Все, что необходимо знать о сшивающих переходных отверстиях

Сшивающие переходные отверстия часто разбросаны по всему поверхностному слою печатной платы. Когда заливка медью используется грамотно, в идеале для сшивающих переходных отверстий рассчитывается такое разделительное расстояние, при котором массив переходных отверстий подавляет перекрестные наводки и помехи. Также их используют как несколько параллельных соединений между слоями, что может обеспечить низкое сопротивление и полное сопротивление, и, следовательно, высокий постоянный или переменный ток.

В этом руководстве я опишу стандартные варианты использования сшивающих переходных отверстий и ситуации, в которых их следует использовать на печатной плате. Этот раздел проектирования печатных плат вызывает разногласия среди проектировщиков, поскольку он связан с заливкой медью, которая, как часто утверждают, не требуется в большинстве конструкций. Как бы вы не относились к заливке медью, сшивающие переходные отверстия играют важную роль на печатных платах при низких и высоких частотах.

Основная информация о сшивающих переходных отверстиях на печатных платах

Сшивающие переходные отверстия имеют простую конструкцию. Это периодический массив переходных отверстий, как правило заземляемых через структуру слоев печатной платы. Таким образом, они формируют соединения между сетями заземления в нескольких слоях. В одном из вариантов использования массивов переходных отверстий присутствуют межслойные соединения питания (см. ниже). Эти структуры также играют важную роль в радиочастотных системах, и в ряде ситуаций сшивающие переходные отверстия используются неправильно.

Для быстрого знакомства с вариантами использования сшивающих переходных отверстий на печатной плате посмотрите следующее видео. К основным областям относятся проектирование высокоскоростных и радиочастотных печатных плат и маршрутизация питания через несколько слоев.

Подробнее рассмотрим каждую из этих областей:

Типовое использование: подключение заземления

Стандартный вариант использования сшивающих переходных отверстий — это соединение участков заземления через несколько слоев. На многослойной печатной плате обычно имеется несколько медных участков, относящихся к одной сети заземления. Сшивающие переходные отверстия — удобный инструмент для их соединения и обеспечения минимально возможного полного сопротивления для любых обратных токов, двигающихся вдоль опорной плоскости в печатной плате.

Использовать периодические сшивающие переходные отверстия, чтобы сформировать эти соединения между участками заземления, не требуется. Однако заземления необходимо к чему-то подключать. Использование нескольких соединений может быть предпочтительным для упрощения схемы путей возврата к точке возврата питания.

Переходы между слоями через переходные отверстия

Это одна из областей, в которой сшивающие переходные отверстия, подсоединенные к заземлению, играют ценную роль. Переходы между слоями в цифровых и радиочастотных цепях должны иметь четкое опорное заземление для контроля над прохождением сигнала по межсоединению на печатной плате. При переходе между слоями близлежащее переходное отверстие в массиве сшивающих переходных отверстий может выполнять ту же функцию, что и плоскость заземления под трассой.

Как правило, когда массив сшивающих переходных отверстий помещается на печатную плату, одно из этих отверстий вероятно будет расположено рядом с переходом между слоями через сигнальное переходное отверстие. В каких-то ситуациях эта схема, вероятно, будет работать нормально, не придется беспокоиться об эмиссии помех или о подверженности помехам в зоне перехода через переходное отверстие. Присутствия заземленного сшивающего переходного отверстия рядом с сигнальным отверстием должно быть достаточно для подавления помех, особенно для медленных GPIO, I2C, UART и других медленных цифровых протоколов (так же, как и для низкочастотных аналоговых схем).

Ситуация с высокоскоростными цифровыми и радиочастотными схемами иная. Здесь необходим специально спроектированный массив сшивающих переходных отверстий рядом с сигнальным переходным отверстием. Массив сшивающих переходных отверстий нужен, чтобы сформировать возвратный путь с низким полным сопротивлением для тока, индуцированного вдоль края сшивающих переходных отверстий. Также сшивающие переходные отверстия размещаются на таких переходных участках, чтобы локализовать электромагнитное поле, содержащее сигнал, внутри структуры переходных отверстий, ограниченной сшивающими переходными отверстиями.

