Vias 101 Parte 2

Neste segundo artigo "Vias 101", continuaremos a partir de nossa discussão anterior sobre parâmetros essenciais de vias. Desta vez, examinaremos aspectos do posicionamento de vias, problemas com o posicionamento de vias que levam ao esvaziamento de planos e, finalmente, olharemos para alguns casos de uso únicos de vias denominados vias de transferência e vias de costura.

Tenha em mente que existem muito mais parâmetros e detalhes sobre vias em design de PCB do que abordaremos neste curto artigo. No entanto, o artigo fornecerá aos engenheiros de design de PCB iniciantes um bom ponto de partida para poder aprofundar-se no tópico. Vamos começar!

Posicionamento

Independentemente de estarmos lidando com trilhas, componentes, contornos, vias e assim por diante, sempre precisamos pensar nas distâncias entre esses elementos, como entre vias e trilhas, vias e vias, vias e pads, e assim por diante. Como de costume, as distâncias mínimas são detalhadas pelo fabricante de PCB ou padrão escolhido. No entanto, eu aconselharia a manter distância desses mínimos, não apenas por razões de fabricação, mas também por outras razões, como diafonia.

Além disso, quando estamos olhando para vias de alimentação e terra, queremos que suas conexões com os pads dos componentes relevantes sejam o mais curtas e largas possível para minimizar as indutâncias. Isso não significa colocar as vias dentro ou diretamente adjacentes a qualquer pad, mas a uma distância razoável para que não ocorram problemas com a absorção de solda.

Como as vias vêm em pares, geralmente queremos colocar as vias de alimentação e terra próximas uma da outra para minimizar a indutância e melhorar as características de entrega de energia.

Formação de Vazios

Quando espaçamos as vias muito próximas uma da outra, encontramos um problema conhecido como formação de vazios. Essencialmente, para vias passantes (vias que atravessam toda a espessura da PCB), colocar vias muito próximas umas das outras pode causar cortes no plano de referência devido aos anti-pads das vias estarem muito próximos. Um exemplo disso pode ser visto abaixo na imagem de um plano GND com vias não aterradas muito próximas. Isso impedirá as correntes de retorno e pode potencialmente causar problemas de EMI.

O problema de vazios em designs densos pode ser difícil de evitar, especialmente quando você tem um grande número de vias de sinal em uma área específica. Novamente, se fôssemos rotear um traço sobre a divisão no plano de referência causada por vazios, isso pode ser muito prejudicial ao desempenho EMI. As correntes de retorno terão que fluir ao redor dessa divisão no referencial, causando a dispersão dos campos, e aumentará a radiação e a assinatura EM.

Se o espaço permitir, uma solução simples para mitigar vazios em planos de referência é colocar vias suficientemente afastadas uma da outra para que o cobre possa fluir entre esses anti-pads das vias. 

Um método alternativo é usar vias HDI, seja micro-vias para diminuir o tamanho dos anti-pads, ou vias cegas e enterradas que não penetram nos planos de referência. No entanto, isso é claro que está sujeito a um aumento no custo de fabricação da PCB.

De qualquer forma, certifique-se de sempre verificar seus planos de referência durante a fase de layout e roteamento para vazios. Eu recomendo fortemente a verificação dos seus arquivos finais de saída Gerber para vazios também.

Vias de Transferência

Ao alternar camadas com um via de sinal, normalmente também mudamos os planos de referência (pense em uma placa de quatro camadas SIG-GND-GND-SIG, por exemplo). Enquanto ainda estamos roteando na camada superior com um traço, para sinais de AC (>20 kHz), o caminho de retorno está diretamente no plano de referência abaixo. Uma vez que estamos na camada inferior, o caminho de retorno está no plano de referência acima.

O que acontece com o caminho de retorno e, portanto, com os campos quando nos movemos ao longo do via no eixo Z ao mudar de camadas? Então, os campos se espalharão à medida que tentam encontrar um ponto de "fixação" adequado (um caminho de retorno), o que, por sua vez, pode ser uma causa de problemas de EMI. Nesses casos, queremos colocar um via de transferência — que é basicamente um via aterrado —  perto do via de sinal. Isso é para manter um caminho de referência e retorno definidos enquanto se faz a transição ao longo do Z. Note que esse via de transferência só funciona se as referências entre as quais estamos alternando forem do mesmo tipo (por exemplo, GND para GND). 

Se estamos mudando de uma referência de GND para PWR, precisamos colocar um capacitor de pequeno valor costurado entre GND e a referência de PWR perto do ponto de transição.

Vias de Costura

Existem duas razões principais para a costura de vias. Frequentemente, em designs de PCB de camada única ou multicamadas, temos múltiplas camadas de terra ou de alimentação, e vários derramamentos de cobre de terra ou de alimentação. Sem as vias de costura (seja de terra ou de alimentação), as várias camadas de terra e de alimentação, assim como quaisquer outros derramamentos de cobre de terra ou de alimentação, não se conectariam bem entre si. Uma diferença de tensão seria criada entre eles, em particular em frequências mais altas devido à impedância, e especificamente à indutância. Para mitigar isso, precisamos uni-los com vias.

Ao colocar vias de costura, podemos unir essas camadas e derramamentos em várias localizações X-Y na PCB. Além disso, sempre que temos ilhas de cobre, que muitas vezes podem não estar ligadas de todo (ou mal ligadas) com apenas um pequeno número de vias, essas ilhas de cobre podem atuar como antenas, ressoar e até mesmo irradiar. Isso, claro, pode ser muito prejudicial para o desempenho EMI de uma placa.

A segunda razão ou uso para vias de costura é para fins de blindagem. Na prática, podemos usar uma "parede" de vias de blindagem para suprimir a energia das ondas eletromagnéticas (até uma certa frequência) de entrar ou sair de uma seção da PCB. O espaçamento das blindagens é determinado pela frequência máxima aparente em uma PCB. Por exemplo, para uma PCB de áudio, essa frequência pode ser de 20 kHz, e para uma PCB de RF, poderia ser de 2,4 GHz, se não ainda mais alta.

Uma vez que você conhece a frequência máxima da sua PCB, simplesmente precisamos usar esta fórmula para calcular o espaçamento, onde c é a velocidade da luz, ε é a constante dielétrica, e f nossa frequência máxima de interesse:

Por exemplo, a 2,4 GHz, e com roteamento em trilhas de camada externa (microstrip), a fórmula nos dá um espaçamento de via de costura de 3,4 mm.

Nesta série de artigos, examinamos os fundamentos das vias no design de PCBs, olhando para parâmetros de vias, como tamanhos de furação e pad, tipos de vias e para que as vias podem ser usadas, incluindo vias de transferência e de costura.

Certifique-se de conferir todas as funcionalidades de vias incorporadas no Altium Designer, incluindo capacidades para lidar com tipos mais complicados de vias encontradas em placas HDI, como micro-vias, vias cegas e enterradas.