ในการออกแบบ PCB ความถี่สูง จุดแวะมีบทบาทสําคัญในการเชื่อมต่อชั้นต่างๆ ของแผงวงจร อย่างไรก็ตาม หากไม่ได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวัง vias อาจทําให้เกิดการเหนี่ยวนําและการเสื่อมสภาพของสัญญาณ ซึ่งส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทํางาน ดังนั้นคุณจะออกแบบจุดแวะเพื่อลดปัญหาเหล่านี้ได้อย่างไร กุญแจสําคัญอยู่ที่การทําความเข้าใจผ่านประเภท การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดวาง และการปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสําหรับการใช้งานความถี่สูง โพสต์บล็อกนี้เจาะลึกลงไปเกี่ยวกับกลยุทธ์การออกแบบสําหรับ PCB ความถี่สูง โดยมุ่งเน้นไปที่การลดความเหนี่ยวนําให้เหลือน้อยที่สุดและรับประกันความสมบูรณ์ของสัญญาณด้วยเคล็ดลับที่นําไปใช้ได้จริงสําหรับวิศวกร

จุดผ่าน PCB คืออะไร และเหตุใดจึงมีความสําคัญในการออกแบบความถี่สูง

จุดแวะ PCB เป็นรูนําไฟฟ้าขนาดเล็กที่สร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชั้นต่างๆ ของแผงวงจรพิมพ์ ในการออกแบบความถี่สูงซึ่งสัญญาณทํางานที่ช่วงกิกะเฮิรตซ์จุดแวะสามารถทําหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนําหรือตัวเก็บประจุโดยไม่ได้ตั้งใจซึ่งขัดขวางความสมบูรณ์ของสัญญาณ แม้แต่อิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันเล็กน้อยหรือการเหนี่ยวนําที่มากเกินไปก็อาจทําให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ ความล่าช้า หรือการสูญเสีย ซึ่งนําไปสู่ความล้มเหลวของระบบ

สําหรับวิศวกรที่ทํางานกับแอพพลิเคชั่นความเร็วสูง เช่น 5G, วงจร RF หรือระบบดิจิทัลความเร็วสูง การออกแบบที่เหมาะสมนั้นไม่สามารถต่อรองได้ ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพผ่านโครงสร้าง คุณสามารถรักษาอิมพีแดนซ์ที่สม่ําเสมอ (มักจะกําหนดเป้าหมาย 50 โอห์มสําหรับสัญญาณ RF) และลดผลกระทบของปรสิตที่ทําให้ประสิทธิภาพลดลง

ทําความเข้าใจผ่านการเหนี่ยวนําใน PCB ความถี่สูง

ผ่านการเหนี่ยวนําเป็นปัญหาหลักในการออกแบบ PCB ความถี่สูง เมื่อสัญญาณผ่านทางโครงสร้างจะทําหน้าที่เหมือนตัวเหนี่ยวนําขนาดเล็กเนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตและลูปปัจจุบันที่สร้างขึ้น การเหนี่ยวนํานี้อาจทําให้เกิดความล่าช้าหรือการบิดเบือนของสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ที่สูงกว่า 1 GHz

ความเหนี่ยวนําของผ่านขึ้นอยู่กับความยาวเส้นผ่านศูนย์กลางและวัสดุอิเล็กทริกโดยรอบ ตัวอย่างเช่น การผ่านที่ยาวขึ้นจะเพิ่มเอฟเฟกต์อุปนัย ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่าสามารถลดได้ ตามหลักการทั่วไป ความเหนี่ยวนําของผ่านทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 1-2 nH ต่อความยาวมิลลิเมตร สําหรับสัญญาณความเร็วสูงที่ทํางานที่ 10 GHz แม้แต่การเหนี่ยวนําเพียงเล็กน้อยที่ 1 nH ก็สามารถทําให้เกิดการเปลี่ยนเฟสอย่างมีนัยสําคัญหรืออิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันได้

หากต้องการลดการเหนี่ยวนําให้เล็กสุด ให้พิจารณาจุดแวะที่สั้นลงและปรับอัตราส่วนภาพให้เหมาะสม (อัตราส่วนของความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง) การรักษาอัตราส่วนภาพให้ต่ํากว่า 10:1 มักแนะนําสําหรับการออกแบบความถี่สูงเพื่อจํากัดเอฟเฟกต์ปรสิต 

