s en doorgaande via’s. Het engineeringteam bij Geyuan Electronics, heeft door middel van een analyse van de parasitaire capaciteit en inductie in via’s tijdens het PCB-ontwerpproces een aantal belangrijke aandachtspunten en bijbehorende ontwerptechnieken voor het ontwerpen van PCB-via’s op een rijtje gezet. Tegenwoordig wordt printplaatontwerp op grote schaal toegepast in sectoren zoals communicatie, computers en grafische verwerking. Bij alle hightech elektronische productontwerpen met een hoge toegevoegde waarde wordt gestreefd naar een laag stroomverbruik, lage elektromagnetische straling, hoge betrouwbaarheid, miniaturisatie en een laag gewicht. Om deze doelen te bereiken, is het ontwerp van via's een cruciale factor in het printplaatontwerp.

Basisonderdelen en technische specificaties van PCB-via’s

Via’s vormen een cruciaal onderdeel bij het ontwerpen van meerlaagse printplaten. Een via bestaat hoofdzakelijk uit drie delen: het gat zelf, het omliggende padgebied en het isolatiegebied van de voedingslaag. Bij het fabricageproces van een via wordt chemisch een metaallaag aangebracht op het cilindrische oppervlak van de via-wand om de koperen folies in de tussenliggende lagen met elkaar te verbinden. De boven- en onderkant van de via hebben de vorm van gewone pads, die direct kunnen worden verbonden met de sporen op de boven- en onderkant, of los kunnen blijven. Via's dienen om elektrische verbindingen tot stand te brengen en om componenten te bevestigen of te positioneren.

Indeling van doorvoergaten

Doorgangen worden over het algemeen ingedeeld in drie categorieën: blinde gaten, verborgen gaten en doorgaande gaten.

blindgat	Blinde via’s bevinden zich op de boven- en onderzijde van printplaten, hebben een bepaalde diepte en worden gebruikt om circuits aan de oppervlakte te verbinden met onderliggende interne circuits. De diepte en diameter van de via overschrijden doorgaans een bepaalde verhouding niet.
Begraven gat	Verborgen via’s zijn verbindingsgaten die zich op de binnenste laag van een printplaat bevinden en niet doorlopen tot aan het oppervlak van de printplaat.
Doorgaand gat	Doorvoergaten zijn gaten die door de gehele printplaat lopen en die kunnen worden gebruikt voor interne verbindingen of als bevestigingsgaten voor componenten. Omdat doorvoergaten eenvoudiger te vervaardigen en goedkoper zijn, worden ze veelvuldig toegepast in printplaten.

Ontwerpanalyse van via's op printplaten

Zowel blinde via’s als verborgen via’s bevinden zich op de binnenlagen van een printplaat. Ze worden gevormd door middel van een doorgaand-gat-gietproces vóór het lamineren, en tijdens het vormingsproces van de via’s kunnen verschillende binnenlagen elkaar overlappen. Omdat doorgaande gaten eenvoudiger te realiseren zijn en lagere kosten met zich meebrengen, worden ze in de overgrote meerderheid van de printplaten gebruikt in plaats van de andere twee soorten via's. Tenzij anders vermeld, worden de hieronder genoemde via's beschouwd als doorgaande gaten.

Vanuit het oogpunt van PCB-ontwerp bestaat een via hoofdzakelijk uit twee delen: het boorgat in het midden en het padgebied rondom het boorgat. De afmetingen van deze twee delen bepalen de grootte van de via. Het spreekt voor zich dat ontwerpers bij het ontwerpen van printplaten met hoge snelheid en hoge dichtheid er altijd de voorkeur aan geven dat via's zo klein mogelijk zijn, zodat er meer ruimte overblijft voor het aanleggen van leidingen op de printplaat. Bovendien hebben kleinere via's een lagere parasitaire capaciteit, waardoor ze geschikter zijn voor circuits met hoge snelheid. Het verkleinen van de via-afmetingen brengt echter ook hogere kosten met zich mee, en de afmetingen kunnen niet oneindig worden verkleind. Dit wordt beperkt door de boor- en galvaniseerprocessen: kleinere gaten vereisen langere boortijden en zijn gevoeliger voor uitcentrering; en wanneer de gatdiepte meer dan zes keer de boordiameter bedraagt, kan een gelijkmatige koperafzetting op de gatwanden niet worden gegarandeerd. De dikte (diepte van het doorlopende gat) van een typische 6-laags printplaat is bijvoorbeeld ongeveer 50 mil, waardoor printplaatfabrikanten slechts boordiameters tot 8 mil kunnen leveren.

