Techniki projektowania obwodów drukowanych

W Projektowanie płytek drukowanych, konstrukcja przelotek ma kluczowe znaczenie. Składa się ona z otworu, otaczającego go obszaru podkładki oraz obszaru izolacji warstwy zasilającej i zazwyczaj dzieli się na trzy rodzaje: przelotki ślepe, przelotki zakopane oraz przelotki przelotowe. Zespół inżynierów w Geyuan Electronics, w oparciu o analizę pojemności i indukcyjności pasożytniczych w przelotkach w trakcie procesu projektowania płytek drukowanych, podsumowano kilka kluczowych kwestii oraz powiązanych technik projektowych dotyczących projektowania przelotek w płytkach drukowanych. Obecnie projektowanie płytek drukowanych jest szeroko stosowane w takich dziedzinach, jak telekomunikacja, informatyka i przetwarzanie grafiki. Wszystkie projekty zaawansowanych technologicznie produktów elektronicznych o wysokiej wartości dodanej dążą do niskiego zużycia energii, niskiego promieniowania elektromagnetycznego, wysokiej niezawodności, miniaturyzacji i lekkości. Aby osiągnąć te cele, projektowanie przelotek jest kluczowym czynnikiem w projektowaniu płytek drukowanych.

Podstawowe elementy i parametry techniczne przelotek w płytkach drukowanych

Przelotki stanowią kluczowy element projektu wielowarstwowych płytek drukowanych. Przelotka składa się zasadniczo z trzech części: samego otworu, otaczającego go obszaru podkładki oraz obszaru izolacji warstwy zasilającej. Proces wytwarzania przelotki polega na chemicznym osadzaniu warstwy metalu na cylindrycznej powierzchni ścianki przelotki w celu połączenia folii miedzianych w warstwach pośrednich. Górna i dolna powierzchnia przelotki mają kształt zwykłych pól upajowych, które można bezpośrednio połączyć ze ścieżkami na górnej i dolnej powierzchni lub pozostawić niepołączone. Przelotki służą do zapewnienia połączeń elektrycznych oraz do mocowania lub pozycjonowania elementów.

Klasyfikacja przelotek

Otwory przelotowe dzieli się zazwyczaj na trzy kategorie: otwory ślepe, otwory ukryte i otwory przelotowe.

otwór nieprzelotowy	Przepusty ślepe znajdują się na górnej i dolnej powierzchni płytek drukowanych, mają określoną głębokość i służą do łączenia obwodów powierzchniowych z leżącymi poniżej obwodami wewnętrznymi. Głębokość i średnica przepustu zazwyczaj nie przekraczają określonego stosunku.
Zakopana dziura	Przepusty ukryte to otwory łączące znajdujące się na wewnętrznej warstwie płytki drukowanej, które nie sięgają do powierzchni płytki.
Otwór przelotowy	Otwory przelotowe to otwory przebiegające przez całą płytkę drukowaną, które mogą służyć do tworzenia połączeń wewnętrznych lub jako otwory montażowe dla elementów. Ponieważ otwory przelotowe są łatwiejsze w produkcji i tańsze, są powszechnie stosowane w płytkach drukowanych.

Analiza projektu przelotek w płytkach drukowanych

Zarówno przelotki ślepe, jak i przelotki ukryte znajdują się na warstwach wewnętrznych płytki drukowanej. Powstają one w procesie formowania otworów przelotowych przed laminowaniem, a podczas tworzenia przelotek może dochodzić do nakładania się kilku warstw wewnętrznych. Ponieważ przelotki są łatwiejsze do wykonania i tańsze, stosuje się je w zdecydowanej większości płytek drukowanych zamiast dwóch pozostałych rodzajów przelotek. O ile nie określono inaczej, przelotki wymienione poniżej uznaje się za przelotki.

