«Методы проектирования печатных плат»

В Проектирование печатных плат, сквозные переходные отверстия являются ключевым фактором. Они состоят из самого отверстия, окружающей его площадки и зоны изоляции слоя питания и, как правило, подразделяются на три типа: глухие сквозные переходные отверстия, заглубленные сквозные переходные отверстия и сквозные переходные отверстия. Инженерная команда компании Geyuan Electronics, на основе анализа паразитной ёмкости и индуктивности в переходных отверстиях в процессе проектирования печатных плат, обобщил ряд ключевых аспектов и соответствующих методов проектирования переходных отверстий на печатных платах. В настоящее время проектирование печатных плат широко используется в таких областях, как связь, вычислительная техника и обработка графики. При разработке всех высокотехнологичных электронных изделий с высокой добавленной стоимостью стремятся обеспечить низкое энергопотребление, низкий уровень электромагнитного излучения, высокую надежность, миниатюризацию и легкость конструкции. Для достижения этих целей проектирование переходных отверстий является важнейшим фактором при разработке печатных плат.

Основные компоненты и технические характеристики сквозных отверстий на печатных платах

Переходные отверстия являются ключевым элементом при проектировании многослойных печатных плат. Переходное отверстие в основном состоит из трёх частей: самого отверстия, окружающей его площадки и зоны изоляции от силового слоя. Процесс изготовления переходного отверстия включает химическое нанесение металлического слоя на цилиндрическую поверхность стенки отверстия для соединения медных фольг в промежуточных слоях. Верхняя и нижняя поверхности переходного отверстия имеют форму обычных контактных площадок, которые могут быть напрямую соединены с дорожками на верхней и нижней поверхностях или оставлены незасоединенными. Переходные отверстия служат для обеспечения электрических соединений, а также для крепления или позиционирования компонентов.

Классификация переходных отверстий

Проходные отверстия обычно подразделяются на три категории: глухие отверстия, скрытые отверстия и сквозные отверстия.

глухое отверстие	Слепые переходные отверстия располагаются на верхней и нижней поверхностях печатных плат, имеют определенную глубину и используются для соединения поверхностных цепей с расположенными ниже внутренними цепями. Глубина и диаметр переходного отверстия, как правило, не превышают определенного соотношения.
Засыпанная яма	Заглубленные переходные отверстия — это соединительные отверстия, расположенные на внутреннем слое печатной платы и не выходящие на её поверхность.
Сквозное отверстие	Сквозные отверстия — это отверстия, проходящие сквозь всю печатную плату, которые могут использоваться для создания внутренних соединений или в качестве монтажных отверстий для компонентов. Поскольку сквозные отверстия проще изготовить и они обходятся дешевле, их широко применяют в печатных платах.

Анализ конструкции сквозных отверстий на печатной плате

Как слепые, так и погруженные переходные отверстия располагаются на внутренних слоях печатной платы. Они формируются с помощью процесса формования сквозных отверстий перед ламинированием, при этом в процессе формирования переходных отверстий несколько внутренних слоев могут перекрываться. Поскольку сквозные отверстия проще в реализации и имеют более низкую стоимость, они используются в подавляющем большинстве печатных плат вместо двух других типов переходных отверстий. Если не указано иное, переходные отверстия, упомянутые ниже, считаются сквозными.

С точки зрения проектирования печатных плат, переходное отверстие в основном состоит из двух частей: отверстия в центре и площадки, окружающей это отверстие. Размер этих двух частей определяет размер переходного отверстия. Очевидно, что при проектировании высокоскоростных печатных плат с высокой плотностью размещения компонентов разработчики всегда стремятся сделать переходные отверстия как можно меньше, чтобы освободить больше места для трассировки на плате. Кроме того, переходные отверстия меньшего размера имеют меньшую паразитную ёмкость, что делает их более подходящими для высокоскоростных схем. Однако уменьшение размера сквозного отверстия также приводит к увеличению стоимости, и размер нельзя уменьшать бесконечно. Он ограничен процессами сверления и гальванического покрытия: более мелкие отверстия требуют большего времени на сверление и более подвержены смещению от центра; а когда глубина отверстия превышает шестикратный диаметр сверла, невозможно гарантировать равномерное нанесение медного покрытия на стенки отверстия. Например, толщина (глубина сквозного отверстия) типичной 6-слойной печатной платы составляет около 50 мил, поэтому производители печатных плат могут обеспечить диаметр сверла не менее 8 мил.