Parasitaire capaciteit van via’s

Via’s hebben zelf een parasitaire capaciteit ten opzichte van aarde. Als de diameter van de via op het aardvlak D2 is, de diameter van het via-contactvlak D1, de dikte van de printplaat T, en de diëlektrische constante van het substraat ε is, dan is de parasitaire capaciteit van de via ongeveer: C = 1,41εTD1/(D2-D1). Het belangrijkste effect van de parasitaire capaciteit van via's op het circuit is dat de stijgtijd van het signaal wordt verlengd en de snelheid van het circuit wordt verminderd. Bijvoorbeeld: voor een printplaat met een dikte van 50 mil, waarbij een via met een binnendiameter van 10 mil en een paddiameter van 20 mil wordt gebruikt, en de afstand tussen het pad en het aardingsgebied van koper 32 mil bedraagt, kunnen we de parasitaire capaciteit van de via bij benadering berekenen met behulp van bovenstaande formule: C = 1,41 x 4,4 x 0,050 x 0,020 / (0,032 – 0,020) = 0,517 pF. De verandering in stijgtijd die door deze capaciteit wordt veroorzaakt, is: T10 – 90 = 2,2C(Z0/2) = 2,2 × 0,517 × (55/2) = 31,28 ps. Uit deze waarden blijkt dat, hoewel het effect van de verkorte stijgtijd als gevolg van de parasitaire capaciteit van een enkele via niet erg groot is, ontwerpers toch zorgvuldig moeten overwegen of ze via’s gebruiken voor het meerdere keren wisselen van laag tijdens het routeren.

Hoe bereken je de parasitaire capaciteit?

De via zelf heeft een parasitaire capaciteit ten opzichte van aarde. Als de diameter van het isolatiegat van de via op het aardvlak D2 is, de diameter van het via-pad D1, de dikte van de printplaat T en de diëlektrische constante van het substraat ε, dan is de grootte van de parasitaire capaciteit van de via ongeveer:

C = K * ε0 * 3,14 * TD1 / (D2 – D1)

Waarbij ε₀ de permittiviteit in vacuüm is en K de relatieve permittiviteit (ten opzichte van ε₀ in vacuüm) van de printplaat.

Parasitaire inductie van via’s

Via’s hebben zowel parasitaire capaciteit als parasitaire inductie. Bij het ontwerpen van digitale hogesnelheidsschakelingen wegen de nadelige effecten van de parasitaire inductie van via’s vaak zwaarder dan die van de parasitaire capaciteit. De parasitaire serie-inductie ervan verzwakt de bijdrage van bypass-condensatoren, waardoor de filtereffectiviteit van het gehele voedingssysteem afneemt. We kunnen de volgende formule gebruiken om de geschatte parasitaire inductie van een via globaal te berekenen: L = 5,08h[ln(4h/d) + 1], waarbij L de inductie van de via is, h de lengte van de via en d de diameter van het centrale boorgat. Uit de formule blijkt dat de diameter van de via een relatief kleine invloed heeft op de inductie, terwijl de lengte van de via de grootste invloed heeft. Aan de hand van het bovenstaande voorbeeld kan de via-inductantie als volgt worden berekend: L = 5,08 x 0,050[ln(4 x 0,050/0,010) + 1] = 1,015 nH. Als de stijgtijd van het signaal 1 ns is, dan is de equivalente impedantie: XL = πL/(T10 – 90) = 3,19 Ω. Een dergelijke impedantie kan niet worden genegeerd wanneer er hoogfrequente stroom doorheen gaat. Er moet speciale aandacht worden besteed aan het feit dat wanneer de bypass-condensator is aangesloten op het voedingsvlak en het aardvlak, deze door twee via’s moet lopen, waardoor de parasitaire inductie van de via’s wordt vermenigvuldigd.