ประเภทของ PCB Vias สําหรับการใช้งานความถี่สูง

จุดแวะทั้งหมดไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเท่ากัน การเลือกประเภทการผ่านที่เหมาะสมอาจส่งผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณในการออกแบบความถี่สูงอย่างมาก ด้านล่างนี้คือประเภทหลักของจุดแวะและการใช้งาน

1. จุดแวะทะลุรู

จุดแวะผ่านรูขยายไปทั่วความหนาทั้งหมดของ PCB เชื่อมต่อชั้นบนและล่าง แม้ว่าจะผลิตได้ง่าย แต่ก็มักจะมีความเหนี่ยวนําสูงกว่าเนื่องจากความยาว ทําให้ไม่เหมาะสําหรับสัญญาณความถี่สูง หากคุณต้องใช้จุดผ่านรู ให้ลดความยาวให้เหลือน้อยที่สุดโดยวางส่วนประกอบที่สําคัญบนเลเยอร์ที่อยู่ติดกัน

2. จุดแวะตาบอด

จุดแวะตาบอดเชื่อมต่อชั้นนอกกับชั้นในโดยไม่ต้องผ่านทั้งกระดาน พวกมันสั้นกว่าจุดแวะทะลุรูลดการเหนี่ยวนําและความจุของปรสิต จุดแวะตาบอดเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการออกแบบความถี่สูงที่ต้องรักษาเส้นทางสัญญาณให้สั้น เช่น ในบอร์ดหลายชั้นสําหรับการใช้งาน RF

3. จุดแวะฝัง

จุดแวะฝังเชื่อมต่อชั้นภายในของ PCB โดยไม่ถึงพื้นผิว เช่นเดียวกับจุดแวะตาบอด พวกมันให้ความเหนี่ยวนําที่ต่ํากว่าเนื่องจากความยาวที่ลดลง มีประโยชน์อย่างยิ่งในการออกแบบหลายชั้นที่หนาแน่นซึ่งมีพื้นที่จํากัด และสัญญาณความถี่สูงต้องการการกําหนดเส้นทางที่สะอาดระหว่างเลเยอร์ภายใน

ผ่านการเย็บ: เพิ่มความสมบูรณ์ของสัญญาณและลด EMI

ผ่านการเย็บเกี่ยวข้องกับการวางจุดแวะหลายจุดรอบเส้นทางสัญญาณหรือระนาบกราวด์เพื่อสร้างการเชื่อมต่ออิมพีแดนซ์ต่ําระหว่างเลเยอร์ ในการออกแบบ PCB ความถี่สูง การเย็บผ่านการเย็บเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ตัวอย่างเช่น ในการออกแบบ RF จุดแวะเย็บมักจะวางไว้รอบขอบของระนาบกราวด์เพื่อสร้างเอฟเฟกต์คล้ายกรงฟาราเดย์ ซึ่งช่วยลดการมีเพศสัมพันธ์ของสัญญาณรบกวน แนวทางทั่วไปคือการเย็บเว้นวรรคที่ระยะ λ/20 (โดยที่ λ คือความยาวคลื่นของความถี่การทํางานสูงสุด) สําหรับสัญญาณ 5 GHz ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 60 มม. ในอากาศ จะแปลเป็นระยะห่างประมาณ 3 มม.

การเย็บผ่านยังช่วยในการรักษาเส้นทางกลับที่สม่ําเสมอสําหรับสัญญาณความถี่สูงลดการเหนี่ยวนําของลูป อย่างไรก็ตาม หลีกเลี่ยงการใช้จุดผ่านการเย็บมากเกินไป เนื่องจากจุดแวะที่มากเกินไปสามารถเพิ่มต้นทุนการผลิตและอาจทําให้เกิดเสียงสะท้อนที่ไม่ต้องการได้หากไม่ได้วางไว้อย่างมีกลยุทธ์

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสําหรับความถี่สูงผ่านการออกแบบ

การออกแบบจุดแวะสําหรับ PCB ความถี่สูงต้องมีการวางแผนอย่างรอบคอบ ด้านล่างนี้คือกลยุทธ์ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วเพื่อลดการเหนี่ยวนําและการเสื่อมสภาพของสัญญาณ

