ظرفیت انگلی و اندوکتانس انگلی Via

1. از طریق

Vias یکی از اجزای مهم PCBهای چند لایه است و هزینه حفاری معمولاً 30 تا 40 درصد هزینه تولید PCB را تشکیل می دهد. به زبان ساده، هر سوراخ روی PCB را می توان یک via نامید. از منظر عملکرد، vias را می توان به دو دسته تقسیم کرد: یکی برای اتصال الکتریکی بین لایه ها استفاده می شود. دیگری برای تثبیت یا قرار دادن دستگاه ها استفاده می شود. از نظر فرآیند، این vias ها به طور کلی به سه دسته Blind vias، buried vias و through vias تقسیم می شوند. سوراخ های کور در سطوح بالا و پایین برد مدار چاپی قرار دارند و دارای عمق مشخصی برای اتصال بین مدار سطح و مدار داخلی زیرین هستند. عمق سوراخ معمولاً از یک نسبت معین (دیافراگم) تجاوز نمی کند. سوراخ های مدفون به سوراخ های اتصال واقع در لایه داخلی برد مدار چاپی گفته می شود که تا سطح برد مدار امتداد نمی یابد. دو نوع سوراخ فوق در لایه داخلی برد مدار قرار دارند. قبل از ورقه ورقه سازی، فرآیند شکل دهی از طریق سوراخ برای تکمیل استفاده می شود و ممکن است چندین لایه داخلی در طول تشکیل سوراخ عبوری روی هم قرار گیرند. نوع سوم یک سوراخ عبوری نامیده می شود که از کل صفحه مدار عبور می کند و می تواند برای ایجاد اتصال داخلی یا به عنوان سوراخ تعیین موقعیت برای قطعات استفاده شود. از آنجایی که سوراخ عبوری در این فرآیند آسان‌تر است و هزینه آن کمتر است، اکثر بردهای مدار چاپی از آن به جای دو نوع دیگر Vias استفاده می‌کنند. ویزهای ذکر شده در زیر، مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد، به عنوان vias در نظر گرفته می شوند. از نقطه نظر طراحی، via عمدتاً از دو قسمت تشکیل شده است، یکی سوراخ مته در وسط، و دیگری ناحیه پد اطراف سوراخ مته، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. اندازه این دو قسمت تعیین کننده اندازه via است. بدیهی است که در طراحی PCB با سرعت بالا و چگالی بالا، طراح همیشه امیدوار است که هرچه سوراخ ورودی کوچکتر باشد، بهتر است تا فضای سیم کشی بیشتری روی برد باقی بماند. علاوه بر این، هرچه سوراخ ورودی کوچکتر باشد، ظرفیت انگلی خود کمتر است. هرچه کوچکتر باشد برای مدارهای پرسرعت مناسب تر است. با این حال، کاهش اندازه سوراخ باعث افزایش هزینه نیز می شود و اندازه سوراخ عبوری را نمی توان به طور نامحدود کاهش داد. این توسط فناوری حفاری و آبکاری محدود شده است: هرچه سوراخ کوچکتر باشد، سوراخ کردن آن آسان تر است. و هنگامی که عمق سوراخ بیش از 6 برابر قطر سوراخ حفر شده باشد، اطمینان از اینکه دیوار سوراخ را می توان به طور یکنواخت با مس پوشش داد غیرممکن است. به عنوان مثال، ضخامت (عمق سوراخ) یک تخته مدار چاپی 6- لایه معمولی حدود 50 میلی‌متر است، بنابراین قطر حفاری که تولیدکنندگان PCB می‌توانند ارائه کنند به کوچکی 8 میلی‌متر است.

دوم، ظرفیت انگلی از طریق

خود سوراخ دارای ظرفیت انگلی نسبت به زمین است. اگر مشخص باشد که قطر سوراخ جداسازی روی لایه زمین D2، قطر پد واسط D1، ضخامت برد PCB T و ثابت دی الکتریک بستر تخته ε است، ظرفیت انگلی است. از سوراخ عبوری تقریباً: C=1.41εTD1/(D2-D1) تأثیر اصلی ظرفیت انگلی سوراخ ورودی بر مدار، طولانی کردن زمان افزایش سیگنال و کاهش است. سرعت مدار به عنوان مثال، برای یک برد PCB با ضخامت 50میل، اگر از یک سوراخ با قطر داخلی 10میل و قطر پد 20میل استفاده شود، و فاصله بین لنت و سطح مس زمین 32Mil است، سپس با فرمول فوق می توانیم سوراخ via را تقریب بزنیم. ظرفیت انگلی تقریباً: C{11}}.41x4.4x{26}} است.{30} }}50x0.020/(0.{20}}.020)=0.517pF، و تغییر زمان افزایش ناشی از این بخش از ظرفیت عبارت است از: T{24}}}.2C(Z0/2 )=2.2 x0.517x(55/2)=31.28ps. از این مقادیر می توان دریافت که اگرچه اثر کند کردن تاخیر افزایش ناشی از ظرفیت انگلی یک ویا مشخص نیست، اما اگر از via چندین بار در سیم کشی برای جابجایی بین لایه ها استفاده شود، طراح همچنان باید آن را به دقت در نظر بگیرید

