Vias 101 Część 2

W tym drugim artykule z serii "Podstawy o przelotkach" będziemy kontynuować naszą poprzednią dyskusję na temat kluczowych parametrów przelotek. Tym razem przyjrzymy się aspektom umieszczania przelotek, problemom związanych z ich rozmieszczeniem prowadzącym do tworzenia pustek w płaszczyznach, a na końcu przyjrzymy się niektórym unikalnym zastosowaniom przelotek, takim jak przelotki transferowe i przelotki łączące.

Należy pamiętać, że istnieje znacznie więcej parametrów i szczegółów dotyczących przelotek w projektowaniu PCB, niż będziemy mogli omówić w tym krótkim artykule. Jednakże, artykuł ten dostarczy początkującym inżynierom projektowania PCB dobry punkt wyjścia do pogłębienia tematu. Zaczynajmy!

Umieszczanie

Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z ścieżkami, komponentami, konturami, przelotkami itp., zawsze musimy myśleć o odstępach między tymi elementami, takimi jak między przelotkami a ścieżkami, przelotkami a przelotkami, przelotkami a padami itd. Jak zwykle, minimalne odstępy są szczegółowo określone przez wybranego producenta PCB lub standard. Jednakże, radziłbym trzymać się z dala od tych minimalnych wartości, nie tylko ze względów produkcyjnych, ale także z innych powodów, takich jak przeplot.

Dodatkowo, kiedy rozważamy przelotki zasilania i masy, chcemy, aby ich połączenia z odpowiednimi padami komponentów były jak najkrótsze i jak najszersze, aby zminimalizować indukcyjności. To nie oznacza umieszczania przelotek w padach lub bezpośrednio obok nich, ale w rozsądnej odległości, aby nie napotkać problemów z wnikaniem cyny.

Jako że przelotki występują parami, zazwyczaj chcemy umieszczać przelotki zasilania i masy blisko siebie, aby zminimalizować indukcyjność i poprawić charakterystyki dostarczania mocy.

Wytwarzanie pustek

Umieszczając przelotki blisko siebie, napotykamy problem znany jako wytwarzanie pustek. W zasadzie, dla przelotek przechodzących (przelotki, które przechodzą przez całą grubość PCB), umieszczanie przelotek blisko siebie może powodować cięcia w płaszczyźnie odniesienia z powodu zbyt bliskiego umieszczenia antypadów. Przykład tego można zobaczyć poniżej na obrazie płaszczyzny GND z zbyt blisko umieszczonymi przelotkami nieuziemionymi. Może to utrudniać powrót prądów i potencjalnie powodować problemy z EMI.

Problem pustek w gęstych projektach może być trudny do uniknięcia, szczególnie gdy mamy do czynienia z dużą liczbą przelotek sygnałowych w określonym obszarze. Ponownie, jeśli mielibyśmy poprowadzić ścieżkę przez rozdzielenie w płaszczyźnie odniesienia spowodowane pustkami, może to być bardzo szkodliwe dla wydajności EMI. Prądy zwrotne będą musiały płynąć wokół tego rozdzielenia w płaszczyźnie odniesienia, powodując rozprzestrzenianie się pól i zwiększenie promieniowania oraz sygnatury EM.

Jeśli przestrzeń na to pozwala, prostym rozwiązaniem na zminimalizowanie pustek w płaszczyznach odniesienia jest umieszczenie przelotek wystarczająco daleko od siebie, aby między tymi antypadami mogła przepływać miedź. 

Alternatywną metodą jest użycie przelotek HDI, albo mikroprzelotek, aby zmniejszyć rozmiar antypadów, lub przelotek ślepych i zakopanych, które nie penetrują płaszczyzn odniesienia. Jednakże, wiąże się to oczywiście ze wzrostem kosztów produkcji PCB.

W każdym przypadku, upewnij się, że zawsze sprawdzasz swoje płaszczyzny odniesienia pod kątem pustek na etapie projektowania układu i trasowania. Bardzo polecam również skanowanie końcowych plików wyjściowych Gerbera pod kątem pustek.