Z punktu widzenia projektowania płytek drukowanych przelotka składa się głównie z dwóch części: otworu wywierconego w środku oraz obszaru padów otaczających ten otwór. Rozmiar tych dwóch części określa rozmiar przelotki. Oczywiście przy projektowaniu płytek PCB o dużej szybkości i gęstości projektanci zawsze preferują przelotki tak małe, jak to tylko możliwe, co pozwala na uzyskanie większej przestrzeni do trasowania na płytce. Ponadto mniejsze przelotki mają mniejszą pojemność pasożytniczą, co sprawia, że lepiej nadają się do obwodów o dużej szybkości. Jednak zmniejszenie rozmiaru przelotki wiąże się również ze wzrostem kosztów, a rozmiar ten nie może być zmniejszany w nieskończoność. Jest on ograniczony przez procesy wiercenia i powlekania: mniejsze otwory wymagają dłuższego czasu wiercenia i są bardziej podatne na odchylenia od osi; a gdy głębokość otworu przekracza sześciokrotność średnicy wiertła, nie można zagwarantować równomiernego pokrycia ścianek otworu miedzią. Na przykład grubość (głębokość otworu przelotowego) typowej 6-warstwowej płytki PCB wynosi około 50 mil, więc producenci płytek PCB mogą zapewnić średnice wierteł nie mniejsze niż 8 mil.

Pojemność pasożytnicza przelotek

Same przelotki mają pojemność pasożytniczą względem masy. Jeśli średnica przelotki na płaszczyźnie masy wynosi D2, średnica podkładki przelotki wynosi D1, a grubość płytki PCB wynosi T, a stała dielektryczna podłoża wynosi ε, wówczas pojemność pasożytnicza przelotki wynosi w przybliżeniu: C = 1,41εTD1/(D2-D1). Głównym skutkiem działania pojemności pasożytniczej przelotek na obwód jest wydłużenie czasu narastania sygnału i zmniejszenie szybkości działania obwodu. Na przykład w przypadku płytki PCB o grubości 50 mil, jeśli zastosowano przelotkę o średnicy wewnętrznej 10 mil i średnicy podkładki 20 mil, a odległość między podkładką a obszarem miedzianym uziemienia wynosi 32 mil, wówczas pojemność pasożytniczą przelotki można oszacować za pomocą powyższego wzoru: C = 1,41 × 4,4 × 0,050 × 0,020 / (0,032 – 0,020) = 0,517 pF. Zmiana czasu narastania spowodowana tą pojemnością wynosi: T10 – 90 = 2,2C(Z0/2) = 2,2 × 0,517 × (55/2) = 31,28 ps. Na podstawie tych wartości widać, że chociaż wpływ skrócenia czasu narastania spowodowany pojemnością pasożytniczą pojedynczego przelotu nie jest zbyt znaczący, projektanci powinni mimo to starannie rozważyć stosowanie przelotów w przypadku wielokrotnego przełączania warstw podczas trasowania.

Jak obliczyć pojemność pasożytniczą?

Sama przelotka ma pojemność pasożytniczą względem masy. Jeśli średnica otworu izolacyjnego przelotki w płaszczyźnie uziemienia wynosi D2, średnica podkładki przelotki wynosi D1, grubość płytki drukowanej wynosi T, a stała dielektryczna podłoża wynosi ε, wówczas wielkość pojemności pasożytniczej przelotki wynosi w przybliżeniu:

C = K * ε0 * 3,14 * TD1 / (D2 – D1)

Gdzie ε₀ to stała dielektryczna próżni, a K to względna stała dielektryczna (w stosunku do ε₀ próżni) płytki PCB.

Indukcyjność pasożytnicza przelotek

Przelotki charakteryzują się zarówno pojemnością pasożytniczą, jak i indukcyjnością pasożytniczą. W projektowaniu szybkich obwodów cyfrowych szkodliwe skutki indukcyjności pasożytniczej przelotek często przeważają nad skutkami pojemności pasożytniczej. Ich indukcyjność szeregowa osłabia działanie kondensatorów obejściowych, zmniejszając skuteczność filtrowania całego układu zasilania. Możemy skorzystać z poniższego wzoru, aby w przybliżeniu obliczyć indukcyjność pasożytniczą przelotki: L = 5,08h[ln(4h/d) + 1], gdzie L to indukcyjność przelotki, h to długość przelotki, a d to średnica centralnego otworu. Z wzoru wynika, że średnica przelotki ma stosunkowo niewielki wpływ na indukcyjność, podczas gdy największy wpływ ma jej długość. Korzystając z powyższego przykładu, indukcyjność przelotki można obliczyć jako: L = 5,08 × 0,050[ln(4 × 0,050/0,010) + 1] = 1,015 nH. Jeśli czas narastania sygnału wynosi 1 ns, to jego impedancja równoważna wynosi: XL = πL/(10 – 90) = 3,19 Ω. Takiej impedancji nie można pominąć, gdy przepływa przez nią prąd o wysokiej częstotliwości. Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, że gdy kondensator obejściowy jest podłączony do płaszczyzny zasilania i płaszczyzny uziemienia, musi on przechodzić przez dwa przelotki, co zwielokrotnia indukcyjność pasożytniczą tych przelotek.

