Vias 101 Teil 1

In diesem ersten Artikel „Vias 101“ werden wir die grundlegendsten Aspekte von Vias im PCB-Design behandeln, einschließlich ihrer charakteristischen Parameter, welche Standard-Vias in Entwürfen verwendet werden sollten und kurz über die Stromtragfähigkeit sprechen. Im nächsten Teil werden wir die richtige Platzierung von Vias und spezielle Anwendungsfälle wie Transfer- und Stitching-Vias untersuchen.

Beachten Sie, dass es weit mehr Parameter und Details zu Vias im PCB-Design gibt, als wir in diesem kurzen Artikel abdecken können. Der Artikel wird jedoch angehenden PCB-Design-Ingenieuren einen guten Ausgangspunkt bieten, um tiefer in das Thema einzusteigen. Lassen Sie uns beginnen!

Grundlagen

Beginnen wir mit den Grundlagen von Vias. Wir wissen, dass Leiterbahnen Verbindungen auf einer einzigen X-Y-Ebene sind, die von einem Punkt auf einer Schicht ausgehen und an einem anderen Punkt auf derselben Schicht enden. Wenn wir jedoch zwischen Schichten verbinden möchten, zum Beispiel Schicht eins mit Schicht drei in einem Mehrschicht-PCB verbinden möchten, müssen wir etwas verwenden, das als via bezeichnet wird. Im Wesentlichen ist ein Via eine leitfähige, vertikale Verbindung in der dritten (Z) Dimension und wird für Verbindungen zwischen Schichten verwendet, wodurch eine Leiterbahn auf einer Schicht zu einer beliebigen (oder mehreren) Schichten in einem PCB springen kann.

Eine andere Art, über ein Via nachzudenken, ist es als einen miniaturisierten, durchkontaktierten Loch zu betrachten.

Beachten Sie, dass wenn wir nicht mit einer bestimmten Schicht über ein Via verbinden, wir auf dieser Schicht eine Leerstelle erzeugen werden. Dies kann Probleme verursachen, wie wir später sehen werden. Das Bild unten zeigt eine Leerstelle, wo wir ein Anti-Pad in der Schicht haben, durch die wir hindurchgehen.

Parameter

Beim Sprechen über Vias haben wir bestimmte Hauptparameter, die sie definieren. Das Bild unten zeigt ein typisches Durchgangs-Via, definiert durch die Padgröße P (der gesamte Viadurchmesser) und eine Bohrgröße D.

Die Bohrgröße muss immer kleiner als die Padgröße sein und wird durch das Aspektverhältnis begrenzt (das Verhältnis von PCB-Dicke zu Bohrgröße). Dies ist ein Fertigungsproblem und hängt von Ihrer Plattendicke ab. - Je dicker Ihre Platine ist, im Allgemeinen benötigen Sie eine größere Bohrgröße.

Wenn wir weiterhin den Bohrdurchmesser D von unserer Padgröße P abziehen und diese Zahl durch zwei teilen, erhalten wir die Größe des Ringes. Sowohl die Bohrgröße als auch die Ringgröße sind wichtige Fertigungsparameter.

In der Regel, ohne zusätzliche Kosten, ist die minimale Bohrgröße 0,25 mm und der minimale Ring ist 0,15 mm. Es ist jedoch wichtig, dass wir von den Minima fernbleiben, wenn wir es anders nicht vermeiden können. Wenn es um PCB-Hersteller geht, bieten viele fortschrittlichere Fähigkeiten an, zum Beispiel 0,1 mm Bohrungen (normalerweise Laser). Beachten Sie, dass dies Kosten hinzufügt.

Beim Dimensionieren Ihrer Vias sind neben Bohrgrößen, Padgrößen und Ringen viele andere Parameter zu berücksichtigen, die ein Via ausmachen. Zum Beispiel: 

• Tenting: Abdecken des Vias mit einer Lötstopplack. Typischerweise keine zusätzlichen Kosten.
• Füllen: Füllen mit Harz oder leitfähigem Material, was für die Via-in-Pad-Technologie nützlich sein kann. Dies wird zusätzliche Kosten verursachen.
• Typ: In diesem Artikel betrachten wir Durchkontaktierungen (die am einfachsten herzustellenden und häufigsten). Es gibt jedoch auch andere Typen wie Mikro, blinde und vergrabene, um nur einige zu nennen. Diese sind Themen für zukünftige Artikel.

Empfohlene Parameter

Es ist schwierig, allgemeine Empfehlungen für Via-Parameter zu geben. Die Parameter, die Sie letztendlich in Ihrem Design verwenden sollten, hängen stark vom Szenario ab. Wenn Sie beispielsweise ein BGA mit sehr feinem Raster herausführen, werden Ihre Via-Anforderungen völlig anders sein als beim Herausführen einer Platine, die nur Komponenten mit Durchgangslöchern verwendet.

In Bezug auf die Kosten führt eine kleine Bohrgröße (üblicherweise alles unter 0,2 mm) typischerweise zu erhöhten PCB-Herstellungskosten und einer geringeren Ausbeute. Mit Ausbeute ist gemeint, dass vielleicht 90% der hergestellten PCBs funktionieren und 10% defekt sein werden.

Dasselbe gilt für einen kleinen Winkelring (um 0,1 mm). Auch hier werden die PCB-Herstellungskosten steigen und die Ausbeute sinken.

„Welche Größe von Via sollte ich verwenden?“ Diese Frage bekomme ich oft gestellt), und als allgemeine Empfehlung für Vias kann ich folgende Größen empfehlen:

• Groß: 0,7 mm Pad, 0,3 mm Bohrung
• Mittel: 0,6 mm Pad, 0,25 mm Bohrung
• Klein: 0,5 mm Pad, 0,2 mm Bohrung

Nochmals, dies ist eine allgemeine Richtlinie, und die tatsächlichen Via-Abmessungen hängen vom gegebenen Szenario ab.

Stromtragfähigkeit

Wenn wir über Vias sprechen, müssen wir – wie bei Leiterbahnen – auch über die Stromtragfähigkeit nachdenken. Leiterbahnen können eine bestimmte Menge an Strom bei einem gegebenen Temperaturanstieg handhaben, und bei Vias ist es nicht anders.

Als Faustregel kann ein typisches "Standardgröße"-Via etwa 1,5 A bei einem Temperaturanstieg von 20 Grad Celsius aushalten. Wenn mehr Strom benötigt wird, zum Beispiel in den Motorsteuerungen eines ESC, müssen wir einfach parallele Vias derselben Größe verwenden. Im Gegensatz dazu müssen wir bei Leiterbahnen einfach die Spur verbreitern. Allerdings erhöht die Vergrößerung der Bohr- und Padgrößen für ein Via die Stromtragfähigkeit nur geringfügig, aber das Parallelschalten von Vias hilft, die Induktivität zu reduzieren und die thermische Leistung zu verbessern.

In diesem Artikel haben wir die absoluten Grundlagen von Vias behandelt. Nächstes Mal werden wir die Platzierung von Vias, Transfer- und Stitching-Vias untersuchen.