Паразитная ёмкость переходных отверстий

Сами переходные отверстия обладают паразитным объемом на заземление. Если диаметр переходного отверстия на заземляющей плоскости равен D2, диаметр контактной площадки переходного отверстия — D1, толщина печатной платы — T, а диэлектрическая проницаемость подложки равна ε, то паразитная ёмкость переходного отверстия приблизительно равна: C = 1,41εTD1/(D2-D1). Основной эффект, оказываемый паразитной ёмкостью переходных отверстий на работу схемы, заключается в удлинении времени нарастания сигнала и снижении скорости работы схемы. Например, для печатной платы толщиной 50 мил, если используется переходное отверстие с внутренним диаметром 10 мил и диаметром контактной площадки 20 мил, а расстояние между контактной площадкой и медной зоной заземления составляет 32 мил, то мы можем приблизительно рассчитать паразитную ёмкость переходного отверстия с помощью приведённой выше формулы: C = 1,41 × 4,4 × 0,050 × 0,020 / (0,032 – 0,020) = 0,517 пФ. Изменение времени нарастания, вызванное этой ёмкостью, составляет: T10 – 90 = 2,2C(Z0/2) = 2,2 × 0,517 × (55/2) = 31,28 пс. Из этих значений видно, что, хотя эффект сокращения времени нарастания, вызванный паразитной ёмкостью одной переходной отверстия, не очень значителен, разработчикам всё же следует тщательно продумывать использование переходных отверстий для многократного переключения слоёв при трассировке.

Как рассчитать паразитную ёмкость?

Сама переходная отверстие имеет паразитную ёмкость относительно заземления. Если диаметр изолирующего отверстия переходного отверстия на плоскости заземления равен D2, диаметр контактной площадки переходного отверстия — D1, толщина печатной платы — T, а диэлектрическая проницаемость подложки — ε, то величина паразитной ёмкости переходного отверстия приблизительно равна:

C = K * ε0 * 3,14 * TD1 / (D2 – D1)

Где ε₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума, а K — относительная (по отношению к вакууму ε₀) диэлектрическая проницаемость печатной платы.

Паразитная индуктивность переходных отверстий

Переходные отверстия обладают как паразитной ёмкостью, так и паразитной индуктивностью. При проектировании высокоскоростных цифровых схем вредное воздействие паразитной индуктивности переходных отверстий зачастую превосходит воздействие паразитной ёмкости. Паразитная последовательная индуктивность ослабляет вклад байпасных конденсаторов, снижая эффективность фильтрации всей системы питания. Для приблизительного расчета паразитной индуктивности переходного отверстия можно использовать следующую формулу: L = 5,08h[ln(4h/d) + 1], где L — индуктивность переходного отверстия, h — длина переходного отверстия, а d — диаметр центрального отверстия. Из формулы видно, что диаметр переходного отверстия оказывает относительно небольшое влияние на индуктивность, тогда как наибольшее влияние оказывает его длина. Используя приведенный выше пример, индуктивность переходного отверстия можно рассчитать следующим образом: L = 5,08 × 0,050 [ln(4 × 0,050/0,010) + 1] = 1,015 нГн. Если время нарастания сигнала составляет 1 нс, то его эквивалентное сопротивление равно: XL = πL/(10⁻⁹) = 3,19 Ом. Такое сопротивление нельзя игнорировать, когда через него протекает высокочастотный ток. Особое внимание следует уделить тому факту, что при подключении конденсатора обхода к плоскости питания и плоскости заземления он должен проходить через две переходные отверстия, что приведёт к умножению паразитной индуктивности этих отверстий.

Как рассчитать паразитную индуктивность?

Аналогичным образом, переходные отверстия обладают как паразитной ёмкостью, так и паразитной индуктивностью. При проектировании высокоскоростных цифровых схем вредное воздействие паразитной индуктивности переходных отверстий часто превосходит влияние паразитной ёмкости. Её паразитная последовательная индуктивность ослабляет вклад байпасных конденсаторов, тем самым снижая эффективность фильтрации всей системы питания.

Мы можем легко рассчитать паразитную индуктивность переходного отверстия с помощью следующей формулы:

L = 5,08 ч [ln(4 ч/д) + 1]

L обозначает индуктивность переходного отверстия.

h — длина переходного отверстия.

d — диаметр центральной скважины.

Как видно из формулы, диаметр переходного отверстия оказывает относительно небольшое влияние на индуктивность, тогда как его длина влияет на индуктивность в наибольшей степени. Паразитная ёмкость переходного отверстия в основном влияет на работу схемы, увеличивая время нарастания сигнала и снижая скорость работы схемы.

