Khoan Lùi trong Thiết kế PCB: Một Cách Dễ Dàng để Cải Thiện Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu của Via

Created: Tháng Mười 22, 2020
Updated: Tháng Mười 23, 2020

Trong 20 năm qua, các thiết bị điện tử đã trở nên ngày càng phức tạp. Chưa đầy hai thập kỷ trước, chỉ việc sở hữu một chiếc điện thoại di động để thực hiện cuộc gọi đã là hiếm; ngày nay, điện thoại của chúng ta là trung tâm điều khiển cuộc sống. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về công nghệ smartphone, công nghệ đã trở nên nhanh hơn, nhiều chức năng hơn và trực quan hơn. Những cải tiến về cơ sở linh kiện đã tối ưu hóa quy trình trong khi giảm chi phí sản xuất.

Smartphone sử dụng tín hiệu tần số cao hơn, dẫn đến tốc độ xử lý tăng và giảm cạnh tín hiệu. Các kỹ sư đã phải thích nghi với những thách thức mới do sự phụ thuộc vào các dải tần số cao hơn.

Các nhà thiết kế PCB tạo ra các bảng mạch cho những thiết bị này đang đối mặt với những thách thức mới khi công nghệ tiến bộ. Họ đã phải vượt qua việc chỉ kết nối đầu ra của linh kiện trên PCB theo sơ đồ để đảm bảo rằng đường truyền tín hiệu giữ được tính toàn vẹn và tổn thất tín hiệu được giảm thiểu. Để đáp ứng những nhu cầu này, các nhà thiết kế phải lựa chọn cẩn thận vật liệu để tạo ra bảng mạch cũng như tính toán và xác minh trở kháng.

Nếu tốc độ truyền dữ liệu đạt tới vài gigabit mỗi giây (Gb/s), người thiết kế phải hoàn toàn loại trừ hoặc giảm thiểu sự không đồng nhất có thể xảy ra trên đường truyền tín hiệu. Bất kỳ sự không đồng nhất nào cũng có thể thay đổi đáng kể hình dạng sóng, tính toàn vẹn của tín hiệu và ảnh hưởng đến chức năng của thiết bị. Điều này đặc biệt đúng với các tín hiệu đi qua các via, đặc biệt là khi một phần của via không được sử dụng. Phần này không đồng nhất và có tác động tiêu cực đến tín hiệu như được minh họa dưới đây (Hình 1).

Hình 1. Tín hiệu đi qua via. Một phần của via giữa lớp thứ 4 và thứ 6 không được sử dụng và tạo ra một đoạn dư.

Một số nghiên cứu [1] đã minh họa ảnh hưởng mạnh mẽ của phần không sử dụng của via đối với chất lượng của tín hiệu tốc độ cao (Hình 2).

Hình 2. Ảnh hưởng của đoạn dư via đến chất lượng của tín hiệu tốc độ cao. Đoạn dư dài hơn ở bên trái minh họa sự méo mó đáng kể làm suy giảm tính toàn vẹn của tín hiệu. Ảnh được cung cấp bởi [1].

Sự phản xạ nhiều lần từ sự không đồng nhất làm méo hình dạng, vì vậy các nhà thiết kế phải khớp trở kháng của các đường truyền. Trong một số trường hợp, việc này có thể được thực hiện dưới dạng các sửa đổi sau khi PCB đã được sản xuất. Có nhiều cách khớp trở kháng, như kết thúc nối tiếp với một điện trở đầu vào đơn, khớp nối song song bằng điện trở đầu ra, khớp nối bằng bộ chia điện áp và nhiều phương pháp khác.

Các phương pháp kết thúc đòi hỏi sử dụng thêm linh kiện, điều này đôi khi khó thực hiện, đặc biệt là trên các bảng mạch in dày đặc. Để giảm số lượng vias, các nhà thiết kế đang cố gắng cung cấp tín hiệu tốc độ cao trên một lớp. Nhưng với mật độ lắp ráp PCB tăng lên và ý định của các nhà thiết kế là giảm kích thước của các thiết bị, cách tiếp cận này có thể gặp thách thức.

Altium Designer có thể giúp kỹ sư cải thiện chất lượng của tín hiệu tốc độ cao một cách khá đơn giản; một phương pháp như vậy được gọi là công nghệ khoan lùi. Phần không sử dụng của lỗ kim loại được khoan với đường kính lớn hơn đến một độ sâu nhất định. Trong ví dụ dưới đây, nhà thiết kế phải loại bỏ phần không sử dụng từ lớp 6 đến lớp 4 (Hình 3).

Hình 3. Đồng được khoan ra từ lớp 6 đến lớp 4.

