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Cos'è lo Stitching Via nel Design PCB E Ti Serve
Quando si esaminano i layout dei PCB, molti considerano le vie di "stitching" come insignificanti perché sono solitamente rappresentate come piccoli oggetti ripetitivi disposti in modo ripetitivo, simili spesso a un motivo industriale.
La maggior parte degli ingegneri utilizzerà le stitching vias una volta completato il routing del loro PCB e aver riempito il rame. Solitamente aggiungeranno alcune stitching vias lungo la periferia del PCB e lo considereranno accettabile. Non sempre funzionano; pertanto, è importante utilizzare correttamente le stitching vias.
La maggior parte non riconosce che i via di stitching fanno parte della struttura elettromagnetica del PCB e controlleranno i percorsi di ritorno. Essi ridurranno le emissioni di interferenze elettromagnetiche (EMI) dal circuito stampato (PCB), aumenteranno la conduttività termica del rame e forniranno persino ulteriore stabilità meccanica al PCB. Una volta che gli ingegneri considereranno i via di stitching come un elemento strutturale del loro PCB, inizieranno a riscontrare prestazioni migliorate sui loro PCB.
Questo articolo non fornisce regole per l'uso dei via di stitching per quanto riguarda le linee guida generali di progettazione, ma fornisce piuttosto le ragioni per cui i via di stitching sono importanti e come utilizzarli correttamente.
Che cosa fa veramente una cucitura a punto festone
In termini semplici, un via di saldatura viene utilizzato per collegare aree di rame tra strati su un circuito stampato. Più specificamente, collega i piani di massa che vengono generalmente sovrapposti durante i progetti di circuiti stampati multistrato; tuttavia, questa semplice spiegazione non trasmette molto sull'intento delle saldature.
I piani di massa creati da progetti di PCB multistrato avranno più livelli di connessioni; se non ci fossero fori di saldatura, ci sarebbero solo un paio di punti di connessione tra questi piani (pad die e pad di montaggio). Questo farà sì che il piano di massa si comporti in modo errato a causa del fatto che il flusso di corrente potrebbe essere irregolare, oltre a causare problemi di impedenza.
Le vie cucite aiutano a stabilire percorsi a bassa impedenza verticalmente tra gli strati della scheda. Questa connessione verticale svolge alcune funzioni critiche.
Uno è migliorare il flusso della corrente di ritorno, segnali ad alta e rapida velocità e livelli logici digitali dipendono fortemente da un piano di riferimento continuo per un corretto funzionamento; se non c'è un piano di riferimento o c'è una lacuna nel piano di riferimento, allora il segnale di ritorno dovrà percorrere una distanza maggiore, il che può creare un'elevata EMI intorno alla traccia a causa dell'aumento dell'area del loop, creando così un malfunzionamento. Un via di cucitura ridurrà la lunghezza complessiva del loop di corrente verticale, abbassando così l'impedenza induttiva corrispondente.
Il secondo punto è mantenere la trasmissione di un campo elettromagnetico. Uno "stitching via" agirà come una recinzione attorno a una traccia ad alta velocità o al bordo di una scheda, eliminando virtualmente le radiazioni e riducendo la suscettibilità della scheda.
Una volta compreso l'impatto del dettaglio dello "stitching via" (controllo del loop corrente e contenimento del campo elettromagnetico), la progettazione non verrà più sviluppata con un metodo casuale per eseguire questa funzione.
Stitching di vias e controllo della corrente di ritorno
L'ipotesi che la corrente di ritorno su un circuito stampato si diffonda uniformemente nel piano di massa può portare a problemi nella progettazione della scheda. In realtà, la corrente di ritorno non si diffonde uniformemente quando ritorna dal carico alla sorgente; la corrente di ritorno viaggia lungo il percorso di minore impedenza, che generalmente sarà verso il basso attraverso il piano di massa sotto la traccia del segnale, creando un percorso di corrente di ritorno verticale.
Quando la traccia del segnale attraversa la scheda da un lato all'altro tramite un foro di vias, c'è il potenziale per l'assenza di un percorso di ritorno di corrente, poiché su entrambi i lati del foro di vias si trova un piano di riferimento diverso. In questo caso, la corrente di ritorno è costretta a viaggiare lateralmente attraverso il piano di riferimento per trovare la connessione più vicina per tornare alla sorgente e, di conseguenza, aumenta l'area del loop. L'aumento dell'area del loop si traduce in un aumento delle radiazioni e del rumore emessi dal carico.
Per minimizzare le EMI, se si posiziona un via di stitching vicino al via del segnale, si fornirà un percorso di ritorno verticale per la corrente di ritorno. L'aggiunta del via di stitching diminuirà significativamente i problemi di EMI. La posizione del via di stitching viene trovata dopo che gli ingegneri hanno fallito il test EMC; quindi apportano le modifiche necessarie e riscontrano una drastica diminuzione delle emissioni.
Cuciture sui bordi del pannello
Le cuciture sul bordo della scheda sono ampiamente utilizzate nei progetti RF e digitali ad alta velocità.
Guardando le schede RF, si può tipicamente vedere una fila di vie di massa lungo il perimetro/bordo del PCB. Poiché le vie di stitching sono posizionate lungo i bordi, si crea una quasi-struttura a cavità (i piani di massa superiore e inferiore sono connessi a intervalli regolari, formando così una barriera alle radiazioni di bordo).
Questo è di particolare importanza nei progetti edge più veloci, come DDR, PCIe, USB 3.x o trasmettitori RF. Anche se il tuo progetto non è strettamente RF, i segnali digitali veloci si comporteranno come segnali RF.
Lo spaziatura è importante qui perché se i via sono troppo distanziati, non funzioneranno più come una recinzione. Una buona regola generale per la spaziatura è di mantenerla inferiore a 1/10 della lunghezza d'onda della frequenza più alta di interesse. Tuttavia, molti progettisti utilizzano una spaziatura tra 2 mm e 5 mm, a seconda dei vincoli del loro progetto.
Vantaggi Termici dei Via Tessuti
La maggior parte delle volte, quando parliamo di stitching via, ci concentriamo sui problemi di EMI. Tuttavia, le stitching via aiutano anche termicamente. I piani di rame possono diffondere il calore in tutta la scheda; tuttavia, se si genera calore su un piano di rame e se il rame su un altro piano non è collegato correttamente al primo piano, il calore non si diffonderà in modo efficiente.
Posizionando delle vie di dissipazione termica nelle aree ad alta potenza del circuito, creerai un percorso termico verticale o la capacità per il calore di fluire verticalmente attraverso i diversi piani di rame, oltre che orizzontalmente. Ora, questi percorsi termici verticali possono aiutare molto nei dispositivi di potenza, come MOSFET, regolatori di tensione e LED.
In certi casi, i progettisti posizionano una serie di via termiche direttamente sotto i pad. Tecnicamente, questo non fornirà lo stesso tipo di stitching del stitching di terra attorno al perimetro della scheda. Tuttavia, fornisce un beneficio simile avendo più via collegate per fornire conduttività verticale.
Quindi, quando considerate i punti caldi sui vostri PCB, non pensate solo ad applicare più rame, pensate a collegare tutte le tracce e gli strati di rame verticalmente.
Cucitura vicino a tracce ad alta velocità
L'integrità del segnale e le interferenze elettromagnetiche (EMI) nel routing ad alta velocità sono interrelate. Quando una traccia su un piano di riferimento è continua (senza interruzioni), i campi provenienti dalla traccia rimangono in gran parte confinati nell'area soprastante. Una volta che il piano di riferimento è interrotto o la traccia attraversa un'interruzione, i campi non saranno più contenuti.
Ad esempio, quando si instradano coppie differenziali lungo uno strato che cambia da un piano di riferimento continuo, se le via di cucitura vengono posizionate vicino alla traccia differenziale per fornire percorsi di ritorno locali, l'integrità del segnale migliora. Alcuni progettisti posizioneranno recinzioni di via accanto alle tracce nelle applicazioni RF oltre ai percorsi di ritorno. Questa tecnica di cucitura ridurrà la quantità di crosstalk e migliorerà l'isolamento tra circuiti sensibili.
Se la saldatura viene effettuata in modo eccessivo, il costo complessivo e la complessità della produzione aumenteranno. Si tratta di trovare un equilibrio, come in tutti gli aspetti della progettazione di PCB.
Considerazioni sulla produzione
Nel software di layout, è facile creare vie di stitching; tuttavia, l'aggiunta di vie di stitching aumenta il tempo necessario per la loro foratura e può avere un impatto negativo sulla resa del prodotto.
Vie molto fitte aumenteranno anche i costi di produzione. Se si aggiungono microvie, i costi aumenteranno ulteriormente. Inoltre, posizionare troppe vie vicino ai bordi del circuito stampato potrebbe comprometterne l'integrità strutturale se non sono spaziate correttamente.
Per evitare problemi, è importante contattare in anticipo il tuo produttore di PCB e chiedere informazioni sulla dimensione minima del foro, sulle limitazioni del rapporto d'aspetto e sui requisiti dell'anello di massa.
I punti di connessione devono essere elettricamente funzionanti e producibili. Se si progetta un punto di connessione che non può essere prodotto in modo consistente e affidabile, non c'è alcun valore nel progettarlo.
Quando i fori metallizzati non sono necessari
Non ogni scheda dovrebbe essere sovraprogettata con cuciture aggressive. La maggior parte delle schede a circuito stampato a due strati a bassa velocità funzionerà bene senza un fitto insieme di vie di sutura. Ad esempio, i piani di massa e i versamenti di rame su schede a circuito stampato a due strati sono spesso sufficienti per ottenere buone prestazioni del circuito.