Проектирование сквозных отверстий на печатной плате методы

Из приведённого выше анализа паразитных характеристик переходных отверстий видно, что при проектировании печатных плат, казалось бы, простые переходные отверстия зачастую могут оказывать значительное негативное влияние на конструкцию схемы. Чтобы уменьшить негативное воздействие паразитных эффектов переходных отверстий, в процессе проектирования следует учитывать следующее:

(1) Выберите оптимальный размер переходных отверстий. Для многослойных печатных плат со средней плотностью размещения предпочтительны переходные отверстия размером 0,25 мм/0,51 мм/0,91 мм (отверстие/контактная площадка/зона изоляции POWER); для некоторых печатных плат высокой плотности также можно использовать переходные отверстия размером 0,20 мм/0,46 мм/0,86 мм или попробовать использовать несквозные переходные отверстия; для переходных отверстий питания или заземления можно рассмотреть возможность использования больших размеров с целью снижения импеданса;

(2) Чем больше площадь изоляции POWER, тем лучше. С учётом плотности переходных отверстий на печатной плате, как правило, D1 = D2 + 0,41 мм.

(3) Маршруты сигналов на печатной плате по возможности не должны переходить с одного слоя на другой, то есть количество переходных отверстий следует свести к минимуму;

(4) Использование печатной платы меньшей толщины позволяет снизить два паразитных параметра сквозных отверстий;

(5) Контакты питания и заземления следует соединять через переходные отверстия, расположенные как можно ближе друг к другу, а проводки между переходными отверстиями и контактами должны быть как можно короче, так как они увеличивают индуктивность. В то же время проводки питания и заземления должны быть как можно толще, чтобы снизить импеданс;

(6) Разместите несколько заземляющих переходных отверстий рядом с переходными отверстиями для переключения сигнальных слоев, чтобы обеспечить короткие контуры для сигналов. Разумеется, конкретные проблемы необходимо анализировать индивидуально в ходе процесса проектирования. Учитывая как стоимость, так и качество сигнала, разработчики всегда стремятся к тому, чтобы при проектировании высокоскоростных печатных плат переходные отверстия были как можно меньше, чтобы на плате оставалось больше места для трассировки. Кроме того, чем меньше переходное отверстие, тем меньше его паразитная ёмкость, что более подходит для высокоскоростных схем. При проектировании печатных плат высокой плотности использование несквозных переходных отверстий и уменьшение их размера привели к увеличению стоимости. Более того, размер переходных отверстий нельзя уменьшать бесконечно. Он ограничен процессами сверления и гальваники Производители печатных плат. При проектировании переходных отверстий в высокоскоростных печатных платах следует соблюдать баланс.

Путем выбора в стандартных печатных платах

В целом при проектировании печатных плат паразитная ёмкость и индуктивность переходных отверстий оказывают относительно небольшое влияние на конструкцию печатной платы. Для 1–4-слойных печатных плат обычно предпочтительны переходные отверстия размером 0,36 мм/0,61 мм/1,02 мм (сверловые отверстия/контактные площадки/зоны изоляции POWER). Для некоторых сигнальных линий с особыми требованиями (таких как линии питания, линии заземления, тактовые линии и т. д.) можно использовать переходные отверстия размером 0,41 мм/0,81 мм/1,32 мм или выбрать переходные отверстия других размеров в зависимости от конкретной ситуации.

Технология без сквозных отверстий при проектировании переходных отверстий на печатной плате

К несквозным переходным отверстиям относятся глухие и погруженные переходные отверстия. Использование глухих и погруженных переходных отверстий в технологии несквозных переходных отверстий позволяет значительно уменьшить размеры и вес печатных плат, сократить количество слоев, улучшить электромагнитную совместимость, расширить функциональные возможности электронных изделий, снизить затраты, а также упростить и ускорить процесс проектирования.

В традиционном проектировании и производстве печатных плат сквозные отверстия создают множество проблем. Во-первых, они занимают значительную часть полезного пространства. Во-вторых, большое количество сквозных отверстий, сгруппированных в одном месте, создает существенные препятствия для трассировки на многослойных печатных платах. Эти переходные отверстия занимают пространство, необходимое для трассировки, а их плотное проникновение через поверхности слоёв питания и заземления может нарушить их импедансные характеристики, что потенциально может привести к их выходу из строя. Кроме того, традиционное механическое сверление в 20 раз более трудоёмко, чем использование технологий без сквозных переходных отверстий.

