Tutto ciò che devi sapere sui via di collegamento

I via di collegamento (stitching vias PCB) si vedono spesso sparsi sul layer superficiale di un PCB. Se qualcuno utilizza correttamente la colata di rame, idealmente calcolerà l'appropriata distanza di separazione dei via di collegamento, in modo che l'array dei via sopprima la diafonia/interferenza. L'altra opzione consiste nell'utilizzare connessioni multiple in parallelo tra i layer che possono fornire bassa resistenza e impedenza, e quindi corrente elevata in CC o CA.

In questa guida esaminerò alcuni degli usi standard dei via di collegamento e in quali casi è opportuno usarli in un PCB. Quest'area della progettazione dei circuiti stampati può essere oggetto di controversia tra alcuni progettisti in quanto è legata al versamento di rame, che spesso non è ritenuto necessario nella maggior parte dei progetti. Indipendentemente dalle tue opinioni sulla colata di rame, i via di collegamento presentano utilizzi importanti nei PCB a basse e alte frequenze.

Via di collegamento in un PCB: nozioni di base

I via di collegamento sono strutture semplici: sono una serie periodica di via generalmente collegati a terra attraverso lo stack-up PCB. In questo modo realizzano collegamenti tra reti di terra su più layer. Si noti che c'è un utilizzo di array di via che coinvolge le connessioni di alimentazione tra layer (vedi sotto). Queste strutture hanno anche usi importanti nella progettazione RF, e questo a volte causa un uso improprio degli stitching vias PCB.

Per dare una rapida occhiata ad alcuni dei vari modi in cui i via di collegamento possono essere utilizzati in un PCB, guarda il video qui sotto. Alcuni dei principali utilizzi dei collegamenti riguardano la progettazione di PCB ad alta velocità, la progettazione di PCB RF e l'instradamento dell'alimentazione su più layer.

Analizziamo ciascuno di questi usi in modo più dettagliato:

Stitching vias per il collegamento a terra

L'uso standard dei stitching vias PCB è quello di collegare le masse su più layer. In un PCB multistrato, è comune avere più regioni in rame assegnate allo stesso collegamento di terra. I via di collegamento sono uno strumento utile per collegarle ovunque e garantire un'impedenza minima per qualsiasi corrente di ritorno che si propaga lungo il piano di riferimento nel PCB.

Si noti che non è necessario utilizzare via di collegamento periodici per effettuare queste connessioni attraverso le masse. Le masse devono essere collegate da qualche parte e potrebbero essere preferibili più connessioni per garantire che i percorsi di ritorno siano facilmente percorribili fino al punto di ritorno dell'alimentazione.

Transizioni tra layer tramite via

Questa è un'area in cui i via di collegamento connessi a GND mostrano davvero il loro valore. Le transizioni tra layer nei circuiti digitali e nei circuiti RF devono avere un chiaro riferimento di massa per controllare la propagazione del segnale lungo un'interconnessione in un PCB. Quando si effettua una transizione tra layer, un via vicino a un array di via di collegamento può svolgere la stessa funzione del piano di massa sotto una traccia.

In genere, se si posiziona un array di via di collegamento in un PCB, è probabile che uno di questi via sia vicino a una transizione tra layer attraverso un via di segnale. In alcuni casi, questa soluzione funzionerà bene e probabilmente non dovrai preoccuparti dell'emissione di rumore o della sensibilità al rumore nella regione di transizione del via. La presenza di un via di collegamento a massa vicino al via di segnale dovrebbe essere sufficiente a sopprimere il rumore, in particolare per componenti lenti come GPIO, I2C, UART o qualsiasi altro protocollo digitale lento (lo stesso vale per i protocolli analogici a bassa frequenza).

Con il digitale ad alta velocità e la radiofrequenza, la situazione è diversa ed è necessario disporre di un array di via di collegamento appositamente progettato accanto al via del segnale. L'array dei via di collegamento ha lo scopo di fornire un percorso a bassa impedenza per la corrente di ritorno indotta lungo il relativo bordo. L'altro motivo per posizionare dei via di collegamento in queste transizioni è quello di confinare il campo elettromagnetico comprendente questo segnale all'interno della struttura del via delimitata dal via di collegamento.