Механизм шумоподавления в такой ситуации иногда называют «экранированием», предполагая, что переходные отверстия предотвращают объединение электромагнитных волн и возникновение межсоединения, на которое воздействуют помехи. Это отчасти верно. Расположение структуры сшивающих переходных отверстий вблизи сигнального переходного отверстия обеспечивает снижение помех двумя путями:

1. Реактивное сопротивление петли на участке переходного отверстия ниже, поскольку переходное отверстие находится ближе к заземлению
2. Находясь ближе к заземлению, переход, формируемый сигнальным/заземляющим переходным отверстием, определяет суммарное емкостное сопротивление на переходном отверстии.

2-й пункт эквивалентен снижению паразитного емкостного сопротивления путем приближения плоскости заземления к трассе сигнала. Я показал в этой статье, как это ослабляет паразитную емкостную связь с другими сигнальными сетями. Такого же результата можно ожидать и здесь.

Сшивающие переходные отверстия и антиконтактные площадки влияют на полное сопротивление переходных отверстий

В результате изменения емкостного и реактивного сопротивления, описанного в предыдущем разделе, размещение сшивающих переходных отверстий в переходе между слоями будет определять полное сопротивление переходных отверстий. Связанный компонент — это антиконтактная площадка, которая в идеале должна пересекаться со сшивающими переходными отверстиями, вследствие чего они будут совместно изменять полное сопротивление. Большинство калькуляторов полного сопротивления переходных отверстий неспособны рассчитать фактическое полное сопротивление переходных отверстий из-за присутствия компоновок сшивающих переходных отверстий и размера антиконтактной площадки вокруг области перехода между слоями.

Хотя сшивающие переходные отверстия и антиконтактные площадки, проходящие через плоскости заземления, влияют на полное сопротивление, входное полное сопротивление на переходном отверстии не будет существенно отклоняться от 50 Ом (или дифференциала примерно в 100 Ом), пока частота не превысит примерно 3–5 ГГц. На низких частотах не нужно беспокоиться о том, насколько сильно сшивающие переходные отверстия и размер антиконтактных площадок влияют на полное сопротивление сшивающих переходных отверстий. Скорее всего, вы не заметите никакого эффекта, поскольку переходные отверстия будут очень электрически короткими. При частотах выше приблизительно 5 ГГц это играет очень важную роль, поскольку неверно размещенные сшивающие переходные отверстия и крупные антиконтактные площадки не будут обеспечивать достаточную емкостную нагрузку. Это приведет к индуктивному переходу переходных отверстий, при котором полное сопротивление достигает сотен Ом. Ниже показаны S-параметры для примера перехода переходного отверстия без сшивающих переходных отверстий и крупной антиконтактной площадки.

В данном случае сшивающие переходные отверстия оказывают не самое сильное влияние на емкостную нагрузку дифференциальной пары в среднем диапазоне частот. При большем разделении сигнальных переходных отверстий сшивающие переходные отверстия будут оказывать более существенное влияние на полное сопротивление сигнальных переходных отверстий. Когда сигнальные переходные отверстия расположены ближе друг к другу, антиконтактная площадка в большей степени определяет полное сопротивление переходного отверстия. Когда сигнальные переходные отверстия расположены близко друг к другу, а антиконтактная площадка маленькая, можно не заметить никакого влияния со стороны сшивающих переходных отверстий.

Обеспечивают ли сшивающие переходные отверстия экранирование?

Короткий ответ: «да», но только до определенных частот. Используя их с целью экранирования, проектировщик, возможно, будет лишь догадываться о требуемом расстоянии между переходными отверстиями. В ряде ситуаций то, что мы называем экранированием в волноводах, правильнее было бы назвать локализацией поля. Невзирая на название, сшивающие переходные отверстия способны блокировать распространение электромагнитных волн вплоть до определенной максимальной частоты.

Для конкретной частоты, которую необходимо подавить, шаг между переходными отверстиями должен быть приблизительно таким:

Требование к интервалу между сшивающими переходными отверстиями, предназначенными для блокировки распространения электромагнитных волн, эквивалентно требованию к локализации волн в волноводе на печатной плате.

Ниже приведен пример заземленного копланарного волновода, используемого в качестве питающей антенной линии. В этом примере шаг равен 20 мил, что, как следует из приведенного выше уравнения, подошло бы для экранирования при частотах до 43 ГГц. Если бы поблизости проходили высокоскоростные сигналы, можно было бы рассчитывать на высокую эффективность экранирования вдоль этой питающей линии, что помогло бы подавить перекрестные наводки в радиочастотной линии.