Jak obliczyć indukcyjność pasożytniczą?

Podobnie, przelotki charakteryzują się zarówno pojemnością pasożytniczą, jak i indukcyjnością pasożytniczą. W projektowaniu szybkich obwodów cyfrowych szkodliwy wpływ indukcyjności pasożytniczej przelotek często przeważa nad wpływem pojemności pasożytniczej. Ich indukcyjność szeregowa osłabia działanie kondensatorów obejściowych, zmniejszając w ten sposób skuteczność filtrowania całego systemu zasilania.

Indukcyjność pasożytniczą przelotki można łatwo obliczyć, korzystając z poniższego wzoru:

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

L oznacza indukcyjność przelotki.

h to długość przelotki.

d to średnica otworu środkowego.

Jak widać na podstawie wzoru, średnica przelotki ma stosunkowo niewielki wpływ na indukcyjność, podczas gdy największy wpływ na indukcyjność ma jej długość. Pojemność pasożytnicza przelotki wpływa na obwód głównie poprzez wydłużenie czasu narastania sygnału i zmniejszenie szybkości działania obwodu.

Projekt przelotek w płytkach drukowanych techniki

Z powyższej analizy właściwości pasożytniczych przelotek wynika, że podczas projektowania płytek drukowanych pozornie proste przelotki mogą często wywierać znaczący negatywny wpływ na projekt obwodu. Aby ograniczyć niekorzystne skutki zjawisk pasożytniczych związanych z przelotkami, w trakcie procesu projektowania należy uwzględnić następujące kwestie:

(1) Należy dobrać odpowiedni rozmiar przelotki. W przypadku projektów wielowarstwowych płytek drukowanych o standardowej gęstości zaleca się stosowanie przelotek o wymiarach 0,25 mm/0,51 mm/0,91 mm (otwór/pola stykowe/obszar izolacji zasilania); w przypadku niektórych płytek o wysokiej gęstości można również zastosować przelotki o wymiarach 0,20 mm/0,46 mm/0,86 mm lub wypróbować przelotki bezotworowe; w przypadku przelotek zasilających lub uziemiających można rozważyć zastosowanie większych rozmiarów w celu zmniejszenia impedancji;

(2) Im większy obszar izolacji POWER, tym lepiej. Biorąc pod uwagę gęstość przelotek na płytce drukowanej, zazwyczaj stosuje się wzór: D1 = D2 + 0,41 mm.

(3) W miarę możliwości nie należy zmieniać warstw, na których przebiegają ścieżki sygnałowe na płytce drukowanej, co oznacza, że należy ograniczyć do minimum liczbę przelotek;

(4) Zastosowanie płytki drukowanej o mniejszej grubości pozwala ograniczyć dwa parametry pasożytnicze przelotek;

(5) Wyprowadzenia zasilania i masy należy połączyć za pomocą przelotek umieszczonych jak najbliżej siebie, a przewody między przelotkami a wyprowadzeniami powinny być jak najkrótsze, ponieważ zwiększają one indukcyjność. Jednocześnie przewody zasilania i masy powinny być jak najgrubsze, aby zmniejszyć impedancję;