Przelotki transferowe

Podczas przełączania warstw za pomocą przelotki sygnałowej, zazwyczaj zmieniamy również płaszczyzny odniesienia (pomyśl o płytce czterowarstwowej SIG-GND-GND-SIG, na przykład). Kiedy nadal prowadzimy trasę na górnej warstwie, dla sygnałów przemiennych (>20 kHz) ścieżka powrotna znajduje się bezpośrednio w płaszczyźnie odniesienia poniżej. Gdy znajdujemy się na dolnej warstwie, ścieżka powrotna jest w płaszczyźnie odniesienia powyżej.

Co dzieje się ze ścieżką powrotną, a więc i z polami, gdy przemieszczamy się wzdłuż przelotki w osi Z, zmieniając warstwy? Wtedy pola rozprzestrzeniają się, próbując znaleźć odpowiedni „punkt zaczepienia” (ścieżkę powrotną), co z kolei może być przyczyną problemów z EMI. W takich przypadkach chcemy umieścić przelotkę transferową — która jest w zasadzie uziemioną przelotką — blisko przelotki sygnałowej. Ma to na celu utrzymanie zdefiniowanej płaszczyzny odniesienia i ścieżki powrotnej podczas przejścia wzdłuż osi Z. Zauważ, że ta przelotka transferowa działa tylko wtedy, gdy płaszczyzny, między którymi przełączamy, są tego samego typu (na przykład GND do GND). 

Jeśli przełączamy się z odniesienia GND na PWR, musimy umieścić kondensator o małej wartości zszyty między GND a odniesieniem PWR blisko punktu przejścia.

Zszywanie przelotek

Istnieją dwa główne powody dla zszywania przelotek. Często w pojedynczych, wielowarstwowych projektach PCB mamy wiele warstw masowych lub zasilających oraz wiele obszarów miedziowych masowych lub zasilających. Bez zszywania przelotek (zarówno masowych, jak i zasilających), różne warstwy masowe i zasilające, jak również jakiekolwiek inne obszary miedziowe masowe lub zasilające, nie łączyłyby się dobrze ze sobą. Między nimi powstałaby różnica napięć, szczególnie przy wyższych częstotliwościach z powodu impedancji, a konkretnie indukcyjności. Aby temu zaradzić, musimy połączyć je za pomocą przelotek.

Umieszczając zszywające przelotki, możemy połączyć te warstwy i obszary miedziowe w kilku lokalizacjach X-Y na PCB. Dodatkowo, za każdym razem, gdy mamy wyspy miedziowe, które często mogą być w ogóle nieprzyłączone (lub słabo przyłączone) przy użyciu tylko małej liczby przelotek, te wyspy miedziowe mogą działać jak anteny, rezonować, a następnie nawet promieniować. Oczywiście może to być bardzo szkodliwe dla wydajności EMI płyty.

Drugim powodem lub zastosowaniem przelotek zszywających jest ich wykorzystanie do celów ekranowania. W praktyce możemy użyć "ściany" przelotek ekranujących, aby tłumić energię fal elektromagnetycznych (do pewnej częstotliwości) przed wnikaniem lub opuszczaniem określonego obszaru PCB. Rozstaw ekranowań jest określany przez maksymalną częstotliwość występującą w PCB. Na przykład, dla PCB audio ta częstotliwość może wynosić 20 kHz, a dla PCB RF może to być 2,4 GHz, jeśli nie wyższa.

Gdy już znamy maksymalną częstotliwość naszego PCB, wystarczy użyć tej formuły do obliczenia rozstawu, gdzie c to prędkość światła, ε to stała dielektryczna, a f nasza maksymalna interesująca nas częstotliwość:

Na przykład, przy 2,4 GHz i z trasowaniem na zewnętrznych warstwach (mikropaski), wzór daje nam rozstaw przelotek zszywających wynoszący 3,4 mm.

W tej serii artykułów zbadaliśmy podstawy przelotek w projektowaniu PCB, przyglądając się parametrom przelotek, takim jak rozmiary wierceń i padów, typy przelotek oraz do czego przelotki mogą być używane,  w tym przelotki transferowe i zszywające.

Upewnij się, że sprawdziłeś wszystkie wbudowane funkcje przelotek w Altium Designer, w tym możliwości obsługi bardziej skomplikowanych typów przelotek znajdujących się na płytach HDI, takich jak mikroprzelotki, ślepe i zakopane.