Полагаю, здесь важно отметить, что сшивающие переходные отверстия — не панацея от помех и не повод отказываться от передовых методик маршрутизации. Даже если сшивающие переходные отверстия использованы как описано выше, сохраняется необходимость применять грамотные стратегии размещения и маршрутизации для радиочастотных плат.

Сшивающие переходные отверстия для питания

При использовании в макете печатной платы для системы питания сшивающие переходные отверстия, как правило, не размещают в типовой компоновке с большим интервалом. В таких проектных решениях их могут вообще не применять на крупных заземленных участках с заливкой медью. Однако массивы сшивающих переходных отверстий могут быть использованы для формирования переходов между слоями с низким сопротивлением в сети питания. Это позволило бы переходному отверстию передавать большие объемы по току с низкими потерями между слоями.

Сколько сшивающих переходных отверстий необходимо для передачи конкретного объема по току? Это зависит от сопротивления типового переходного отверстия по постоянному току. При типовых значениях диаметра рассверливания переходных отверстий и размера контактной площадки (10/20 мил) и толщине покрытия стенки 1 мил сопротивление переходного отверстия составит примерно 1,5 мОм, а тепловое сопротивление — примерно 180 °C/Вт. При попытке подать постоянный ток 20 А через это переходное отверстие будет рассеяно 600 мВт мощности, и можно ожидать, что температура переходного отверстия вырастет на 108 °C.

Чтобы удержать рост температуры в каких-то приемлемых пределах, в массиве необходимо использовать несколько переходных отверстий. Если бы мы использовали 10 переходных отверстий параллельно, по каждому из них проходил бы постоянный ток 2 А, и ожидаемый рост температуры составил бы 1,08 °C для каждого переходного отверстия (и, следовательно, для всего массива). Этот пример показывает, как можно использовать целевой показатель роста температуры для определения лимита на количество сшивающих переходных отверстий.

Автоматизация размещения сшивающих переходных отверстий

Если учесть, что при размещении сшивающих переходных отверстий необходимо расположить на плате большой массив переходных отверстий с точными интервалами между ними, это может оказаться непростой задачей при использовании большинства инструментов САПР. В простых инструментах САПР требуется размещать переходные отверстия вручную, а затем, вероятно, копировать и вставлять каждую строку/столбец на плату для формирования массива.

Altium Designer предлагает простую утилиту в редакторе печатных плат для размещения сшивающих переходных отверстий с задаваемыми пользователем размерами и интервалами. Можно разместить сшивающие переходные отверстия, выбрав шаблон переходного отверстия или задав пользовательский размер и переход между слоями. Эта функция доступна в меню Инструменты в редакторе PCB. Эта функция подробнее описана в документации.

Существует ли объективно «правильный» способ использования сшивающих переходных отверстий? Ответ иногда неочевиден. Я показал несколько ситуаций, в которых массивы сшивающих переходных отверстий используется для конкретных целей:

• Если нужно только подсоединить заземление (без высокоскоростных/радиочастотных сигналов), сшивающие переходные отверстия удобны, но не обязательны
• При формировании связи между слоями сшивающие переходные отверстия также удобны для низкоскоростных сигналов, в целях минимизации электромагнитных помех
• Если необходимо обеспечить питание, переходные отверстия, разделенные малыми интервалами, способны передавать сильный ток с минимальным ростом температуры
• В отношении переходов высокоскоростных сигналов нельзя рассчитывать на то, что произвольно расположенные сшивающие переходные отверстия обеспечат целостность сигнала

При этом экранирование остается нерешенной проблемой в аспекте размеров, интервалов и размещения сшивающих переходных отверстий. Чтобы узнать больше, прочитайте эту статью о заливке медью на макетах печатных плат, в которой описано влияние сшивающих переходных отверстий на шумовую связь и электромагнитные помехи.

Чтобы получить доступ к лучшим функциям САПР и средствам автоматизации для проектирования печатных плат, воспользуйтесь инструментами проектирования в Altium Designer®. Когда проектирование будет завершено, а данные готовы для передачи на производство, платформа Altium 365™ поможет наладить совместную работу и доступ к проектам. Информация о ежемесячных обновлениях функций в Altium Designer.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .