Vias 101 Phần 2

Trong bài viết thứ hai "Vias 101" này, chúng tôi sẽ tiếp tục từ cuộc thảo luận trước về các tham số via cơ bản. Lần này chúng ta sẽ xem xét các khía cạnh của việc đặt via, vấn đề với việc đặt via dẫn đến việc tạo ra khoảng trống trên mặt phẳng, và cuối cùng là xem xét một số trường hợp sử dụng via độc đáo được gọi là via chuyển tiếp và via khâu.

Hãy nhớ rằng có nhiều tham số và chi tiết về via trong thiết kế PCB hơn là chúng tôi sẽ trình bày 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!

Đặt Vị Trí

Dù chúng ta đang xử lý với dấu vết, linh kiện, đường viền, vias, và vân vân, chúng ta luôn cần phải suy nghĩ về khoảng cách giữa các yếu tố này, như giữa vias và dấu vết, vias và vias, vias và pad, và vân vân. Như thường lệ, khoảng cách tối thiểu được chi tiết bởi nhà sản xuất PCB hoặc tiêu chuẩn mà bạn chọn. Tuy nhiên, tôi khuyên bạn nên tránh xa những khoảng cách tối thiểu này, không chỉ vì lý do sản xuất mà còn vì các lý do khác như nhiễu chéo.

Thêm vào đó, khi chúng ta xem xét các via nguồn và mát, chúng ta muốn kết nối của chúng với các pad linh kiện liên quan ngắn và rộng nhất có thể để giảm thiểu độ tự cảm. Điều này không có nghĩa là đặt các via vào hoặc ngay cạnh bất kỳ pad nào nhưng cần một khoảng cách hợp lý để tránh vấn đề với việc hút hàn.

Khi via đi theo cặp, chúng ta muốn đặt các via nguồn và mát gần nhau để giảm thiểu độ tự cảm và cải thiện đặc tính cung cấp nguồn.

Voiding

Khi đặt các via gần nhau, chúng ta gặp phải vấn đề được biết đến là voiding. Cơ bản, đối với via xuyên qua (via đi qua toàn bộ độ dày của PCB), việc đặt các via gần nhau có thể gây ra việc cắt lớp tham chiếu do các anti-pads của via quá gần nhau. Một ví dụ về điều này có thể thấy dưới đây trong hình ảnh của một lớp GND với các via không nối đất được đặt quá gần nhau. Điều này sẽ cản trở dòng điện trở lại, và có thể gây ra vấn đề EMI.

Vấn đề về các khoảng trống trong các thiết kế dày đặc có thể khó tránh khỏi, đặc biệt là khi bạn có một số lượng lớn vias tín hiệu ở một khu vực cụ thể. Một lần nữa, nếu chúng ta đi dây mạch qua phần chia của mặt phẳng tham chiếu do khoảng trống gây ra, điều này có thể rất có hại cho hiệu suất EMI. Dòng điện trở lại sẽ phải chảy xung quanh phần chia này trong mặt phẳng tham chiếu, gây ra sự lan truyền của trường, và sẽ tăng bức xạ và chữ ký EM.

Nếu không gian cho phép, một giải pháp đơn giản để giảm thiểu khoảng trống trong mặt phẳng tham chiếu là đặt các vias cách xa nhau đủ để đồng có thể chảy vào giữa các anti-pads của vias. 

Một phương pháp thay thế là sử dụng vias HDI, hoặc là micro-vias để giảm kích thước của các anti-pads, hoặc là vias mù và vias chôn không xuyên qua mặt phẳng tham chiếu. Tuy nhiên, điều này tất nhiên sẽ dẫn đến việc tăng chi phí sản xuất PCB.

Dù trường hợp nào, hãy chắc chắn luôn kiểm tra mặt phẳng tham chiếu của bạn trong giai đoạn bố trí và định tuyến cho các khoảng trống. Tôi rất khuyến khích quét các tệp đầu ra Gerber cuối cùng của bạn cho các khoảng trống nữa.

Transfer Vias

Khi chuyển lớp với một via tín hiệu, chúng ta thường cũng thay đổi mặt phẳng tham chiếu (hãy nghĩ đến một bảng bốn lớp SIG-GND-GND-SIG, chẳng hạn). Trong khi chúng ta vẫn đang định tuyến trên lớp trên cùng với một đường dẫn, đối với tín hiệu AC (>20 kHz), đường trở lại trực tiếp nằm ở mặt phẳng tham chiếu phía dưới. Một khi chúng ta ở trên lớp dưới cùng, đường trở lại nằm ở mặt phẳng tham chiếu phía trên.

