Was ist ein Via?
Ein Via (Vertical Interconnect Access) ist ein galvanisiertes Loch in einer Leiterplatte, das elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Kupferschichten herstellt. Vias sind unerlässlich für das Routing von Signalen und Stromversorgung durch mehrschichtige Platinen, aber sie führen parasitäre Effekte ein, diedie Signalintegritätbei hohen Frequenzen beeinträchtigen können.
Wichtige Erkenntnis
Bei Frequenzen über 1 GHz ist ein Via nicht mehr nur eine einfache Verbindung—es wird zu einerÜbertragungsleitungs-Diskontinuität mit eigener Impedanz, Induktivität und Kapazität. Das Verständnis dieser parasitären Effekte ist entscheidend für modernes Hochgeschwindigkeitsdesign, einschließlich USB 3.x,PCIe und10G+ Ethernet.
Ein typisches Via besteht aus mehreren Komponenten:
- Barrel: Der galvanisierte Zylinder durch die Platine
- Pad: Die Kupferfläche um das Loch auf jeder Schicht
- Ringförmiger Ring: Der Kupferring zwischen Loch und Pad-Kante
- Anti-Pad: Das Freigabeloch in Platinen-Ebenen
Via-Typen erklärt
Die Wahl des richtigen Via-Typs ist entscheidend für die Balance zwischen Kosten, Fertigbarkeit und Leistung. Hier ist ein detaillierter Vergleich jedes Typs und wann sie verwendet werden sollten:
Durchgangsloch-Via (PTH)
Verbindet alle Schichten von oben nach unten. Gängigster und wirtschaftlichster Typ.
Vorteile
- Niedrigste Kosten
- Einfache Fertigung
- Hohe Zuverlässigkeit
Nachteile
- Erzeugt Stub auf Signalschichten
- Nutzt Routing-Platz auf allen Schichten
- Nicht für hohe Dichte geeignet
Am besten für
Allgemeines Routing, Stromverteilung, Low-Speed-Signale
Blind-Via
Verbindet Außenschicht mit einer oder mehreren Innenschichten, durchdringt aber nicht die gesamte Platine.
Vorteile
- Kein Stub auf der Gegenseite
- Besser für hohe Geschwindigkeit
- Spart Routing-Platz
Nachteile
- Höhere Kosten
- Komplexere Fertigung
- Erfordert sequentielle Laminierung
Am besten für
Hochgeschwindigkeitssignale, HDI-Platinen, platzoptimierte Designs
Buried-Via
Verbindet nur Innenschichten, von beiden Oberflächen unsichtbar.
Vorteile
- Maximale Routing-Dichte
- Keine Oberflächenauswirkung
- Hervorragend für HDI
Nachteile
- Höchste Kosten
- Komplexe Fertigung
- Begrenzte Reparierbarkeit
Am besten für
HDI-Designs, Mobilgeräte, Platinen mit hoher Lagenzahl
Microvia
Kleines lasergebohrtes Via (≤150µm), das benachbarte Schichten verbindet.
Vorteile
- Minimale parasitäre Effekte
- Höchste Dichte
- Am besten für hohe Geschwindigkeit
Nachteile
- Begrenztes Seitenverhältnis
- Erfordert Laserbohren
- Kosten pro Via höher
Am besten für
BGA-Fanout, Smartphone-Platinen, fortschrittliche Verpackung
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Via-Stub und warum ist er wichtig?
Ein Via-Stub ist der ungenutzte Teil eines Durchgangsvias, der über die Signalschicht hinausreicht. Bei hohen Frequenzen (>3 GHz) wirkt dieser Stub wie eine Antenne und verursacht Resonanz und Signalreflexion. Der Stub erzeugt eine Viertelwellenresonanz bei f = c/(4×L×√εr), wobei L die Stub-Länge ist. Für einen 40-mil-Stub in FR-4 tritt die Resonanz bei etwa 9 GHz auf und beeinträchtigt Signale wie PCIe Gen4 oder USB 3.2 erheblich.
Wann sollte ich Rückbohren verwenden?
Verwenden Sie Rückbohren wenn: (1) Signalfrequenzen 5 GHz überschreiten, (2) Via-Stubs länger als 10 Mils sind, (3) Das Einfügungsdämpfungsbudget knapp ist, (4) Sie PCIe Gen4+, 25G Ethernet oder ähnliche Hochgeschwindigkeitsschnittstellen entwerfen. Rückbohren entfernt den Stub typischerweise bis auf 8-10 Mils von der Signalschicht. Die Kostensteigerung beträgt 10-20%, verbessert aber die Signalintegrität dramatisch.
Wie berechne ich die Via-Induktivität?
Die Via-Induktivität kann approximiert werden als: L ≈ 5.08h × (ln(4h/d) + 1) nH, wobei h die Via-Höhe in Zoll und d der Via-Durchmesser ist. Ein typisches 10-mil-Via durch eine 62-mil-Platine hat etwa 1 nH Induktivität. Reduzieren Sie die Induktivität durch: Verwendung größerer Via-Durchmesser, Hinzufügen von Masse-Vias in der Nähe, Verwendung mehrerer paralleler Vias für Stromversorgung oder Verwendung von Microvias für kürzere Pfade.
Was ist Via-in-Pad und wann sollte ich es verwenden?
Via-in-Pad platziert das Via direkt im Bauteil-Pad, anstatt zu einem separaten Via zu routen. Verwenden Sie es für: Feinraster-BGAs (<0,8mm), Wärmemanagement (Leistungsbauelemente), Hochfrequenz-Bypass-Kondensatoren und platzoptimierte Designs. Das Via muss gefüllt und planarisiert werden (VIPPO-Prozess), um ordnungsgemäßes Löten zu ermöglichen. Dies erhöht die Kosten um etwa 0,02-0,05 $ pro Via, ermöglicht aber dichtere Designs.
Wie viele Masse-Vias benötige ich um ein Signal-Via?
Für einen optimalen Signal-Rückpfad: Verwenden Sie mindestens 2 Masse-Vias pro Signal-Via für Single-Ended-Signale, 4-6 Masse-Vias für differentielle Paare. Platzieren Sie Masse-Vias innerhalb von 20 Mils von Signal-Vias für Frequenzen über 5 GHz. Dies erhält die Impedanz während des Via-Übergangs und minimiert die Induktivität. Für sehr hohe Frequenzen (>25 GHz) erwägen Sie Via-Käfige oder koaxiale Via-Strukturen.