(6) Należy umieścić kilka przelotek uziemiających w pobliżu przelotek służących do przełączania warstw sygnałowych, aby zapewnić sygnałom pętle o krótkim zasięgu. Oczywiście konkretne problemy należy analizować indywidualnie dla każdego przypadku w trakcie procesu projektowania. Biorąc pod uwagę zarówno koszt, jak i jakość sygnału, projektanci zawsze dążą do tego, aby przelotki w projektach szybkich płytek PCB były jak najmniejsze, co pozwala zachować więcej miejsca na okablowanie na płytce. Ponadto im mniejsza przelotka, tym mniejsza jest jej pojemność pasożytnicza, co lepiej sprawdza się w obwodach szybkich. W projektowaniu płytek PCB o wysokiej gęstości zastosowanie przelotek nieprzelotowych oraz zmniejszenie ich rozmiarów spowodowało wzrost kosztów. Co więcej, rozmiar przelotek nie może być zmniejszany w nieskończoność. Jest on ograniczony przez procesy wiercenia i galwanizacji Producenci płytek drukowanych. Przy projektowaniu przelotek w płytkach drukowanych o dużej prędkości należy zachować odpowiednią równowagę.

Poprzez selekcję w standardowych płytkach drukowanych

W ogólnym projektowaniu płytek drukowanych pojemność i indukcyjność pasożytnicze przelotek mają stosunkowo niewielki wpływ na projekt. W przypadku projektów płytek drukowanych o 1–4 warstwach zazwyczaj preferuje się przelotki o średnicach 0,36 mm, 0,61 mm i 1,02 mm (otwory wiercone/pady/obszary izolacji zasilania). W przypadku niektórych linii sygnałowych o specjalnych wymaganiach (takich jak linie zasilające, linie uziemienia, linie zegara itp.) można stosować przelotki o średnicach 0,41 mm/0,81 mm/1,32 mm lub wybrać przelotki o innych rozmiarach w zależności od konkretnej sytuacji.

Technologia bezotworowa w projekcie przelotek na płytce drukowanej

Do przelotek nieprzelotowych zaliczają się przelotki ślepe i przelotki ukryte. Zastosowanie przelotek ślepych i ukrytych w technologii przelotek nieprzelotowych pozwala znacznie zmniejszyć rozmiar i masę płytek drukowanych, ograniczyć liczbę warstw, poprawić kompatybilność elektromagnetyczną, zwiększyć funkcjonalność produktów elektronicznych, obniżyć koszty, a także uprościć i przyspieszyć proces projektowania.

W tradycyjnym projektowaniu i produkcji płytek drukowanych przelotki stwarzają liczne problemy. Po pierwsze, zajmują znaczną część powierzchni użytkowej. Po drugie, duża liczba przelotek skupionych w jednym miejscu stanowi poważną przeszkodę dla trasowania obwodów w płytkach wielowarstwowych. Przelotki te zajmują przestrzeń niezbędną do trasowania, a ich gęste rozmieszczenie w warstwach zasilających i uziemiających może zakłócać ich charakterystykę impedancyjną, potencjalnie powodując ich awarię. Ponadto konwencjonalne wiercenie mechaniczne jest 20 razy bardziej pracochłonne niż stosowanie technik wykorzystujących przelotki nieprzelotowe.

W projektowaniu płytek drukowanych, mimo że rozmiary pól lutowniczych i przelotek stopniowo się zmniejszają, jeśli grubość warstwy płytki nie zmniejsza się proporcjonalnie, współczynnik kształtu otworów przelotowych wzrośnie, co obniża niezawodność. Wraz z dojrzałością zaawansowanych technologii wiercenia laserowego i suchego trawienia plazmowego możliwe stało się stosowanie małych, ślepych przelotek nieprzestrzelnych oraz małych przelotek zakopanych. Jeśli średnica tych przelotek nieprzelotowych wynosi 0,3 mm, wynikające z tego parametry pasożytnicze wynoszą około 1/10 wartości charakterystycznych dla przelotek konwencjonalnych, co poprawia niezawodność płytki drukowanej. Dzięki zastosowaniu technologii przelotek nieprzelotowych na płytce znajduje się mniej dużych przelotek, co PCB, zapewniając w ten sposób więcej miejsca na ślady.

Pozostałą przestrzeń można wykorzystać do ekranowania dużych powierzchni w celu poprawy parametrów EMI/RFI. Jednocześnie większą część pozostałej przestrzeni można przeznaczyć na częściowe ekranowanie elementów i kluczowych sieci w warstwach wewnętrznych, zapewniając optymalną wydajność elektryczną. Zastosowanie przelotek nieprzelotowych ułatwia rozgałęzianie wyprowadzeń elementów, co ułatwia trasowanie układów o dużej gęstości wyprowadzeń (takich jak układy w obudowach BGA), skraca długości połączeń i pozwala spełnić wymagania czasowe obwodów o dużej prędkości.