1. ทําให้จุดแวะสั้นและตรงไปตรงมา

ยิ่งผ่านนานเท่าใดความเหนี่ยวนําก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้ ให้กําหนดเส้นทางสัญญาณความถี่สูงระหว่างเลเยอร์ที่อยู่ติดกันเพื่อให้จุดแวะสั้น ตัวอย่างเช่น ใน PCB 10 ชั้น การกําหนดเส้นทางสัญญาณวิกฤตระหว่างเลเยอร์ 2 และ 3 จะส่งผลให้มีความเหนี่ยวนําน้อยกว่าเมื่อเทียบกับการกําหนดเส้นทางระหว่างเลเยอร์ 1 และ 10

2. ปรับเส้นผ่านศูนย์กลางและขนาดแผ่นให้เหมาะสม

เส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่าจะลดการเหนี่ยวนํา แต่ก็ยังต้องผลิตได้ เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2-0.3 มม. มักเป็นสมดุลที่ดีสําหรับการออกแบบความถี่สูง นอกจากนี้ ลดขนาดของแผ่นผ่านเพื่อลดความจุของปรสิต ซึ่งอาจทําให้สัญญาณลดลงได้เช่นกัน เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรอง 1.5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นจุดเริ่มต้นทั่วไป

3. ใช้การเจาะด้านหลังสําหรับจุดแวะทะลุรู

ในการออกแบบความถี่สูงจุดแวะทะลุรูมักจะทิ้งต้นขั้วที่ไม่ได้ใช้ซึ่งทําหน้าที่เป็นโครงสร้างเรโซแนนซ์ทําให้เกิดการสะท้อนสัญญาณ การเจาะด้านหลังจะลบต้นขั้วเหล่านี้ออกโดยการเจาะส่วนที่ไม่ได้ใช้ของผ่านหลังจากการชุบ เทคนิคนี้สามารถลดการเสื่อมสภาพของสัญญาณได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับสัญญาณที่สูงกว่า 5 GHz

4. จับคู่อิมพีแดนซ์ด้วย Via Design

อิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันที่จุดแวะอาจทําให้เกิดการสะท้อนสัญญาณ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ให้ออกแบบจุดแวะพักเพื่อรักษาอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของการติดตาม (โดยทั่วไปคือ 50 โอห์มสําหรับสัญญาณ RF) ซึ่งสามารถทําได้โดยการปรับเส้นผ่านศูนย์กลาง ระยะห่าง และระนาบกราวด์โดยรอบ เครื่องมือจําลองสามารถช่วยคาดการณ์และเพิ่มประสิทธิภาพอิมพีแดนซ์ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ

5. วางจุดแวะกราวด์อย่างมีกลยุทธ์

จุดแวะกราวด์ใกล้กับจุดแวะสัญญาณให้เส้นทางกลับอิมพีแดนซ์ต่ําลดการเหนี่ยวนําของลูป วางจุดแวะกราวด์ภายในระยะ 1-2 มม. ของจุดแวะสัญญาณความถี่สูงเพื่อลดสัญญาณรบกวนและให้แน่ใจว่ามีการเปลี่ยนสัญญาณที่ชัดเจนระหว่างชั้น

เทคนิคขั้นสูงในการลดการเสื่อมสภาพของสัญญาณ

นอกเหนือจากพื้นฐานผ่านการออกแบบแล้วเทคนิคขั้นสูงยังสามารถเพิ่มประสิทธิภาพใน PCB ความถี่สูงได้

1. ใช้ Microvias สําหรับการออกแบบที่หนาแน่น

ไมโครเวียเป็นจุดแวะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก (โดยทั่วไปน้อยกว่า 0.15 มม.) ที่สร้างขึ้นโดยใช้การเจาะด้วยเลเซอร์ เหมาะอย่างยิ่งสําหรับการเชื่อมต่อระหว่างกันความหนาแน่นสูง (HDI) ในบอร์ดหลายชั้น โดยให้ความเหนี่ยวนําและความจุที่ต่ํากว่าเนื่องจากมีขนาดเล็ก Microvias มีประโยชน์อย่างยิ่งในแอปพลิเคชันความถี่สูงที่ทันสมัย เช่น โมดูล 5G หรือไมโครโปรเซสเซอร์ขั้นสูง