Backdrilling có thể được thực hiện từ cả hai phía và đến các độ sâu khác nhau (Hình 4).

Hình 4. Các phương pháp backdrilling khác nhau.

Khi sử dụng backdrilling, người thiết kế cần nhớ rằng khoảng cách từ lỗ khoan ngược lại với các thành phần và yếu tố cấu trúc được nhà sản xuất PCB khuyến nghị phải được duy trì. Thông thường nó lớn hơn một chút so với via tiêu chuẩn.

Các nhà thiết kế có thể không chắc chắn về cách triển khai backdrilling trong các hệ thống thiết kế hỗ trợ bởi máy tính và dữ liệu nào nên được chuyển giao cho nhà sản xuất PCB. Cấu hình backdrills trong Altium Designer rất đơn giản.

Bước đầu tiên là chạy Quản lý Lớp Xếp Chồng (LSM) và chọn Back Drills ở góc phải trên của phần Tính năng (Hình 5). Với chuỗi thao tác đơn giản này, người thiết kế kích hoạt chức năng sử dụng các loại lỗ này.

Accessing backdrills in the layer stack manager

Hình 5. Back Drills trong LSM

Bất kỳ số lượng lỗ backdrilling nào cũng có thể được tạo trong Quản lý Lớp Xếp Chồng (Hình 6).

Hình 6. Lỗ với backdrilling trong LSM.

Cài đặt khoan được điều chỉnh sử dụng bảng thuộc tính backdrill trong LSM (Hình 7).

Hình 7. Bảng thuộc tính Khoan Lùi.

Người thiết kế xác định Lớp đầu tiên (bắt đầu khoan) và Lớp cuối cùng (lớp mà việc khoan kết thúc). Nếu hộp kiểm được kích hoạt cho Tính đối xứng, việc khoan sẽ đối xứng, ví dụ, ở cả hai bên (Hình 8).

Hình 8. Khoan ở cả hai bên.

Người thiết kế cũng phải xác định mạch nào cần được khoan lùi. Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng Quy tắc Thiết kế. Trong phần Tốc độ cao, chọn Độ dài Stub Via Tối đa (khoan lùi) và tạo một quy tắc mới (Hình 9).

Hình 9. Quy tắc cho khoan lùi.

Người thiết kế xác định điều kiện của hoạt động khoan lùi, gán kích thước đường kính khoan lớn hơn bao nhiêu so với lỗ chính, chiều dài tối đa cho phép của phần stub via còn lại và đối tượng mà quy tắc này sẽ được áp dụng. Đối tượng có thể chứa mạch, lớp mạch, và xSignals. Khi điều kiện được xác định trong quy tắc được kích hoạt, việc khoan lùi sẽ tự động được thêm vào.

Khoan lùi trong chế độ 2D trên bảng mạch in sẽ được chỉ ra như sau (Hình 10):

Hình 10. Khoan lùi được hiển thị trong chế độ 2D.

Các lỗ khoan ngược có màu đôi. Một màu là màu của lớp bắt đầu khoan; màu còn lại là màu của lớp kết thúc khoan. Dấu hiệu này đảm bảo rằng nhà thiết kế có thể dễ dàng điều hướng đến vị trí khoan ngược.

Khoan ngược cũng được hiển thị trong chế độ 3D (Hình 11):

Hình 11. Khoan ngược được hiển thị trong chế độ 3D.

Thông tin về khoan ngược là cần thiết cho nhà sản xuất PCB. Thông tin này được hiển thị trong Bảng Khoan trong cả tệp PCB và Tài liệu Draftsman, cũng như trong các tệp xuất Gerber và tệp Khoan NC (một tệp riêng được tạo ra cho khoan ngược). Một đoạn của bảng được trình bày như một ví dụ (Hình 12).

Hình 12. Đoạn bảng bao gồm khoan ngược.

Ví dụ trên chứa đường kính lỗ, biểu tượng, lớp đầu tiên và cuối cùng và các thông tin liên quan khác. Nhà thiết kế cũng có thể điều chỉnh hiển thị các phần, như trong một bảng khoan điển hình hơn.

Danh sách các tài liệu và tệp cần thiết cho khoan ngược bao gồm các mục cụ thể:

Tệp khoan NC cho việc khoan ngược
Bản vẽ PCB với các lỗ khoan ngược
Vị trí khoan ngược trong cấu trúc PCB (lớp đầu tiên và lớp cuối cùng)

Trong Altium Designer, việc cấu hình khoan ngược rất dễ dàng. Người thiết kế có thể sử dụng nó một cách nhanh chóng với sự giúp đỡ của các cài đặt đơn giản, cải thiện hiệu quả chất lượng của tín hiệu tốc độ cao.