При проектировании печатных плат, несмотря на постепенное уменьшение размеров контактных площадок и переходных отверстий, если толщина слоя платы не уменьшается пропорционально, соотношение сторон сквозных отверстий увеличивается, что снижает надежность. Благодаря совершенствованию передовых технологий лазерного сверления и плазменного сухого травления стало возможным применение небольших глухих переходных отверстий и небольших погруженных переходных отверстий. Если диаметр таких несквозных переходных отверстий составляет 0,3 мм, получаемые паразитные параметры составляют примерно 1/10 от значений для обычных переходных отверстий, что повышает надежность печатной платы. Благодаря использованию технологии несквозных переходных отверстий на печатная плата, что позволяет выделить больше места для трасс.

Оставшееся пространство можно использовать для экранирования больших площадей с целью улучшения характеристик по электромагнитным и радиочастотным помехам (EMI/RFI). Одновременно часть оставшегося пространства можно задействовать для частичного экранирования компонентов и критически важных сетей на внутренних слоях, что обеспечивает оптимальные электрические характеристики. Использование несквозных переходных отверстий упрощает разветвление выводов компонентов, облегчая трассировку устройств с высокой плотностью выводов (таких как устройства в корпусах BGA), сокращая длину межсоединений и обеспечивая соблюдение требований к временным характеристикам высокоскоростных схем.

В чём заключается разница между сквозными отверстиями на печатной плате и отверстиями для компонентов?

При проектировании печатных плат существует разница между переходными отверстиями и отверстиями для компонентов, и их ни в коем случае нельзя использовать взаимозаменяемо.

Проводные перемычки, как правило, служат для облегчения проводимости между двумя сторонами, а традиционный метод их изготовления заключается в нанесении масляного покрытия.

Отверстия для компонентов, как правило, проектируются как монтажные отверстия для использования при пайке с установкой компонентов.

Если переходные отверстия и отверстия под компоненты используются взаимозаменяемо, при выборе краски для закрытия переходных отверстий сквозные отверстия будут закрыты или заблокированы краской, что сделает невозможным эффективный контроль размера. Другая ситуация заключается в том, что отверстия под компоненты по ошибке используются в качестве переходных отверстий. В этом случае, когда программное обеспечение автоматически закрывает окно переходного отверстия, оно не может эффективно идентифицировать переходное отверстие, в результате чего переходные отверстия, требующие нанесения закрывающей краски, остаются незакрытыми.

Почему стоит выбрать компанию «Гэюань Электроникс» для производства ваших печатных плат в больших партиях?

Geyuan Electronics — это комплексная инфраструктурная платформа для интеллектуального производства электронных изделий на базе искусственного интеллекта. Благодаря интеграции промышленного программного обеспечения и экосистем инженеров, производитель оригинального оборудования (OEM) экосистем цепочек поставок и гибких производственных экосистем мы создали замкнутую экосистему для производства электронных изделий и управления цепочкой поставок, призванную упростить инновации в области аппаратного обеспечения. С 2024 года мы разрабатываем “Решение Geyuan”, отличающееся превосходными возможностями по проектированию решений в области Интернета вещей (IoT); AI-агентов и инструментов автоматизации проектирования электроники; передовых инструментов внутреннего анализа технологичности конструкции; комплексной системы услуг по закупке электронных компонентов; системы НИОКР и интеллектуального производства высоконадёжных многослойных печатных плат; сборки SMT; PCBA; а также комплексные услуги по разработке и контрактному производству электронной продукции. Мы предоставляем клиентам комплексное интеллектуальное решение, объединяющее проектирование, производство, закупки и доставку, что позволяет преобразовать фрагментированную и основанную на информационной асимметрии модель традиционного производства электронных изделий, повысить эффективность всей цепочки от проектирования до серийного производства и создать ценность для творческих идей пользователей.

Обобщить

В данной статье не только обобщены методы проектирования переходных отверстий на печатных платах, разработанные инженерной командой компании Geyuan Electronics, но и представлена основная информация о переходных отверстиях, а также о современных передовых технологиях их создания. Соблюдение этих правил и методов проектирования позволяет значительно улучшить целостность сигнала, эффективность теплоотвода и выход готовой продукции с первого прохода. Крайне важно проводить проверку на соответствие правилам проектирования (DRC) на поздних этапах процесса проектирования и оптимизировать проект в соответствии с технологическими спецификациями производителя печатных плат. Если вы в настоящее время ищете профессионального производителя печатных плат для серийного выпуска вашей продукции, пожалуйста, свяжитесь с нами за помощью.