La progettazione eccessiva di un circuito stampato può far lievitare i costi senza migliorare le prestazioni; pertanto, la maturità ingegneristica necessaria per sapere quando applicare la tecnica è importante quanto la maturità ingegneristica necessaria per sapere quando non applicarla.
Cucitura e test EMC
L'importanza della cucitura tramite punto come parte del testing EMC è compresa anche da numerosi ingegneri.
Ci sono casi in cui una scheda viene testata con successo in laboratorio, ma in seguito fallisce nei test sulle emissioni radiate. Esempi di semplici rimedi sono il nastro di rame, fili di terra aggiuntivi o la riprogettazione con una quantità sufficiente di stitching.
Molto probabilmente, problemi di continuità di terra sono la ragione principale di questi guasti. Le schede che superano regolarmente i test EMC dedicano molta attenzione ai dettagli per quanto riguarda la loro connessione di terra e tipicamente includono la messa a terra in prossimità dei connettori e dei bordi delle schede, oltre a una quantità appropriata di messa a terra nelle aree ad alta velocità.
È più economico progettare correttamente le cuciture nelle fasi iniziali di sviluppo, piuttosto che ridisegnare il prodotto dopo che ha fallito.
Vias di Stiching e Stabilità Meccanica
Un ulteriore vantaggio che di solito non viene preso in considerazione è il supporto meccanico fornito dai via cuciti. I via cuciti possono contribuire a fornire integrità meccanica cucendo più strati insieme, riducendo la possibilità che grandi blocchi di rame in un PCB si delaminino o si flettano a causa dei cicli termici.
Negli ambienti automobilistici e industriali che sono soggetti a vibrazioni, questo supporto meccanico aggiuntivo contribuisce ad aumentare la longevità e l'affidabilità di un PCB.
Ancora, questo non è lo scopo principale dei via saldati, ma è un vantaggio.
Errori Comuni Commessi dagli Ingegneri
Il primo errore è generalmente posizionare indiscriminatamente i vias di stitching dopo che il routing è stato completato. Non comprendendo dove scorre la corrente, i vias di stitching a volte possono non essere di alcun aiuto.
In secondo luogo, alcuni ingegneri inseriscono stitching via troppo distanti da una transizione di segnale adiacente. Una stitching via, che si trova a 10 mm dalla via del segnale, non sarà in grado di far ritornare efficacemente la corrente.
Un terzo errore comune è dimenticare di aggiungere di tanto in tanto delle stitching via ai piani di alimentazione. Il riferimento di massa non è l'unico riferimento sulla scheda.
Infine, alcuni ingegneri abuseranno dei via di raccordo, rendendo il routing difficile e aumentando notevolmente i costi della scheda.
Considerazioni finali
Ultimo ma non meno importante, i via through-hole sono piccoli componenti che svolgono ruoli molto importanti in un circuito influenzando le prestazioni EMI, l'integrità del segnale, fornendo dissipazione termica e contribuendo alla resistenza meccanica. Non sono una cosa bella, né sono visivamente allettanti nelle immagini utilizzate a scopo pubblicitario. Tuttavia, sono spesso associati a un progettista di PCB esperto.
Gli ingegneri professionisti non includono le vias per cucire sulla base di un requisito scritto. Le includono perché possiedono una conoscenza della direzione della corrente e del modello di conduttanza dal campo. Le vias per cucire riflettono caratteristiche più profonde sul design del PCB e sull'attenzione ai dettagli del progettista.
In PCBCool offriamo sia servizi professionali di produzione PCB che di assemblaggio PCB, con la capacità di processo necessaria per progetti esigenti. Con attrezzature avanzate per la foratura CNC e laser, siamo in grado di produrre PCB con un diametro minimo di foro di 0,08 mm, aiutando i clienti a supportare strutture via più fini e requisiti di progettazione più stringenti nelle applicazioni ad alta densità.
Domande Frequenti (FAQ)
A: Non sempre. Dipende dal produttore, dal progetto specifico e dai requisiti del cliente. Per progetti con esigenze di maggiore affidabilità, come l'elettronica medicale e automobilistica, l'AOI viene generalmente eseguito su ogni scheda.
Sì. Per i progetti con requisiti di qualità speciali, PCBCool può seguire le priorità di ispezione definite dal cliente, i criteri di accettazione, gli intervalli di tolleranza o i requisiti specifici di controllo dei difetti.
Abraash Vnest lavora su progetti elettronici legati alla difesa, con un focus su sviluppo schemi, risoluzione di problemi circuitale, test e documentazione tecnica. Sviluppa inoltre firmware STM32 e implementa protocolli di comunicazione industriale come CAN.
