Otimizando Tecnologia Furo Passante para PCBs de Alta Velocidade: Confiabilidade, Baixa EMI e Economia de Energia

Atualmente, design de PCB de alta velocidade tem sido amplamente aplicado em tantos campos como telecomunicação, computador e processamento de gráfico e imagem e todos os produtos de alto valor agregado são projetados visando baixo consumo de energia, baixa radiação eletromagnética, alta confiabilidade, miniaturização e peso leve. Para obter esses alvos, design e implementação de tecnologia furo passante (THT) é de extrema significância no design de PCB de alta velocidade.

Tecnologia Furo Passante

Furo passante é uma das partes essenciais para design de PCB multicamadas. Um furo passante é composto por três partes: via, pad e área de isolamento de plano de power, que pode ser demonstrado na imagem a seguir. THT é obtido pela galvanização de uma camada de metal na parede do furo de uma forma de depósito químico, de modo que foil de cobre de cada camada interna ou plano de uma placa de circuito possa ser conectado uns com os outros. Dois lados de furos passantes são gerados na forma de um pad ordinário, ambos os quais podem ser diretamente conectados com rastreamento nas camadas superior e inferior e podem ser mantidos desconectados também. Um furo passante desempenha papel em conexão elétrica, fixação e posicionamento de componentes.

Quanto a THT, furos passantes são geralmente classificados em via furo passante, via cega e via enterrada:
a. Via furo passante atravessa todas as camadas de uma placa de circuito, aplicável para interconexão interna ou desempenhando papel como furo de posicionamento. Como vias furo passante são acessíveis em tecnologia com baixo custo, elas são amplamente aplicadas pela maioria dos PCBs.
b. Via cega refere-se ao furo responsável pela conexão entre traços de superfície e traços internos abaixo com certa profundidade. Razão entre profundidade da via e diâmetro da via geralmente não excede um certo valor.
c. Via enterrada refere-se a via de conexão localizada em camadas internas, que não pode ser vista da aparência de uma placa de PCB porque falha em ser expandida para a superfície da placa de circuito.

Tanto vias cegas quanto vias enterradas estão localizadas em camadas internas de placa de circuito e são geradas antes da laminação.

Capacitância Parasita em THT

Furos passantes apresentam capacitância parasita para o ground. Diâmetro de via de isolamento no plano de ground é D₂; diâmetro de pad de furo passante é D₁; espessura de PCB é T; constante dielétrica de material de substrato é ε. Então, capacitância parasita de furos passantes pode ser calculada pela fórmula C=1,41εTD₁/(D₂-D₁)

A influência principal da capacitância parasita no circuito é prolongar tempo de subida de sinais e diminuir velocidade de execução do circuito. Assim, quanto menor a capacitância parasita, melhor.

Indutância Parasita em THT

Furos passantes apresentam indutância parasita também. No processo de design de circuito digital de alta velocidade, perigos resultantes de indutância parasita são geralmente maiores do que aqueles por capacitância parasita. Indutância série parasita enfraquecerá as funções de capacitância de bypass e reduzirá o efeito de filtragem de todo o sistema de power. Quando indutância de um furo passante é indicada como L, comprimento de furo passante como h, diâmetro de via como d, indutância parasita de furo passante pode ser calculada conformando à fórmula L=5,08h[ln(4h/d)+1]

Com base nessa fórmula, diâmetro de furo passante é raramente associado com indutância e o maior elemento afetando indutância é comprimento de furo passante.

Não THT (inclui via cega e via enterrada)

Quando se trata de não THT, aplicações de via cega e via enterrada são capazes de dramaticamente reduzir tamanho e qualidade de PCB, incluindo contagem de camadas, melhorando compatibilidade eletromagnética (EMC) e obtendo custo minimizado. Além disso, tarefa de design se tornará muito mais fácil. No design de PCB tradicional e processo de fabricação de PCB, furos passantes geralmente trazem muitos problemas. Primeiramente, eles respondem pela maioria do espaço efetivo. Segundo, densidade muito alta de furos passantes traz desafio para rastreamento interno de uma placa de PCB.

No design de PCB, embora o tamanho de pad e furos passantes seja constantemente reduzido, razão de aspecto subirá quando espessura da placa diminuir não-proporcionalmente e confiabilidade será reduzida quando razão de aspecto aumentar. Com a maturação da tecnologia de perfuração a laser e tecnologia de gravação a plasma seco, vias cegas e enterradas pequenas não-THT tornaram-se outra possibilidade. Quando o diâmetro desses furos é 0,3mm, parâmetros parasitas serão um décimo do de vias tradicionais com confiabilidade de PCB subindo.

Com não-THT aplicado, número de grandes furos passantes diminuirá na placa de PCB, então mais espaço pode ser deixado para rastreamento. Espaço restante pode ser usado como blindagem de área massiva para melhorar desempenho EMI/RFI. Além disso, mais espaço restante também pode ser usado como blindagem parcial para componentes internos e cabos de rede-chave, de modo que eles possam apresentar desempenho elétrico ideal. A aplicação de vias não-THT torna mais fácil para pinos de componentes penetrarem, de modo que rastreamento pode ser mais fácil para componentes de pinos de alta densidade, como componentes BGA (ball grid array).

Design THT em PCBs Comuns

Capacitância parasita e indutância parasita raramente apresentam influência em furos passantes durante fase de design de PCB comum. Quanto a design de PCB de 1 a 4 camadas, furos passantes com diâmetros como 0,36mm, 0,61mm ou 1,02mm podem ser selecionados respectivamente para via, pad e área de isolamento em plano de ground. Alguns traços de sinal com requisito especial podem depender de furos passantes com diâmetros de 0,41mm, 0,81mm e 1,32mm.

Design THT em PCBs de Alta Velocidade

De acordo com propriedades parasitas de THT mencionadas acima, podemos ver que THT que parece simples tende a trazer grande efeito negativo ao design de circuito em design de PCB de alta velocidade. Para reduzir o mau efeito derivado do efeito parasita de THT, as seguintes dicas são fornecidas como referência:
a. Tamanho THT adequado deve ser selecionado. Quando se trata de design de PCB com múltiplas camadas e densidade comum, THT deve ser selecionado com parâmetros de furo passante sendo 0,25mm, 0,51mm e 0,91mm respectivamente para vias, pad e área de isolamento. PCBs de alta densidade também podem selecionar furos passantes com parâmetros sendo 0,20mm, 0,46mm e 0,86mm para vias, pad e área de isolamento. Não-THT também é seletivo. Para furos passantes concernentes a power ou ground, furos passantes de grande tamanho podem ser selecionados para reduzir impedância.
b. Quanto maior a área de isolamento no plano de power, melhor. Quanto à densidade de furo passante, o valor de D₁ é geralmente a soma de D₂ e 0,41mm.
c. É ideal arranjar traços de sinal não através de camadas, ou seja, número de furos passantes deve ser minimizado.
d. PCB mais fino é aproveitado para ser benéfico para redução de parâmetros parasitas.
e. Furos passantes devem ser colocados o mais próximo possível de pinos de power e ground e condutor entre THT e pinos deve ser o mais curto possível porque eles levarão a melhoria de indutância. Além disso, condutores de power e ground podem ser tão grossos quanto possível para obter impedância diminuída.

Claro, questões específicas devem ser especificamente analisadas durante fase de design de PCB. Dois outros aspectos nunca podem ser evitados: custo e qualidade de sinal. Considerações equilibradas devem ser tomadas durante design de PCB de alta velocidade para capturar qualidade de sinal ideal com custo aceitável.

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