Warum werden Vias auf einer Platine so platziert?

Früher habe ich komplexe kommerzielle Leiterplatten, insbesondere die von Grafikkarten, überprüft, um festzustellen, wie professionelle Leiterplattenentwickler ihr Layout gestalten und aus ihren Techniken lernen.

Als ich die unten gezeigte Karte überprüfte, bemerkte ich zwei Dinge bezüglich der Platzierung von Durchkontaktierungen:

(Ein Bild mit höherer Auflösung wird hier gezeigt ).

1. Die Platine ist rings um die Ränder von Durchstichen umgeben. Was ist die Rolle von all diesen? Ich denke, sie sind mit der Erde verbunden, um als Abschirmung zu fungieren. Wenn das stimmt, kann ich technisch nicht verstehen, wie sie durch diese Platzierung diese Abschirmung erreichen.

2. Als ich näher zu den Befestigungslöchern schaute, bemerkte ich, dass rund um das Pad Vias angebracht waren. Warum?

Erdungsring

Die Leiterplatte und manchmal Bereiche innerhalb der Leiterplatte sind von einem Leiterbahnring umgeben, der mit GND verbunden ist. Dieser Ring ist auf allen PCB-Schichten vorhanden und mit einer Reihe von Durchkontaktierungen verbunden.

Um zu erklären, was dies bewirkt, muss ich beschreiben, was passiert, wenn Sie keinen Erdungsring haben. Nehmen wir an, Sie haben auf Layer 2 eine Grundebene. Auf Ebene 1 haben Sie eine Signalverfolgung, die bis zur Kante der Grundebene reicht und einige Zoll entlang der Kante verläuft. Diese Signalspur befindet sich technisch direkt über der Grundebene, jedoch direkt am Rand. In diesem Fall strahlt diese Leiterbahn mehr EMI aus als andere Leiterbahnen, und auch die Leiterbahnimpedanz würde nicht so gut gesteuert. Bewegen Sie den Trace einfach hinein, damit er nicht am Rand der Grundebene liegt, um das Problem zu beheben. Je mehr "in" Sie es bewegen, desto besser, aber die meisten PCB-Designer werden es in mindestens 0,050 Zoll bewegen.

Es gibt ähnliche Probleme, wenn Sie ein Motorflugzeug haben. Die Antriebsebene sollte vom Rand der GND-Ebene zurückbewegt werden.

Das Erzwingen dieser Regeln, dass Leiterbahnen nicht innerhalb von 0,050 Zoll des Randes einer Ebene liegen dürfen, ist in den meisten PCB-Softwarepaketen schwierig. Es ist nicht unmöglich, aber die meisten PCB-Designer sind faul und möchten diese komplizierten Regeln nicht einrichten. Außerdem gibt es Bereiche auf der Leiterplatte, in denen keine nützlichen Spuren vorhanden sind.

Eine Lösung hierfür besteht darin, einen Erdungsring einzulegen und alles mit Durchkontaktierungen zu verbinden. Dies verhindert automatisch, dass andere Signale in diesen Bereich der Leiterplatte gelangen, bietet jedoch auch eine bessere EMI-Prävention als das einfache Zurückschieben der Leiterbahnen. Bei der Power-Ebene wird dadurch auch die Power-Ebene von der Kante zurückgedrückt (da Sie dort nur eine GND-Spur platziert haben).

Befestigungsbohrungen

In den meisten Fällen möchten Sie Ihre Befestigungslöcher mit GND verbinden. Dies ist aus EMI- und ESD-Gründen. Allerdings sind die Schrauben für Leiterplatten wirklich schlecht. Angenommen, Sie haben ein normales Durchkontaktierungsloch, das mit Ihrer Erdungsebene verbunden ist. Die Schraube selbst kann die Beschichtung im Inneren des Lochs zerstören. Der Schraubenkopf kann das Pad auf der Oberfläche der Platine zerstören. Und die Quetschkraft kann die GND-Ebene in der Nähe der Schraube zerstören. Die Wahrscheinlichkeit, dass eines dieser Ereignisse eintritt, ist gering, aber viele EEs hatten genug Probleme damit, um Fehler zu beheben.

(Ich sollte beachten, dass das Zerstören der Beschichtung und / oder des Pads normalerweise dazu führt, dass sich Metallflecken lösen und etwas Wichtiges kurzschließen.)

Die Lösung lautet wie folgt: Fügen Sie rund um das Montageloch Durchkontaktierungen hinzu, um die Pads mit der GND-Ebene zu verbinden. Mehrere Durchkontaktierungen sorgen für Redundanz und verringern die Induktivität / Impedanz des gesamten Objekts. Da sich das Via nicht unter dem Schraubenkopf befindet, ist es weniger wahrscheinlich, dass es gequetscht wird. Das Montageloch kann dann entfernt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass lose Metallflocken einen Kurzschluss verursachen.

Diese Technik ist nicht kinderleicht, funktioniert aber besser als ein einfaches plattiertes Montageloch. Es scheint, als ob jeder Leiterplattenentwickler eine andere Methode dafür hat, aber das grundlegende Denken dahinter ist größtenteils dasselbe.

Sie möchten immer so viel feste Grundfläche wie möglich haben. Innere Schichten können getrennte Bodeninseln haben, daher müssen alle Ebenen / Inseln miteinander verbunden werden.

Es gibt jedoch zwei wichtige Dinge:

1. Vermeiden Sie eine Erdschleife und
2. Vermeiden Sie eine Bodenantenne.

Aus diesem Grund fügen Sie so viele Durchkontaktierungen wie möglich hinzu und "nähen" die Leiterplatte herum.

Die VIAs in den Befestigungslöchern dienen dazu, die Arbeitskosten für die Platinenmontage zu senken. Wenn Sie genau hinsehen, werden Sie feststellen, dass die Befestigungslöcher nicht plattiert sind und ein kleiner Spalt zwischen den Löchern und der Innenseite des Pads besteht.

Zum Durchlöten von Lochbauteilen durchlaufen die Platinen eine Wellenlötmaschine. Wenn die Montagelöcher plattiert sind, müssen sie auf der Unterseite zum Beispiel mit Kaptonband abgedeckt werden. Dies verhindert, dass Lötmittel in das Montageloch eindringt, erhöht jedoch die Montagekosten.

Wenn Sie die VIAs in den Montagebohrungsfeldern verwenden, lassen Sie zu, dass die Montagebohrungen nicht plattiert sind und die Felder weiterhin mit der Masseebene verbunden sind. Auf der Unterseite sind die Montagelochpads mit der Lötmaske abgedeckt. Auf diese Weise müssen sie nicht maskiert werden, bevor sie die Wellenlötmaschine durchlaufen. Wenn die Platine in einem Gehäuse installiert ist, stellt der Schraubenkopf den elektrischen Kontakt zum oberen Pad der Montageöffnung und zum Gehäuse her.