2. ใช้การออกแบบ Via-in-Pad

ในการออกแบบ via-in-pad จุดแวะจะถูกวางไว้ใต้แผ่นส่วนประกอบโดยตรง ซึ่งช่วยลดความยาวของร่องรอยและการเหนี่ยวนํา เทคนิคนี้พบได้ทั่วไปในแพ็คเกจ ball grid array (BGA) ที่มีพื้นที่จํากัด อย่างไรก็ตาม ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีกระบวนการผลิตที่เหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงการบัดกรีที่ดูดซับเข้าไปใน via ระหว่างการประกอบ

3. จําลองและทดสอบผ่านประสิทธิภาพ

การออกแบบความถี่สูงมักต้องมีการจําลองเพื่อคาดการณ์ผ่านพฤติกรรม เครื่องมือต่างๆ เช่น เครื่องแก้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถสร้างแบบจําลองความเหนี่ยวนําและความจุของปรสิต ซึ่งช่วยให้คุณปรับแต่งขนาดและตําแหน่งได้อย่างละเอียด หลังจากการผลิต ให้ใช้การวัดการสะท้อนแสงโดเมนเวลา (TDR) เพื่อวัดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจากจุดแวะพักและปรับการออกแบบตามต้องการ

ข้อผิดพลาดทั่วไปที่ควรหลีกเลี่ยงในความถี่สูงผ่านการออกแบบ

แม้แต่การกํากับดูแลเพียงเล็กน้อยในการออกแบบก็สามารถนําไปสู่ปัญหาด้านประสิทธิภาพที่สําคัญได้ นี่คือหลุมพรางบางประการที่ต้องระวัง

• การเพิกเฉยต่อ Via Stubs: การไม่ถอดออกผ่านต้นขั้วในการออกแบบรูทะลุอาจทําให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ พิจารณาการเจาะย้อนกลับสําหรับสัญญาณความถี่สูงที่สําคัญเสมอ
• Vias แออัด: การวางจุดแวะมากเกินไปในพื้นที่ขนาดเล็กอาจนําไปสู่ข้อบกพร่องในการผลิตหรือการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณที่ไม่ต้องการ รักษาระยะห่างที่เพียงพอตามกฎการออกแบบของคุณ
• ละเลยระนาบภาคพื้นดิน: หากไม่มีการต่อสายดินที่เหมาะสมใกล้กับจุดแวะเส้นทางกลับจะยาวขึ้นและเพิ่มการเหนี่ยวนํา จับคู่จุดแวะสัญญาณกับจุดแวะกราวด์ในบริเวณใกล้เคียงเสมอ

บทสรุป: การเรียนรู้ผ่านการออกแบบเพื่อความสําเร็จความถี่สูง

ผ่านการออกแบบเป็นสิ่งสําคัญของการพัฒนา PCB ความถี่สูง ด้วยการลดขนาดผ่านการเหนี่ยวนําและป้องกันการเสื่อมสภาพของสัญญาณ คุณจะมั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในการใช้งานที่มีความต้องการสูง มุ่งเน้นไปที่การใช้สิทธิ์ผ่านประเภทต่างๆ เช่น จุดแวะตาบอดและจุดแวะฝัง นําไปใช้ผ่านการเย็บเพื่อควบคุม EMI และปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด เช่น การรักษาจุดแวะให้สั้นและปรับอิมพีแดนซ์ให้เหมาะสม

ด้วยการวางแผนอย่างรอบคอบและการใช้เครื่องมือจําลอง คุณจะสามารถรับมือกับความท้าทายของความถี่สูงผ่านการออกแบบและบรรลุความสมบูรณ์ของสัญญาณที่แข็งแกร่ง ไม่ว่าคุณจะทํางานกับวงจร RF ระบบดิจิทัลความเร็วสูง หรือเทคโนโลยี 5G ที่ล้ําสมัย กลยุทธ์เหล่านี้จะช่วยคุณสร้าง PCB ที่ตรงตามมาตรฐานประสิทธิภาพสูงสุด