Vias 101 Teil 2

In diesem zweiten Artikel „Vias 101“ setzen wir unsere vorherige Diskussion über wesentliche Via-Parameter fort. Dieses Mal werden wir Aspekte der Via-Platzierung untersuchen, Probleme bei der Via-Platzierung, die zu Leiterplatten-Ausfräsungen führen, und schließlich einige einzigartige Anwendungsfälle von Vias betrachten, die als Transfer-Vias und Stitching-Vias bezeichnet werden.

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

Platzierung

Unabhängig davon, ob wir es mit Leiterbahnen, Komponenten, Umrissen, Vias usw. zu tun haben, müssen wir immer über Abstände zwischen diesen Elementen nachdenken, wie zwischen Vias und Leiterbahnen, Vias und Vias, Vias und Pads usw. Wie üblich werden die Mindestabstände von Ihrem gewählten PCB-Hersteller oder Standard detailliert. Ich würde Ihnen jedoch raten, sich von diesen Mindestwerten fernzuhalten, nicht nur aus Fertigungsgründen, sondern auch aus anderen Gründen wie Übersprechen.

Zusätzlich, wenn wir uns Leistungs- und Massevias anschauen, möchten wir, dass ihre Verbindungen zu den entsprechenden Komponentenpads so kurz und so breit wie möglich sind, um Induktanzen zu minimieren. Das bedeutet nicht, die Vias in oder direkt neben irgendeinem Pad zu platzieren, sondern in einem vernünftigen Abstand, so dass es nicht zu Problemen mit dem Lötzinnfluss kommt.

Da Vias paarweise kommen, möchten wir typischerweise Leistungs- und Massevias nahe beieinander platzieren, um die Induktanz zu minimieren und die Stromversorgungseigenschaften zu verbessern.

Auslöschung

Wenn wir Vias eng beieinander platzieren, tritt ein Problem auf, das als Auslöschung bekannt ist. Im Wesentlichen kann das Platzieren von Vias, die durch die gesamte Dicke der Leiterplatte gehen (Durchkontaktierungen), nahe beieinander Schnitte in der Referenzebene verursachen, da die Anti-Pads der Vias zu nahe beieinander liegen. Ein Beispiel hierfür kann unten im Bild einer GND-Ebene mit zu eng beieinander liegenden nicht geerdeten Vias gesehen werden. Dies wird die Rückströme behindern und kann potenziell EMI-Probleme verursachen.

Das Problem von Hohlräumen in dichten Designs kann schwer zu vermeiden sein, insbesondere wenn Sie eine große Anzahl von Signaldurchkontaktierungen in einem bestimmten Bereich haben. Würden wir eine Leiterbahn über die Trennung in der Referenzebene führen, die durch Hohlräume verursacht wird, könnte dies sehr schädlich für die EMI-Leistung sein. Die Rückströme müssten um diese Trennung in der Referenz fließen, was dazu führt, dass sich Felder ausbreiten, und wird die Strahlung und EM-Signatur erhöhen.

Wenn der Platz es zulässt, ist eine einfache Lösung zur Minderung von Hohlräumen in Referenzebenen, Durchkontaktierungen weit genug voneinander zu platzieren, sodass Kupfer zwischen diesen Via-Antipads fließen kann. 

Eine alternative Methode ist die Verwendung von HDI-Durchkontaktierungen, entweder Mikro-Durchkontaktierungen, um die Größe der Antipads zu verringern, oder blinde und vergrabene Durchkontaktierungen, die die Referenzebenen nicht durchdringen. Dies führt natürlich zu einer Erhöhung der PCB-Herstellungskosten.

In jedem Fall sollten Sie immer Ihre Referenzebenen während der Layout- und Routingphase auf Hohlräume überprüfen. Ich empfehle dringend, auch Ihre finalen Gerber-Ausgabedateien auf Hohlräume zu scannen.

Transfer-Durchkontaktierungen

Beim Wechseln der Schichten mit einem Signal-Via ändern wir typischerweise auch die Referenzebenen (denken Sie zum Beispiel an eine Vier-Lagen-Platine SIG-GND-GND-SIG). Während wir noch auf der oberen Schicht mit einer Leiterbahn routen, ist der Rückweg für Wechselstromsignale (>20 kHz) direkt in der darunterliegenden Referenzebene. Sobald wir auf der unteren Schicht sind, befindet sich der Rückweg in der Referenzebene darüber.