Hoe bereken je de parasitaire inductie?

Evenzo vertonen via’s zowel parasitaire capaciteit als parasitaire inductie. Bij het ontwerpen van snelle digitale schakelingen wegen de nadelige effecten van de parasitaire inductie van via's vaak zwaarder dan de invloed van parasitaire capaciteit. De parasitaire serie-inductie ervan verzwakt de bijdrage van bypass-condensatoren, waardoor de filtereffectiviteit van het gehele voedingssysteem afneemt.

We kunnen de parasitaire inductie van een via eenvoudig berekenen met behulp van de volgende formule:

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

L verwijst naar de inductie van de via.

h is de lengte van de via.

d is de diameter van het centrale boorgat.

Zoals uit de formule blijkt, heeft de diameter van de via een relatief kleine invloed op de inductie, terwijl de lengte van de via de grootste invloed op de inductie heeft. De parasitaire capaciteit van de via beïnvloedt het circuit vooral doordat deze de stijgtijd van het signaal verlengt en de snelheid van het circuit vermindert.

Ontwerp van via's op printplaten technieken

Uit bovenstaande analyse van de parasitaire eigenschappen van via’s blijkt dat ogenschijnlijk eenvoudige via’s bij het ontwerpen van printplaten vaak aanzienlijke negatieve gevolgen kunnen hebben voor het circuitontwerp. Om de nadelige gevolgen van parasitaire effecten van via’s te beperken, moet tijdens het ontwerpproces rekening worden gehouden met het volgende:

(1) Kies een redelijke via-grootte. Voor meerlaagse printplaatontwerpen met een gemiddelde dichtheid hebben via’s van 0,25 mm/0,51 mm/0,91 mm (boorgat/pad/POWER-isolatiegebied) de voorkeur; voor sommige printplaten met hoge dichtheid kunnen ook via's van 0,20 mm/0,46 mm/0,86 mm worden gebruikt, of kan worden geëxperimenteerd met via's zonder doorgaand gat; voor voedings- of aardingsvia's kunnen grotere afmetingen worden overwogen om de impedantie te verlagen;

(2) Hoe groter het POWER-isolatiegebied, hoe beter. Rekening houdend met de via-dichtheid op de printplaat geldt doorgaans D1 = D2 + 0,41 mm.

(3) Signaaltrajecten op de printplaat mogen zo min mogelijk van laag wisselen; met andere woorden, het aantal via’s moet tot een minimum worden beperkt;

(4) Door een dunnere printplaat te gebruiken, kunnen de twee parasitaire parameters van via’s worden verminderd;

(5) De voedings- en aardingspinnen moeten via’s zo dicht mogelijk bij elkaar worden aangesloten, en de verbindingsdraden tussen de via’s en de pinnen moeten zo kort mogelijk zijn, aangezien deze de inductie vergroten. Tegelijkertijd moeten de voedings- en aardingsdraden zo dik mogelijk zijn om de impedantie te verminderen;