Il meccanismo di soppressione del rumore in questo caso viene talvolta definito "schermatura", come se i via impedissero l'accoppiamento delle onde elettromagnetiche in un'interconnessione influenzata. Questo è in qualche modo vero. Avere la struttura dei via di collegamento accanto al via del segnale consente di ridurre il rumore in due modi:

1. L'induttanza del loop nella regione del via è più bassa perché il via è più vicino alla massa
2. La maggiore vicinanza alla terra fa in modo che la transizione del via di segnale/via di terra domini la capacità totale sperimentata lungo il via

Il 2° punto equivale a ridurre la capacità parassita avvicinando un piano di massa a una traccia del segnale. In questo articolo ho mostrato come questo riduce l'accoppiamento capacitivo parassita ad altre reti di segnali: lo stesso tipo di risultato ci si aspetterebbe qui.

Via di collegamento e antipad influenzano l'impedenza dei via

Il vero risultato della modifica della capacità e dell'induttanza nella sezione precedente è che il posizionamento di via di collegamento in una transizione tra layer determinerà l'impedenza dei via. Un pezzo correlato è l'antipad, che idealmente dovrebbe intersecarsi con i via di collegamento per poi modificare insieme l'impedenza. La maggior parte dei calcolatori di impedenza dei via non è totalmente in grado di tenere conto dell'effettiva impedenza dei via a causa della presenza di via di collegamento e della dimensione dell'antipad intorno a una transizione tra layer.

Sebbene i via di collegamento e l'antipad attraverso i piani di massa influiscano sull'impedenza, l'impedenza di input nel via non si discosterà in modo apprezzabile da 50 Ohm (o circa 100 Ohm differenziali) finché la frequenza non supererà i 3-5 GHz. A basse frequenze, non preoccuparti di quanto le dimensioni dei via di collegamento e degli antipad influenzino l'impedenza dei via: molto probabilmente non noterai alcun effetto perché il via sarà elettricamente molto breve. Al di sopra di circa 5 GHz questo aspetto è molto importante, in quanto i via di collegamento posizionati in modo errato e gli antipad di grandi dimensioni non forniranno un carico capacitivo sufficiente, risultando in una transizione del via induttiva con impedenza che raggiunge alcune centinaia di Ohm. Di seguito sono mostrati i parametri S di un esempio di transizione del via senza via di collegamento.

In questo caso i via di collegamento non rappresentano l'influenza più significativa sul carico capacitivo della coppia differenziale alle frequenze medie. Quando i via di segnale hanno una separazione maggiore, i via di collegamento influiscono maggiormente sull'impedenza dei primi. Quando i via di segnale sono più vicini tra loro, l'antipad è il maggiore determinante dell'impedenza del via. Quando i via del segnale sono vicini tra loro e l'antipad è piccolo, potresti non notare alcuna influenza dai via di collegamento.

I via di collegamento forniscono una schermatura?

La risposta breve è "sì", ma solo fino a determinate frequenze. Quando viene utilizzato con l'intento di fornire una schermatura, è possibile che il progettista si limiti a tirare a indovinare la distanza necessaria tra i via. In alcuni casi, ciò che chiamiamo schermatura nelle guide d'onda deve essere meglio chiamato confinamento dei campi. Indipendentemente da come lo si voglia chiamare, il via di collegamento può bloccare la propagazione delle onde elettromagnetiche fino a una certa frequenza massima.

Per una data frequenza, che desideri sopprimere, il tono tra i via dovrebbe essere approssimativamente:

Questo requisito di spaziatura tra i via di collegamento che ha lo scopo specifico di bloccare la propagazione delle onde elettromagnetiche è lo stesso utilizzato per confinare le onde all'interno di una guida d'onda su un PCB.

Di seguito è riportato un esempio di guida d'onda complanare con messa a terra utilizzata come linea di alimentazione dell'antenna. In questo esempio, il passo è di 20 mil e sarebbe appropriato per schermare fino a 43 GHz in base all'equazione precedente. Se avessimo segnali ad alta velocità che scorrono nelle vicinanze, ci aspetteremmo un'elevata efficacia di schermatura lungo questa linea di alimentazione, che sopprimerebbe la diafonia nella linea RF.

