Основы переходных отверстий. Часть 2

В этой второй статье из серии "Основы переходных отверстий" мы продолжим наше предыдущее обсуждение основных параметров переходных отверстий. На этот раз мы рассмотрим аспекты размещения переходных отверстий, проблемы, связанные с их размещением, приводящие к образованию пустот в слоях питания, и, наконец, рассмотрим некоторые уникальные случаи использования переходных отверстий, такие как переходные отверстия и отверстия для шитья.

Имейте в виду, что параметров и деталей, связанных с переходными отверстиями в дизайне печатных плат, гораздо больше, чем мы сможем охватить в этой короткой статье. Тем не менее, статья предоставит начинающим инженерам по дизайну печатных плат хорошую отправную точку для более глубокого изучения темы. Давайте начнем!

Размещение

Независимо от того, имеем ли мы дело с дорожками, компонентами, контурами, переходными отверстиями и так далее, нам всегда необходимо думать о зазорах между этими элементами, такими как между переходными отверстиями и дорожками, переходными отверстиями и переходными отверстиями, переходными отверстиями и контактными площадками и так далее. Как обычно, минимальные зазоры определяются выбранным вами производителем печатных плат или стандартом. Однако я бы посоветовал вам держаться подальше от этих минимумов, не только по производственным причинам, но и по другим причинам, таким как перекрестные помехи.

Кроме того, когда мы рассматриваем виас для питания и земли, мы хотим, чтобы их соединения с соответствующими контактными площадками компонентов были как можно короче и шире, чтобы минимизировать индуктивности. Это не означает размещение виас внутри или непосредственно рядом с любой площадкой, но на разумном расстоянии, чтобы не возникало проблем с затягиванием припоя.

Поскольку виас идут парами, мы обычно хотим размещать виас для питания и земли близко друг к другу, чтобы минимизировать индуктивность и улучшить характеристики подачи питания.

Выпадение

При близком размещении виас друг к другу возникает проблема, известная как выпадение. По сути, для сквозных виас (виас, проходящих через всю толщину печатной платы), размещение виас близко друг к другу может вызвать разрезы в опорной плоскости из-за слишком близкого расположения антиплощадок виас. Пример этого можно увидеть ниже на изображении плоскости GND с слишком близко расположенными незаземленными виас. Это будет мешать возвратным токам и потенциально может вызвать проблемы с электромагнитными помехами.

Проблема пустот в плотных конструкциях может быть сложно избежать, особенно когда в определенной области имеется большое количество сигнальных переходных отверстий (виас). Кроме того, если мы проведем дорожку через разрыв в опорной плоскости, вызванный пустотами, это может сильно повредить производительность по электромагнитной совместимости (EMI). Возвратные токи будут вынуждены обтекать этот разрыв в опорной плоскости, вызывая распространение полей, что увеличит излучение и электромагнитную сигнатуру.

Если пространство позволяет, простое решение для уменьшения пустот в опорных плоскостях - разместить виас достаточно далеко друг от друга, чтобы медь могла протекать между этими антипадами. 

Альтернативный метод - использование HDI виас, либо микро-виас для уменьшения размера антипадов, либо слепых и закрытых виас, которые не проникают через опорные плоскости. Однако, это, конечно, приведет к увеличению стоимости производства печатных плат.

В любом случае, всегда проверяйте ваши опорные плоскости на наличие пустот на этапе размещения и трассировки. Я настоятельно рекомендую также сканировать ваши итоговые файлы вывода Gerber на наличие пустот.

Переходные Виас

При переключении слоев с помощью переходного отверстия для сигнала мы обычно также меняем опорные плоскости (подумайте о четырехслойной плате SIG-GND-GND-SIG, например). Пока мы все еще прокладываем трассу на верхнем слое, для переменных сигналов (>20 кГц) путь возврата находится непосредственно в опорной плоскости ниже. Как только мы оказываемся на нижнем слое, путь возврата находится в опорной плоскости выше.

Что происходит с путем возврата и, следовательно, с полями, когда мы перемещаемся вдоль переходного отверстия по оси Z при смене слоев? Тогда поля будут распространяться, пытаясь найти подходящую точку "прикрепления" (путь возврата), что, в свою очередь, может быть причиной проблем с электромагнитными помехами. В таких случаях мы хотим разместить переходное отверстие — которое по сути является заземленным отверстием — рядом с сигнальным отверстием. Это делается для поддержания определенного опорного и возвратного пути при переходе вдоль оси Z. Обратите внимание, что это переходное отверстие работает только в том случае, если опорные плоскости, между которыми мы переключаемся, обе одного типа (например, GND на GND). 

Если мы переключаемся с GND на PWR, нам нужно разместить конденсатор с малым номиналом, соединяющий GND и PWR рядом с точкой перехода.

Сшивающие переходные отверстия (vias)

Существует две основные причины для использования сшивающих переходных отверстий. Часто в однослойных и многослойных конструкциях печатных плат у нас есть несколько слоев земли или питания, а также несколько медных заливок земли или питания. Без сшивающих переходных отверстий (либо земляных, либо питающих), различные слои земли и питания, а также любые другие медные заливки земли или питания, не соединялись бы хорошо друг с другом. Между ними создавалось бы напряжение, особенно на высоких частотах из-за импеданса, и в частности индуктивности. Чтобы смягчить это, нам нужно соединить их вместе с помощью переходных отверстий.

Размещая сшивающие переходные отверстия, мы можем соединить эти слои и заливки в нескольких X-Y местоположениях на печатной плате. Кроме того, каждый раз, когда у нас есть медные острова, которые часто могут быть вообще не прикреплены (или прикреплены плохо) всего несколькими переходными отверстиями, эти медные острова могут действовать как антенны, резонировать, а затем даже излучать. Это, конечно, может быть очень вредно для EMI-показателей платы.

Вторая причина или использование сквозных переходов для целей экранирования. Фактически, мы можем использовать "стену" из экранирующих сквозных переходов для подавления энергии электромагнитных волн (до определенной частоты) от входа или выхода из секции печатной платы. Расстояние между экранированиями определяется максимальной частотой, присутствующей на печатной плате. Например, для аудио печатной платы эта частота может быть 20 кГц, а для РЧ печатной платы она может составлять 2,4 ГГц, если не выше.

Как только вы узнаете максимальную частоту вашей печатной платы, нам просто нужно использовать эту формулу для расчета расстояния, где c - скорость света, ε - диэлектрическая постоянная, и f - наша максимальная интересующая частота:

Например, на частоте 2,4 ГГц и при маршрутизации по внешним слоям (микрополосковые трассы) формула дает нам расстояние между сквозными переходами 3,4 мм.

В этой серии статей мы рассмотрели основы сквозных переходов в дизайне печатных плат, включая параметры сквозных переходов, такие как размеры отверстий и площадок, типы сквозных переходов и для чего их можно использовать, включая переходные и экранирующие сквозные переходы.

Убедитесь, что вы ознакомились со всеми встроенными функциями переходных отверстий в Altium Designer, включая возможности работы с более сложными типами переходных отверстий, которые встречаются на платах HDI, такими как микро-переходы, скрытые и зарытые.