(6) Plaats enkele aardingsvia’s in de buurt van de via’s voor het overschakelen tussen signaallagen, om zo korte lussen voor de signalen te creëren. Uiteraard moeten specifieke problemen tijdens het ontwerpproces per geval worden geanalyseerd. Gezien zowel de kosten als de signaalkwaliteit streven ontwerpers er bij het ontwerpen van high-speed printplaten altijd naar om via's zo klein mogelijk te houden, zodat er meer ruimte overblijft voor bedrading op de printplaat. Bovendien geldt: hoe kleiner de via, hoe kleiner de parasitaire capaciteit, wat geschikter is voor high-speed circuits. Bij het ontwerpen van printplaten met hoge dichtheid hebben het gebruik van non-through-hole-via’s en de verkleining van de via-afmetingen geleid tot een stijging van de kosten. Bovendien kunnen de afmetingen van via’s niet oneindig worden verkleind. Dit wordt beperkt door de boor- en galvanisatieprocessen van Printplaatfabrikanten. Bij het ontwerp van de via’s in printplaten voor hoge snelheden moet er een evenwicht worden gevonden.

Via-selectie in standaardprintplaten

Bij het ontwerpen van printplaten in het algemeen hebben de parasitaire capaciteit en inductie van via’s een relatief kleine invloed op het ontwerp. Voor ontwerpen met 1 tot 4 lagen worden doorgaans via’s van 0,36 mm/0,61 mm/1,02 mm (boorgaten/pads/POWER-isolatiegebieden) geprefereerd. Voor sommige signaallijnen met speciale vereisten (zoals voedingslijnen, aardingslijnen, kloklijnen, enz.) kunnen via's van 0,41 mm/0,81 mm/1,32 mm worden gebruikt, of kunnen andere afmetingen van via's worden gekozen, afhankelijk van de concrete situatie.

Technologie zonder doorvoergaten bij het ontwerp van via's op printplaten

Tot de niet-doorlopende via’s behoren blinde via’s en verborgen via’s. Het gebruik van blinde en verborgen via’s in de technologie van niet-doorlopende via’s kan de afmetingen en het gewicht van printplaten aanzienlijk verminderen, het aantal lagen verminderen, de elektromagnetische compatibiliteit verbeteren, de functionaliteit van elektronische producten vergroten, de kosten verlagen en bovendien het ontwerpproces eenvoudiger en sneller maken.

Bij het traditionele ontwerp en de productie van printplaten leveren via’s talrijke problemen op. Ten eerste nemen ze een aanzienlijke hoeveelheid bruikbare ruimte in beslag. Ten tweede vormen grote aantallen dicht op elkaar gelegen via’s aanzienlijke obstakels voor het routeren binnen meerlaagse printplaten. Deze via's nemen de ruimte in beslag die nodig is voor het routeren, en hun dichte penetratie door de oppervlakken van voedings- en aardingslagen kan de impedantie-eigenschappen ervan verstoren, wat mogelijk tot storingen kan leiden. Bovendien is conventioneel mechanisch boren 20 keer arbeidsintensiever dan het gebruik van technieken zonder doorgaande via's.

Bij het ontwerpen van printplaten zijn de afmetingen van pads en via’s weliswaar geleidelijk kleiner geworden, maar als de dikte van de printplaatlagen niet evenredig afneemt, neemt de aspectverhouding van doorgaande gaten toe, wat ten koste gaat van de betrouwbaarheid. Dankzij de verdere ontwikkeling van geavanceerde laserboor- en plasma-droogetsingstechnologieën is het nu mogelijk om kleine, niet-doorgaande blinde via's en kleine begraven via's toe te passen. Als de diameter van deze niet-doorgaande via's 0,3 mm bedraagt, bedragen de resulterende parasitaire parameters ongeveer 1/10 van die van conventionele via's, wat de betrouwbaarheid van de printplaat verbetert. Door het gebruik van niet-doorgaande technologie zijn er minder grote via's op de PCB, waardoor er meer ruimte ontstaat voor sporen.