3. اندوکتانس انگلی vias

به طور مشابه، اندوکتانس انگلی و همچنین ظرفیت انگلی در سوراخ ورودی وجود دارد. در طراحی مدارهای دیجیتال پرسرعت، آسیب ناشی از اندوکتانس انگلی سوراخ عبوری اغلب بیشتر از تأثیر ظرفیت انگلی است. سلف سری انگلی آن باعث تضعیف سهم خازن بای پس و تضعیف اثر فیلتر کل سیستم قدرت می شود. ما می توانیم از فرمول زیر برای محاسبه اندوکتانس انگلی تقریبی a via استفاده کنیم: () - دستورالعمل طراحی PCB - درباره Vias که در آن L به اندوکتانس via اشاره دارد، h طول via و d قطر مرکز سوراخ شد از فرمول می توان دریافت که قطر سوراخ ورودی تأثیر کمی بر اندوکتانس دارد، اما طول سوراخ ورودی تأثیر زیادی بر اندوکتانس دارد. هنوز هم با استفاده از مثال بالا، اندوکتانس via را می توان به صورت زیر محاسبه کرد: L=5.08x0.{10}}50[ln(4x0.050/0.010) 1]=1.015nH. اگر زمان افزایش سیگنال 1 ثانیه باشد، امپدانس معادل آن عبارت است از: XL=πL/T{17}}.19Ω. وقتی جریانی با فرکانس بالا از آن عبور می کند، دیگر نمی توان چنین امپدانسی را نادیده گرفت. مخصوصاً باید توجه داشت که خازن بای پس هنگام اتصال لایه برق و لایه زمین نیاز به عبور از دو ویا دارد تا اندوکتانس انگلی ویاها دو برابر شود. 4. طراحی از طریق در مدار چاپی پرسرعت از طریق تجزیه و تحلیل فوق در مورد ویژگی های انگلی vias، می توانیم ببینیم که در طراحی مدار چاپی پرسرعت، via های به ظاهر ساده اغلب اثرات منفی بزرگی را برای طراحی مدار به ارمغان می آورند. اثر

به منظور کاهش اثرات نامطلوب ناشی از اثرات انگلی vias، ما می توانیم بهترین تلاش خود را در طراحی انجام دهیم:

1. با توجه به هزینه و کیفیت سیگنال، اندازه مناسب از طریق سوراخ را انتخاب کنید. به عنوان مثال، برای 6-10 لایه‌های طراحی PCB ماژول حافظه، بهتر است از vias 10/20Mil (دریل/پد) استفاده کنید. برای برخی از بردهای با چگالی بالا و اندازه کوچک، می‌توانید از vias 8/18Mil نیز استفاده کنید. سوراخ در شرایط فنی فعلی، استفاده از ویای های با اندازه کوچکتر مشکل است. برای اتصالات برق یا زمین، از اندازه بزرگتر برای کاهش امپدانس استفاده کنید.

2. از دو فرمول مورد بحث در بالا، می توان نتیجه گرفت که استفاده از برد PCB نازکتر برای کاهش دو پارامتر انگلی via مفید است.

3. سعی کنید لایه ردیابی سیگنال روی PCB را تغییر ندهید، یعنی سعی کنید از vias های غیر ضروری استفاده نکنید.

4. پین های منبع تغذیه و زمین باید از طریق سوراخ های نزدیک سوراخ شوند. هرچه سرنخ‌های بین سوراخ‌ها و پین‌ها کوتاه‌تر باشند، بهتر است، زیرا باعث افزایش اندوکتانس می‌شوند. در عین حال، سیم های برق و زمین باید تا حد امکان ضخیم باشند تا امپدانس کاهش یابد.

5. تعدادی گذرگاه متصل به زمین را نزدیک دریچه هایی که سیگنال لایه ها را تغییر می دهد قرار دهید تا یک حلقه بسته برای سیگنال فراهم شود. حتی امکان قرار دادن تعداد زیادی از زمین های اضافی روی PCB وجود دارد. البته نیاز به انعطاف در طراحی وجود دارد. مدل via که در بالا مورد بحث قرار گرفت، حالتی است که هر لایه دارای یک پد است و گاهی اوقات، می‌توانیم پدهای برخی از لایه‌ها را کاهش دهیم یا حتی حذف کنیم. به خصوص در مورد چگالی سوراخ بسیار بزرگ، ممکن است باعث شکستگی شکاف شود که حلقه را روی لایه مسی جدا می کند. برای حل این مشکل می توان علاوه بر جابجایی موقعیت via، قرار دادن via را روی لایه مسی نیز در نظر گرفت. اندازه پد کاهش می یابد.