Điều gì xảy ra với đường trở lại và do đó là các trường khi chúng ta di chuyển dọc theo via trên trục Z khi thay đổi lớp? Sau đó, các trường sẽ lan rộng khi chúng cố gắng tìm một "điểm gắn kết" phù hợp (một đường trở lại), điều này đến lượt nó có thể là nguyên nhân gây ra vấn đề EMI. Trong những trường hợp như vậy, chúng ta muốn đặt một via chuyển tiếp— cơ bản là một via nối đất— gần via tín hiệu. Điều này nhằm duy trì một mặt phẳng tham chiếu và đường trở lại xác định khi chuyển tiếp dọc theo trục Z. Lưu ý rằng via chuyển tiếp này chỉ hoạt động nếu các mặt phẳng tham chiếu mà chúng ta đang chuyển đổi giữa đều cùng một loại (ví dụ, GND sang GND). 

Nếu chúng ta chuyển từ GND sang tham chiếu PWR, chúng ta cần đặt một tụ điện có giá trị nhỏ được nối giữa GND và tham chiếu PWR gần điểm chuyển đổi.

Vi nối

Có hai lý do chính để sử dụng vi nối. Thường trong thiết kế PCB đơn lớp, đa lớp, chúng ta có nhiều lớp mặt đất hoặc lớp nguồn, và nhiều lớp đồng mặt đất hoặc nguồn. Nếu không có vi nối (dù là vi mặt đất hoặc vi nguồn), các lớp mặt đất và nguồn khác nhau, cũng như bất kỳ lớp đồng mặt đất hoặc nguồn nào khác, sẽ không kết nối tốt với nhau. Một sự chênh lệch điện áp sẽ được tạo ra giữa chúng, đặc biệt là ở tần số cao hơn do trở kháng, và cụ thể là do cảm kháng. Để giảm thiểu điều này, chúng ta cần kết nối chúng lại với nhau bằng vi.

Bằng cách đặt vi nối, chúng ta có thể kết nối các lớp và lớp đồng này lại với nhau tại nhiều vị trí X-Y trên PCB. Ngoài ra, mỗi khi chúng ta có các đảo đồng, thường xuyên không được gắn kết chặt chẽ (hoặc gắn kết kém) chỉ với một số lượng nhỏ vi, những đảo đồng này có thể hoạt động như anten, cộng hưởng, và sau đó thậm chí bức xạ. Điều này tất nhiên có thể rất có hại cho hiệu suất EMI của một bảng mạch.

Lý do thứ hai hoặc việc sử dụng vias khâu là cho mục đích chắn sóng. Thực tế, chúng ta có thể sử dụng một “bức tường” của vias chắn sóng để ngăn chặn năng lượng của sóng điện từ (đến một tần số nhất định) từ việc đi vào hoặc ra khỏi một phần của PCB. Khoảng cách của các bức chắn được xác định bởi tần số tối đa xuất hiện trên PCB. Ví dụ, đối với một PCB âm thanh, tần số này có thể là 20 kHz, và đối với một PCB RF, nó có thể là 2.4GHz, nếu không phải cao hơn.

Một khi bạn biết tần số tối đa của PCB của mình, chúng ta chỉ cần sử dụng công thức này để tính khoảng cách, nơi c là tốc độ ánh sáng, ε là hằng số điện môi, và f là tần số tối đa quan tâm của chúng ta:

Ví dụ, ở 2.4 GHz, và với việc định tuyến trên các lớp ngoài (microstrip), công thức cho chúng ta khoảng cách vias khâu là 3.4 mm.

Trong loạt bài viết này, chúng ta đã xem xét cơ bản về vias trong thiết kế PCB, nhìn vào các tham số của vias, như kích thước khoan và pad, các loại vias, và vias có thể được sử dụng cho, bao gồm việc chuyển giao và vias khâu.

Hãy chắc chắn kiểm tra tất cả các tính năng via tích hợp sẵn của Altium Designer, bao gồm khả năng xử lý các loại via phức tạp hơn được tìm thấy trên các bảng mạch HDI, như micro-vias, vias mù và vias chôn.