Was passiert mit dem Rückweg und somit den Feldern, wenn wir entlang des Vias in der Z-Achse beim Wechseln der Schichten bewegen? Dann breiten sich die Felder aus, da sie versuchen, einen geeigneten „Anhaftungspunkt“ (einen Rückweg) zu finden, was wiederum eine Ursache für EMI-Probleme sein kann. In solchen Fällen möchten wir ein Transfer-Via platzieren – das im Grunde ein geerdetes Via ist – in der Nähe des Signal-Vias. Dies dient dazu, einen definierten Referenz- und Rückweg beim Übergang entlang der Z zu erhalten. Beachten Sie, dass dieses Transfer-Via nur funktioniert, wenn die Referenzen, zwischen denen wir wechseln, beide vom gleichen Typ sind (zum Beispiel GND zu GND). 

Wenn wir von einem GND- zu einem PWR-Bezug wechseln, müssen wir einen Kondensator mit kleinem Wert platzieren, der zwischen GND und PWR-Bezug nahe am Übergangspunkt gestickt wird.

Stitching Vias

Es gibt zwei Hauptgründe für das Setzen von Stitching Vias. Oft haben wir in ein- und mehrlagigen PCB-Designs mehrere Erdungs- oder Stromversorgungsschichten und mehrere Erdungs- oder Stromversorgungskupferflächen. Ohne Stitching Vias (entweder Erdungs- oder Stromversorgungsvias) würden die verschiedenen Erdungs- und Stromversorgungsschichten sowie alle anderen Erdungs- oder Stromversorgungskupferflächen nicht gut miteinander verbunden sein. Es würde eine Spannungsdifferenz zwischen ihnen entstehen, insbesondere bei höheren Frequenzen aufgrund von Impedanz und speziell Induktivität. Um dies zu mildern, müssen wir diese mit Vias verbinden.

Durch das Platzieren von Stitching Vias können wir diese Schichten und Flächen an mehreren X-Y-Standorten auf der PCB verbinden. Zusätzlich, jedes Mal, wenn wir Kupferinseln haben, die oft gar nicht (oder schlecht) mit nur einer kleinen Anzahl von Vias befestigt sind, können diese Kupferinseln als Antennen wirken, resonieren und dann sogar abstrahlen. Dies kann natürlich sehr schädlich für die EMI-Leistung einer Platine sein.

Der zweite Grund oder Einsatz für Durchkontaktierungsvias ist zu Abschirmungszwecken. Tatsächlich können wir eine „Wand“ aus Abschirmungs Vias verwenden, um die Energie elektromagnetischer Wellen (bis zu einer bestimmten Frequenz) daran zu hindern, in einen Abschnitt der PCB einzudringen oder diesen zu verlassen. Der Abstand der Abschirmungen wird durch die maximale Frequenz bestimmt, die auf einer PCB vorhanden ist. Zum Beispiel könnte diese Frequenz bei einer Audio-PCB 20 kHz betragen, und bei einer RF-PCB könnte sie 2,4 GHz oder sogar höher sein.

Sobald Sie die maximale Frequenz Ihrer PCB kennen, müssen wir einfach diese Formel verwenden, um den Abstand zu berechnen, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, ε die dielektrische Konstante und f unsere maximale Frequenz von Interesse ist:

Zum Beispiel ergibt die Formel bei 2,4 GHz und mit Verlegung auf Außenschicht (Microstrip)-Leiterbahnen einen Stitching-Via-Abstand von 3,4 mm.

In dieser Artikelserie haben wir die Grundlagen von Vias im PCB-Design untersucht, einschließlich Via-Parametern wie Bohr- und Padgrößen, Arten von Vias und wofür Vias verwendet werden können, einschließlich Transfer- und Stitching-Vias.

Stellen Sie sicher, dass Sie alle integrierten Durchkontaktierungsfunktionen von Altium Designer überprüfen, einschließlich der Fähigkeiten zum Umgang mit komplizierteren Arten von Durchkontaktierungen, die auf HDI-Platinen zu finden sind, wie Mikro-Durchkontaktierungen, blinde und vergrabene.