Mengoptimalkan Teknologi Through-Hole untuk PCB Kecepatan Tinggi: Keandalan, EMI Rendah & Hemat Daya

Saat ini, desain PCB kecepatan tinggi telah banyak diterapkan di banyak bidang seperti telekomunikasi, komputer dan pengolahan grafis dan citra dan semua produk nilai tambah canggih dirancang menuju konsumsi daya rendah, radiasi elektromagnetik rendah, keandalan tinggi, miniaturisasi dan berat ringan. Untuk mencapai target tersebut, desain dan implementasi teknologi through-hole (THT) adalah sangat penting dalam desain PCB kecepatan tinggi.

Teknologi Through-Hole

Lubang through adalah bagian penting untuk desain PCB multi-lapis. Lubang through terdiri dari tiga bagian: via, pad dan area isolasi lapisan daya, yang dapat ditunjukkan pada gambar berikut. THT diperoleh dengan menempatkan lapisan logam pada dinding lubang melalui cara deposit kimia sehingga foil tembaga dari setiap lapisan internal atau lapisan dari papan sirkuit dapat terhubung satu sama lain. Kedua sisi lubang through dibuat dalam bentuk pad biasa, keduanya dapat langsung terhubung dengan tracing pada lapisan atas dan bawah dan dapat dipertahankan tidak terhubung juga. Lubang through berperan dalam koneksi listrik, pemasangan dan penyesuaian posisi komponen.

Sejauh THT yang bersangkutan, lubang through umumnya diklasifikasikan menjadi via through-hole, blind via dan buried via:
a. Through-hole via melewati semua lapisan papan sirkuit, berlaku untuk interkoneksi internal atau berperan sebagai lubang penyesuaian. Karena through-hole vias dapat diakses dalam teknologi dengan biaya rendah, mereka banyak diterapkan oleh sebagian besar PCB.
b. Blind via merujuk pada lubang yang bertanggung jawab untuk koneksi antara trace permukaan dan trace internal di bawah dengan kedalaman tertentu. Rasio antara kedalaman via dan diameter via biasanya tidak melebihi nilai tertentu.
c. Buried via merujuk pada via penyebut yang terletak pada lapisan internal, yang tidak dapat dilihat dari penampilan papan PCB karena gagal diperluas ke permukaan papan sirkuit.

Kedua blind vias dan buried vias terletak pada lapisan internal papan sirkuit dan mereka dihasilkan sebelum lamination.

Kapasitansi Parasit dalam THT

Lubang through memiliki kapasitansi parasit terhadap ground. Diameter via isolasi pada lapisan ground adalah D₂; diameter pad lubang through adalah D₁; ketebalan PCB adalah T; konstanta dielektrik bahan substrat adalah ε. Kemudian, kapasitansi parasit lubang through dapat dihitung dengan rumus C=1.41εTD₁/(D₂-D₁)

Pengaruh utama kapasitansi parasit pada rangkaian adalah untuk memperpanjang waktu naik sinyal dan menurunkan kecepatan operasional rangkaian. Jadi, semakin rendah kapasitansi parasit, semakin baik.

Induktansi Parasit dalam THT

Lubang through juga memiliki induktansi parasit. Dalam proses desain sirkuit digital kecepatan tinggi, bahaya yang timbul dari induktansi parasit biasanya lebih besar daripada dari kapasitansi parasit. Induktansi seri parasit akan melemahkan fungsi kapasitansi bypass dan mengurangi efek filter seluruh sistem daya. Ketika induktansi lubang through dinyatakan sebagai L, panjang lubang through sebagai h, diameter via sebagai d, induktansi parasit lubang through dapat dihitung dengan mengikuti rumus L=5.08h[In(4h/d)+1]

td>Berdasarkan rumus itu, diameter lubang through jarang terkait dengan induktansi dan elemen terbesar yang mempengaruhi induktansi adalah panjang lubang through.

Non THT (termasuk blind via dan buried via)

Ketika datang pada non THT, aplikasi blind via dan buried via mampu secara drastis mengurangi ukuran dan kualitas PCB termasuk jumlah lapisan, meningkatkan kompatibilitas elektromagnetik (EMC) dan meminimalkan biaya. Lebih jauh, tugas desain akan menjadi jauh lebih mudah. Dalam desain PCB tradisional dan proses pembuatan PCB, lubang through biasanya membawa banyak masalah. Pertama, mereka menempati mayoritas ruang efektif. Kedua, kepadatan lubang through yang terlalu tinggi membawa tantangan terhadap tracing internal papan PCB.

