Vias 101 Phần 1

Trong bài viết đầu tiên này về "Vias 101", chúng ta sẽ đề cập đến những kiến thức cơ bản nhất về vias trong thiết kế PCB, bao gồm các thông số đặc trưng, vias tiêu chuẩn nào nên được sử dụng trong thiết kế, và nói sơ qua về khả năng xử lý dòng điện. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét việc đặt vias một cách đúng đắn, và các trường hợp sử dụng đặc biệt như vias chuyển tiếp và vias khâu.

Hãy nhớ rằng có nhiều thông số và chi tiết về vias trong thiết kế PCB hơn là chúng ta có thể đề cập trong bài viết ngắn này. Tuy nhiên, bài viết sẽ cung cấp cho các kỹ sư thiết kế PCB mới bắt đầu một điểm xuất phát tốt để có thể đào sâu hơn vào chủ đề. Hãy bắt đầu nào!

Cơ bản

Hãy bắt đầu với những kiến thức cơ bản về via. Chúng ta biết rằng các đường dẫn là các kết nối trên một mặt phẳng X-Y, bắt đầu từ một điểm trên một lớp và kết thúc tại một điểm khác trên cùng một lớp. Tuy nhiên, khi chúng ta muốn kết nối giữa các lớp, ví dụ kết nối lớp một với lớp ba trong một PCB đa lớp, chúng ta cần sử dụng thứ được gọi là via. Cơ bản, via là một kết nối dẫn điện theo chiều dọc trong không gian ba chiều (Z), và được sử dụng để kết nối giữa các lớp, cho phép một đường dẫn trên một lớp nhảy sang bất kỳ lớp nào (hoặc nhiều lớp) trong một PCB.

Một cách khác để suy nghĩ về via là coi nó như một lỗ thông hồng mini.

Hãy nhớ rằng nếu chúng ta không kết nối tới một lớp nhất định với via, chúng ta sẽ tạo ra một khoảng trống trên lớp đó. Điều này có thể gây ra vấn đề, như chúng ta sẽ thấy sau. Hình dưới đây cho thấy một khoảng trống, nơi chúng ta có một anti-pad trong lớp mà chúng ta đang đi qua.

Tham số

Khi nói về vias, chúng ta có một số thông số chính định nghĩa chúng. Hình dưới đây cho thấy một via xuyên thông thường, được xác định bởi kích thước pad P (đường kính via tổng thể), và kích thước khoan D.

Kích thước khoan luôn phải nhỏ hơn kích thước pad, và bị giới hạn bởi tỷ lệ khía cạnh (tỷ lệ giữa độ dày PCB và kích thước khoan). Đây là một vấn đề sản xuất, và phụ thuộc vào độ dày của bảng mạch của bạn. - Nói chung, bảng mạch càng dày thì kích thước khoan cần thiết càng lớn.

Hơn nữa, nếu chúng ta trừ đường kính khoan D khỏi kích thước pad P của mình, và chia số đó cho hai, chúng ta sẽ có kích thước của vòng annular. Cả kích thước khoan và kích thước vòng annular đều là các thông số sản xuất quan trọng.

Thông thường, mà không tăng chi phí, kích thước khoan tối thiểu là 0.25 mm và vòng annular tối thiểu là 0.15 mm. Tuy nhiên, điều quan trọng là chúng ta cần tránh giá trị tối thiểu nếu có thể. Khi nói đến các nhà sản xuất PCB, nhiều người sẽ cung cấp các khả năng tiên tiến hơn, ví dụ khoan 0.1 mm (thường là bằng laser). Hãy nhớ rằng điều này sẽ làm tăng chi phí.

Khi bạn chọn kích thước cho via của mình, ngoài kích thước khoan, kích thước pad và vòng annular, còn có nhiều thông số khác tạo nên một via. Ví dụ: 

• Tenting: Phủ via bằng lớp mặt nạ hàn. Thông thường không tốn thêm chi phí.
• Filling: Lấp đầy bằng nhựa hoặc vật liệu dẫn điện, có thể hữu ích cho công nghệ via-in-pad. Điều này sẽ tốn thêm chi phí.
• Loại: Trong bài viết này, chúng tôi đang xem xét through-vias (dễ sản xuất và phổ biến nhất). Tuy nhiên, còn có các loại khác như micro, blind, và buried, chỉ là một vài ví dụ. Đây là các chủ đề cho các bài viết tương lai.

Thông Số Đề Xuất

Khó có thể đưa ra khuyến nghị chung cho các thông số via. Các thông số bạn cuối cùng nên sử dụng trong thiết kế của mình phụ thuộc mạnh mẽ vào tình huống. Ví dụ, nếu bạn đang định tuyến cho một BGA có pitch rất nhỏ, nhu cầu via của bạn sẽ hoàn toàn khác so với khi định tuyến cho một bảng mạch chỉ sử dụng thành phần through-hole cho âm thanh.

Về mặt chi phí, kích thước mũi khoan nhỏ (thường là dưới 0,2 mm) sẽ thường dẫn đến chi phí sản xuất PCB tăng và tỷ lệ sản phẩm tốt giảm. Tỷ lệ sản phẩm tốt có nghĩa là có thể 90% PCB được sản xuất sẽ hoạt động, và 10% sẽ bị lỗi.

Điều tương tự cũng áp dụng cho vòng góc nhỏ (khoảng 0,1 mm). Một lần nữa, chi phí sản xuất PCB sẽ tăng và tỷ lệ sản phẩm tốt sẽ giảm.

“Tôi nên sử dụng via kích thước nào?” Tôi nhận được câu hỏi này rất nhiều‘’), và như một via dùng cho mục đích chung, tôi có thể khuyến nghị các kích thước sau:

• Lớn: pad 0,7 mm, khoan 0,3 mm
• Trung bình: pad 0,6 mm, khoan 0,25 mm
• Nhỏ: pad 0,5 mm, khoan 0,2 mm

Một lần nữa, đây là một hướng dẫn chung, và kích thước via thực tế sẽ phụ thuộc vào tình huống cụ thể.

Khả Năng Xử Lý Dòng Điện

Khi chúng ta thảo luận về vias, chúng ta cũng cần suy nghĩ—như với các đường dẫn—về khả năng xử lý dòng điện. Các đường dẫn có thể xử lý một lượng dòng điện nhất định cho một mức tăng nhiệt độ cho trước, và vias cũng không khác biệt.

Theo quy tắc chung, một via có kích thước “tiêu chuẩn” thông thường có thể chịu được khoảng 1.5 A cho sự tăng nhiệt độ 20 độ Celsius. Nếu bạn cần dòng điện lớn hơn, ví dụ như trong trình điều khiển motor của ESC, chúng ta chỉ cần sử dụng các via song song cùng kích thước. Ngược lại, đối với các đường dẫn, chúng ta chỉ cần mở rộng đường dẫn. Tuy nhiên, việc tăng kích thước lỗ khoan và pad cho via chỉ tăng khả năng xử lý dòng điện một cách hạn chế nhưng việc sử dụng các via song song giúp giảm độ tự cảm và cải thiện hiệu suất nhiệt.

Trong bài viết này, chúng ta đã đề cập đến những kiến thức cơ bản nhất về via. Lần sau, chúng ta sẽ xem xét về việc đặt via, chuyển giao và via nối.