Penso che sia importante notare qui che i via di collegamento non sono una rimedio miracoloso contro il rumore, né sono una scusa per fare a meno delle buone pratiche di routing. Dovresti comunque applicare delle buone strategie di posizionamento e di routing per le schede RF, anche se hai usato i via di collegamento nel modo mostrato sopra.

Stitching vias per l'alimentazione

Quando vengono utilizzati in un layout PCB per un sistema di alimentazione, i via di collegamento generalmente non sono posizionati in una tipica configurazione a spaziatura ampia. In effetti, in queste progettazioni potrebbero non essere utilizzati affatto in grandi aree con messa a terra in rame. Tuttavia, gli array di via di collegamento possono essere utilizzati per creare transizioni tra layer a bassa resistenza su una rete elettrica. Questo permetterebbe a un via di trasferire grandi quantità di corrente con una bassa perdita tra i layer.

Quanti via di collegamento sono necessari per trasferire una determinata quantità di corrente? Dipende dalla resistenza CC del tipico via. Per un diametro del foro di via e una dimensione del pad tipici (10/20 mil) e uno spessore del rivestimento della parete di 1 mil, la resistenza del via sarà di circa 1,5 mOhm e la resistenza termica sarà di circa 180 °C/W. Se provi a far passare 20 A di corrente continua attraverso questo via, dissiperai 600 mW di potenza e la temperatura del via dovrebbe aumentare di 108 °C.

Per mantenere l'aumento della temperatura entro un limite accettabile, dovremo utilizzare più via in un array. Se usassimo 10 di questi via in parallelo, ciascun via trasporterebbe 2 A di corrente continua e l'aumento di temperatura previsto sarebbe di 1,08 °C per ogni via (e quindi per l'intero array). Questo dovrebbe mostrare come è possibile utilizzare un aumento della temperatura target per determinare un numero limite di via di collegamento.

Automatizza il posizionamento degli stitching vias PCB

Se notiamo che il posizionamento dei via di collegamento comporta la localizzazione e il posizionamento di una vasta gamma di via attorno a una scheda e con una spaziatura precisa, questo può risultare complicato con la maggior parte degli strumenti CAD. Strumenti CAD più semplici forzano il posizionamento manuale dei via di collegamento, probabilmente seguite da un "copia e incolla" di ogni riga/colonna attorno alla scheda per formare l'array.

Altium Designer® include una semplice utilità nell'editor PCB per posizionare via di collegamento con dimensioni e spaziatura definite dall'utente. È possibile posizionare via di collegamento selezionando un modello di via o impostando una dimensione di via personalizzati e una transizione tra layer. Questa funzione è accessibile dal menu Strumenti all'interno dell'editor PCB. Scopri di più su questa funzionalità nella documentazione.

Quindi esiste un modo oggettivamente "giusto" per utilizzare i via di collegamento? A volte la risposta non è così chiara. Ho mostrato alcuni casi in cui il collegamento tramite array viene utilizzato per scopi molto specifici:

• Se hai bisogno solamente di collegare le masse (non ad alta velocità/RF), i via di collegamento sono comodi ma non indispensabili
• Se si fornisce un riferimento tra i layer, i via di collegamento sono comodi anche per i segnali a bassa velocità per ridurre al minimo l'EMI
• Durante l'alimentazione, i via ravvicinati possono fornire corrente elevata con un aumento minimo della temperatura
• Per le transizioni del segnale ad alta velocità, non puoi fare affidamento sui via di collegamento posizionati in modo casuale per garantire l'integrità del segnale

In questo modo la schermatura rimane come un problema in sospeso per quanto riguarda il dimensionamento, la spaziatura e il posizionamento dei via di collegamento. Per ulteriori informazioni, leggi questo articolo sul versamento di rame nei layout PCB per apprendere alcuni degli effetti dell'assemblaggio dei via sull'accoppiamento del rumore e sulle EMI.

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