Jaka jest różnica między przelotkami w płytce drukowanej a otworami pod elementy?

W projektowaniu płytek drukowanych istnieje różnica między przelotkami a otworami na elementy i nigdy nie należy ich używać zamiennie.

Przewody zazwyczaj służą do ułatwienia przewodzenia między dwiema stronami, a konwencjonalną metodą obróbki jest nałożenie powłoki olejowej.

Otwory na elementy są zazwyczaj projektowane jako otwory do montażu, przeznaczone do stosowania podczas lutowania wkładkowego.

Jeśli przelotki i otwory pod elementy są traktowane zamiennie, podczas wybierania farby do zakrywania przelotek otwory przelotowe zostaną pokryte lub zablokowane farbą, co uniemożliwi skuteczne kontrolowanie ich rozmiaru. Inną sytuacją jest błędne wykorzystanie otworów pod elementy jako przelotek. W takim przypadku, gdy oprogramowanie automatycznie zamyka okno przelotki, nie jest w stanie skutecznie zidentyfikować przelotki, co powoduje, że przelotki wymagające pokrycia farbą nie zostaną pokryte.

Dlaczego warto wybrać firmę Geyuan Electronics do produkcji płytek drukowanych w dużych ilościach?

Geyuan Electronics to oparta na sztucznej inteligencji, kompleksowa platforma infrastruktury inteligentnej produkcji produktów elektronicznych. Dzięki integracji oprogramowania przemysłowego oraz ekosystemów inżynierów, producent oryginalnego wyposażenia (OEM) ekosystemów łańcucha dostaw oraz elastycznych ekosystemów produkcyjnych stworzyliśmy zamknięty ekosystem obejmujący produkcję wyrobów elektronicznych i łańcuch dostaw, którego celem jest uproszczenie wprowadzania innowacji sprzętowych. Od 2024 roku rozwijamy “Rozwiązanie Geyuan”, które charakteryzuje się doskonałymi możliwościami w zakresie projektowania rozwiązań IoT; agentów AI oraz narzędzi do automatyzacji projektowania elektronicznego; zaawansowanych narzędzi do analizy projektowej pod kątem możliwości produkcyjnych; kompleksowego systemu usług zaopatrzenia w komponenty elektroniczne; wysoce niezawodnego systemu badań i rozwoju wielowarstwowych płytek drukowanych (PCB) oraz inteligentnej produkcji; montażu SMT; PCBA; oraz kompleksowe usługi w zakresie badań i rozwoju produktów elektronicznych oraz produkcji kontraktowej. Zapewniamy klientom kompleksowe, inteligentne rozwiązanie łączące projektowanie, produkcję, zaopatrzenie i dostawę, zmieniając w ten sposób fragmentaryczny i charakteryzujący się asymetrią informacyjną model tradycyjnej produkcji produktów elektronicznych, poprawiając wydajność całego łańcucha od projektu do produkcji seryjnej oraz tworząc wartość dla kreatywnych pomysłów użytkowników.

Podsumuj

W niniejszym artykule nie tylko podsumowano techniki projektowania przelotek w płytkach PCB opracowane przez zespół inżynierów firmy Geyuan Electronics, ale również omówiono podstawowe informacje na temat przelotek oraz aktualne, zaawansowane technologie w tym zakresie. Przestrzeganie tych zasad i stosowanie opisanych technik projektowania może znacznie poprawić integralność sygnału, efektywność zarządzania temperaturą oraz wydajność produkcji już przy pierwszej serii. Niezbędne jest przeprowadzenie kontroli zgodności z regułami projektowymi (DRC) na późniejszych etapach procesu projektowania oraz optymalizacja zgodnie ze specyfikacjami technologicznymi producenta płytek drukowanych. Jeśli obecnie poszukują Państwo profesjonalnego producenta płytek drukowanych do masowej produkcji swoich produktów, prosimy o skontaktuj się z nami w celu uzyskania pomocy.