De resterende ruimte kan worden gebruikt voor afscherming van grote oppervlakken om de EMI/RFI-prestaties te verbeteren. Tegelijkertijd kan meer resterende ruimte worden gebruikt voor gedeeltelijke afscherming van componenten en kritieke netwerken in de binnenste lagen, waardoor optimale elektrische prestaties worden gewaarborgd. Het gebruik van non-through-vias vergemakkelijkt de fan-out van componentdraden, waardoor het eenvoudiger wordt om componenten met een hoge pindichtheid (zoals componenten in BGA-behuizing) te routeren, de lengte van de verbindingen te verkorten en te voldoen aan de timingvereisten van hogesnelheidscircuits.

Wat is het verschil tussen via's op een printplaat en gaten voor componenten?

Bij het ontwerpen van printplaten is er een verschil tussen via’s en componentgaten, en deze mogen nooit door elkaar worden gebruikt.

Vias dienen over het algemeen om de geleiding tussen twee zijden te vergemakkelijken, en de gebruikelijke verwerkingsmethode bestaat uit het aanbrengen van een olielaag.

Componentgaten worden doorgaans ontworpen als insteekgaten voor gebruik bij het insteeksolderen.

Als via’s en componentgaten door elkaar worden gebruikt, worden bij het selecteren van via-afdekinkt de doorgaande gaten bedekt of geblokkeerd door inkt, waardoor het onmogelijk wordt om de afmetingen effectief te regelen. Een andere situatie is dat componentgaten ten onrechte als via's worden gebruikt. Wanneer de software in dit geval het via-venster automatisch sluit, kan zij de via niet effectief identificeren, met als gevolg dat via's die bedekkingsinkt nodig hebben, niet worden bedekt.

Waarom zou u Geyuan Electronics kiezen voor de productie van uw printplaten in grote hoeveelheden?

Geyuan Electronics is een door AI aangestuurd, allesomvattend platform voor intelligente productie-infrastructuur voor elektronische producten. Door industriële software en ecosystemen voor ingenieurs te integreren, fabrikant van originele onderdelen (OEM) toeleveringsketen-ecosystemen en flexibele productie-ecosystemen: we hebben een gesloten ecosysteem opgezet voor de productie van elektronische producten en de bijbehorende toeleveringsketen, met als doel hardware-innovatie te vereenvoudigen. Sinds 2024 werken we aan de ontwikkeling van de “Geyuan Solution”, die uitblinkt in superieure ontwerpcapaciteiten voor IoT-oplossingen; AI-agenten en tools voor elektronische ontwerpautomatisering; geavanceerde interne analyse-tools voor de produceerbaarheid van ontwerpen; een allesomvattend inkoopsysteem voor elektronische componenten; een uiterst betrouwbaar systeem voor onderzoek, ontwikkeling en intelligente productie van meerlaagse printplaten; SMT-assemblage; PCBA; en totaaloplossingen voor onderzoek en ontwikkeling (R&D) en contractproductie van elektronische producten. Wij bieden klanten een allesomvattende, intelligente oplossing die ontwerp, productie, inkoop en levering met elkaar verbindt. Hiermee geven we het gefragmenteerde en door informatieasymmetrie gekenmerkte model van de traditionele productie van elektronische producten een nieuwe vorm, verbeteren we de efficiëntie van de gehele keten – van ontwerp tot massaproductie – en creëren we waarde voor de creatieve ideeën van gebruikers.

Samenvatten

Dit artikel geeft niet alleen een overzicht van de ontwerptechnieken voor via’s op printplaten, zoals samengesteld door het engineeringteam van Geyuan Electronics, maar behandelt ook basisinformatie over via’s en de huidige geavanceerde technologieën op dit gebied. Het volgen van deze regels en ontwerptechnieken kan de signaalintegriteit, de efficiëntie van het thermisch beheer en de first-pass-opbrengst aanzienlijk verbeteren. Het is essentieel om in de latere fasen van het ontwerpproces een DRC (Design Rule Check) uit te voeren en het ontwerp te optimaliseren volgens de processpecificaties van de PCB-fabrikant. Als u momenteel op zoek bent naar een professionele PCB-fabrikant voor de massaproductie van uw PCB-producten, neem dan neem contact met ons op voor hulp.