在介紹過孔無盤工藝之前,我們先來看一下正常過孔是怎么樣的。
這是一個正常的過孔,鉆孔、過孔焊環、反焊盤....擁有標準過孔的一切,相信大家已經熟悉的不能再熟悉。
過孔的貫通孔用于連接PCB的各層,而孔的焊環則負責將信號引出。周圍的銅皮對于非相同網絡過孔的避讓距離就是反焊盤。
既然信號是由焊環引出,那么在不引出信號線的層,這個焊環是否可以去掉?
這里以一個六層板為例,假設我們的信號需要從頂層通過過孔傳輸到底層,那么必要的焊環就只有頂層和底層的焊環,中間的所有焊環都可以去掉。
再者,假設信號由頂層傳輸到第四層,那么必要的焊環就是頂層,第四層和底層。換言之,只有表層(頂層和底層)以及出線層的焊環是必須的,其余層的焊環都是可以刪除的。
這種針對過孔多余焊環的處理辦法,就叫作無盤工藝。
那么為什么要采用無盤工藝,好處是什么?
關于好處,我們首先從LAYOUT的角度來分析。
左邊是我們沒有采用無盤藝的情況下,兩個過孔之間的走線,可以看見走線和過孔焊環非常靠近,有一定的風險。而右邊則是采用了無盤工藝后的情況,此時走線距離孔的間距大大增加,風險降低。
另外一個比較顯著的優勢在于內電層的敷銅,去掉多余焊環之后,之前很多銅皮無法鋪過去的區域,也可以進行敷銅了。
無盤工藝的作用僅僅是降低PCB設計難度?肯定沒這么簡單,既然我們的公眾號叫做PCB設計與信號完整性仿真,那么剛剛講了PCB設計,接下來就要從信號完整性的角度去解釋了。
由于過孔的特性,通常過孔的阻抗都是小于我們傳輸線阻抗50Ω的,當傳輸線阻抗與過孔阻抗不匹配,就會產生反射,導致我們S參數中看到的損耗增加。
道理都懂,可是這個和無盤工藝有什么關系?
為了理清這個關系,這里做了兩個實驗。
我們要讓一個信號從固定疊層的六層板的頂層走到底層。
第一個是正常的過孔,孔徑8MIL,焊環直徑16MIL,反焊盤直徑28MIL,普通的不能再普通。
將這個建模好的過孔導入HFSS進行仿真,查看TDR阻抗。
接下來我們要做第二個仿真實驗。同樣孔徑8MIL,焊環直徑16MIL,反焊盤直徑28MIL,唯一不同的是這個過孔我們采用無盤工藝,刪除掉了中間層多余的焊環。建模流程再走一遍,仿真保存結果。
將兩個結果進行對比,可以看到采用無盤工藝后過孔阻抗由37.5提升到了41.5,更接近傳輸線阻抗50Ω,因此會有更小的反射,更好的信號質量。
實驗已經做完,接下來就是要分析原因。首先要明白一個概念就是容性會導致阻抗降低,感性會導致阻抗上升。對于過孔這種阻抗偏低的實驗對象,我們要做的就是降低過孔的容性以此來達到提升阻抗的目的。
道理明白后,那么剩下的就簡單了。由于焊環的存在,焊環是金屬,焊環外的銅皮也是金屬,中間隔著反焊盤間隙的介質(X軸和Y軸方向)。根據初中學的知識,兩個金屬之間存在介質就會產生電容,于是容性就增加了。而這只是一方面,另一方面焊環和焊環之間也會產生電容(Z軸方向),多重功效加在一起就把我們的過孔阻抗給拉低了。
到這里無盤工藝的優勢已經非常明顯了,不管是設計的便利性,還是信號完整性都有優勢。那么大家最后的擔心的無非就是成本問題,使用無盤工藝會不會增加生產成本?
答案是:不存在的,放心用吧!
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原文標題:PCB中針對過孔進行無盤化設計的優勢
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