Dalam desain PCB, meskipun ukuran pad dan lubang through terus dikurangi, rasio aspek akan meningkat ketika ketebalan papan turun tidak proporsional dan keandalan akan berkurang ketika rasio aspek meningkat. Seiring kematangan teknologi bor laser dan teknologi etching plasma kering, non-THT small blind vias dan buried vias telah menjadi kemungkinan lain. Ketika diameter lubang tersebut adalah 0,3mm, parameter parasit akan menjadi sepuluh dari via tradisional dengan keandalan PCB meningkat.

Dengan diterapkannya non-THT, jumlah lubang through besar akan menurun pada papan PCB, sehingga lebih banyak ruang dapat ditinggalkan untuk tracing. Ruang sisa dapat digunakan sebagai pelindung area besar untuk meningkatkan performa EMI/RFI. Lebih jauh, lebih banyak ruang sisa juga dapat digunakan sebagai pelindung parsial untuk komponen internal dan kabel jaringan kunci sehingga mereka dapat memiliki performa listrik optimal. Aplikasi via non-THT membuat pin komponen lebih mudah untuk menembus sehingga tracing dapat lebih mudah untuk komponen pin kepadatan tinggi seperti komponen BGA (ball grid array).

Desain THT dalam PCB Biasa

Kapasitansi parasit dan induktansi parasit jarang memiliki pengaruh pada lubang through selama fase desain PCB biasa. Sejauh desain PCB 1 hingga 4 lapis yang bersangkutan, lubang through dengan diameter seperti 0,36mm, 0,61mm atau 1,02mm dapat dipilih masing-masing untuk via, pad dan area isolasi di lapisan ground. Beberapa trace sinyal dengan persyaratan khusus dapat bergantung pada lubang through dengan diameter 0,41mm, 0,81mm dan 1,32mm.

Desain THT dalam PCB Kecepatan Tinggi

Menurut properti parasit THT yang disebutkan di atas, kita dapat melihat bahwa THT yang terlihat sederhana cenderung membawa efek negatif besar pada desain rangkaian dalam desain PCB kecepatan tinggi. Untuk mengurangi efek buruk yang timbul dari efek parasit THT, tips berikut disediakan sebagai referensi:
a. Ukuran THT yang sesuai harus dipilih. Ketika datang pada desain PCB dengan banyak lapisan dan kepadatan biasa, THT harus dipilih dengan parameter lubang through adalah 0,25mm, 0,51mm dan 0,91mm masing-masing untuk via, pad dan area isolasi. PCB kepadatan tinggi juga dapat memilih lubang through dengan parameter 0,20mm, 0,46mm dan 0,86mm untuk via, pad dan area isolasi. Non-THT juga dapat dipilih. Untuk lubang through yang berkaitan dengan daya atau ground, lubang through ukuran besar dapat dipilih untuk mengurangi impedansi.
b. Semakin besar area isolasi di lapisan daya, semakin baik. Sejauh kepadatan lubang through yang bersangkutan, nilai D₁ biasanya adalah jumlah D₂ dan 0,41mm.
c. Optimal untuk mengatur trace sinyal tidak melintasi lapisan, yaitu, jumlah lubang through harus dikurangi.
d. PCB lebih tipis digunakan untuk menguntungkan pengurangan parameter parasit.
e. Lubang through harus ditempatkan se dekat mungkin dengan pin daya dan ground dan kabel antara THT dan pin harus pendek mungkin karena mereka akan menyebabkan peningkatan induktansi. Lebih jauh, kabel daya dan ground dapat tebal sebanyak mungkin untuk mendapatkan impedansi yang menurun.

Tentu, masalah spesifik harus dianalisis secara spesifik selama fase desain PCB. Dua aspek lain tidak dapat dihindari: biaya dan kualitas sinyal. Pertimbangan yang seimbang harus diambil selama desain PCB kecepatan tinggi untuk menangkap kualitas sinyal optimal dengan biaya yang dapat diterima.

Anda mungkin juga tertarik:
• Cara Desain Blind/Buried Vias dalam Sirkuit Digital Kecepatan Tinggi
• Apakah Pad Non-Fungsional Harus Dihapus atau Dipertahankan pada Via PCB Kecepatan Tinggi?
• Penelitian Desain PCB Kecepatan Tinggi dalam Sistem Aplikasi Tertanam
• Cara Desain Image Plane untuk PCB Kecepatan Tinggi
• Layanan Pembuatan PCB Full Feature dari PCBCart
• Layanan Assembly PCB Turnkey Lanjutan dari PCBCart