Vias 101 Parte 2

In questo secondo articolo della serie "Vias 101", continueremo dalla nostra discussione precedente sui parametri essenziali delle vie. Questa volta esamineremo aspetti del posizionamento delle vie, problemi legati al posizionamento delle vie che portano alla formazione di vuoti nei piani, e infine guarderemo ad alcuni casi d'uso unici delle vie, denominati vie di trasferimento e vie di cucitura.

Tieni presente che ci sono molti più parametri e dettagli sulle vie nella progettazione PCB di quanti ne copriremo in questo breve articolo. Tuttavia, l'articolo fornirà agli ingegneri di progettazione PCB principianti un buon punto di partenza per poter approfondire l'argomento. Iniziamo!

Posizionamento

Indipendentemente dal fatto che stiamo trattando tracce, componenti, contorni, vie e così via, dobbiamo sempre pensare alle distanze tra questi elementi, come tra vie e tracce, vie e vie, vie e pad e così via. Come al solito, le distanze minime sono dettagliate dal produttore di PCB scelto o dalla norma. Tuttavia, ti consiglierei di stare lontano da questi minimi, non solo per motivi di produzione ma anche per altri motivi come il cross-talk.

Inoltre, quando esaminiamo le vie di alimentazione e di terra, vogliamo che le loro connessioni ai pad dei componenti rilevanti siano il più corte e larghe possibile per minimizzare le induttanze. Questo non significa posizionare le vie dentro o direttamente adiacenti a qualsiasi pad, ma a una distanza ragionevole in modo da non avere problemi con l'assorbimento del saldante.

Poiché le vie vengono a coppie, di solito vogliamo posizionare le vie di alimentazione e di terra vicine tra loro per minimizzare l'induttanza e migliorare le caratteristiche di erogazione dell'energia.

Vuoti

Quando spaziamo le vie vicine l'una all'altra incontriamo un problema noto come vuoti. Essenzialmente, per le vie passanti (vie che attraversano tutto lo spessore del PCB), posizionare le vie vicine l'una all'altra può causare tagli nel piano di riferimento a causa degli anti-pad delle vie troppo vicini tra loro. Un esempio di ciò può essere visto nell'immagine qui sotto di un piano GND con vie non collegate a terra troppo vicine tra loro. Questo ostacolerà le correnti di ritorno e potenzialmente può causare problemi di EMI.

Il problema dei vuoti nei design densi può essere difficile da evitare, specialmente quando si ha un grande numero di vie di segnale in un'area particolare. Ancora, se dovessimo tracciare una pista sopra la divisione nel piano di riferimento causata dal vuoto, ciò può essere molto dannoso per le prestazioni EMI. Le correnti di ritorno dovranno fluire attorno a questa divisione nel riferimento, causando la diffusione dei campi, e aumenteranno la radiazione e la firma EM.

Se lo spazio lo consente, una soluzione semplice per mitigare i vuoti nei piani di riferimento è posizionare le vie abbastanza lontane l'una dall'altra in modo che il rame possa fluire tra questi anti-pad delle vie. 

Un metodo alternativo è utilizzare vie HDI, sia micro-vie per diminuire la dimensione degli anti-pad, sia vie cieche e sepolte che non penetrano i piani di riferimento. Tuttavia, questo comporta naturalmente un aumento del costo di produzione del PCB.

In ogni caso, assicurati di controllare sempre i tuoi piani di riferimento durante la fase di layout e routing per i vuoti. Raccomando vivamente di scansionare anche i tuoi file di output Gerber finali per i vuoti.

Vie di Trasferimento

Quando si cambiano strati con un via di segnale, tipicamente cambiamo anche i piani di riferimento (pensiamo, ad esempio, a una scheda a quattro strati SIG-GND-GND-SIG). Mentre stiamo ancora instradando sullo strato superiore con una traccia, per i segnali AC (>20 kHz), il percorso di ritorno si trova direttamente nel piano di riferimento sottostante. Una volta che siamo sullo strato inferiore, il percorso di ritorno si trova nel piano di riferimento superiore.

Cosa succede al percorso di ritorno e quindi ai campi quando ci muoviamo lungo il via nell'asse Z cambiando strati? I campi si diffonderanno cercando di trovare un punto di "aggancio" (un percorso di ritorno) adeguato, che a sua volta può essere una causa di problemi di EMI. In tali casi, vogliamo posizionare un via di trasferimento— che è sostanzialmente un via collegato a terra—  vicino al via del segnale. Questo per mantenere un percorso di riferimento e di ritorno definito durante la transizione lungo l'asse Z. Notare che questo via di trasferimento funziona solo se i riferimenti tra cui stiamo passando sono entrambi dello stesso tipo (ad esempio, GND a GND). 

Se stiamo passando da un riferimento GND a PWR, dobbiamo posizionare un condensatore di piccolo valore collegato tra GND e il riferimento PWR vicino al punto di transizione.

Vie di Collegamento

Ci sono due principali motivi per l'uso delle vie di collegamento. Spesso, nei progetti PCB singoli o multistrato, abbiamo più strati di terra o di alimentazione e più getti di rame di terra o di alimentazione. Senza le vie di collegamento (sia di terra che di alimentazione), i vari strati di terra e di alimentazione, così come qualsiasi altro getto di rame di terra o di alimentazione, non si connetterebbero bene insieme. Si creerebbe una differenza di tensione tra di loro, in particolare ad alte frequenze a causa dell'impedenza, e specificamente dell'induttanza. Per mitigare ciò, dobbiamo collegarli insieme con delle vie.

Posizionando le vie di collegamento, possiamo unire questi strati e getti in diverse posizioni X-Y sul PCB. Inoltre, ogni volta che abbiamo isole di rame, che spesso possono non essere affatto collegate (o mal collegate) con solo un piccolo numero di vie, queste isole di rame possono agire come antenne, risuonare e poi persino irradiare. Questo ovviamente può essere molto dannoso per le prestazioni EMI di una scheda.

Il secondo motivo o uso delle vie di stitching è per scopi di schermatura. In effetti, possiamo utilizzare una "parete" di vie di schermatura per sopprimere l'energia delle onde elettromagnetiche (fino a una certa frequenza) dall'entrare o uscire da una sezione del PCB. La spaziatura delle schermature è determinata dalla massima frequenza presente in un PCB. Ad esempio, per un PCB audio questa frequenza potrebbe essere 20 kHz, e per un PCB RF potrebbe essere 2,4 GHz, se non anche superiore.

Una volta che conoscete la massima frequenza del vostro PCB, dobbiamo semplicemente utilizzare questa formula per calcolare la spaziatura, dove c è la velocità della luce, ε è la costante dielettrica, e f la nostra massima frequenza di interesse:

Ad esempio, a 2,4 GHz, e con routing su tracce esterne (microstrip), la formula ci dà una spaziatura delle vie di stitching di 3,4 mm.

In questa serie di articoli, abbiamo esaminato le basi delle vie nei progetti PCB, guardando ai parametri delle vie, come dimensioni di trapano e pad, tipi di vie e a cosa possono essere utilizzate,  inclusi il trasferimento e le vie di stitching.

Assicurati di esplorare tutte le funzionalità integrate per le vie di , incluse le capacità di gestire tipi di vie più complessi trovati su schede HDI, come micro-vie, cieche e sepolte.