قسمت هجدهم: Via چیست و محاسبات مربوط به آن در طراحی PCB

به کمک نرم افزار Saturn PCB Toolkit می توان حداکثرجریان عبوری، اندوکتانس، مقاومت، افت ولتاژ، مقاومت گرمایی و…  را برای هر Via با ابعاد مختلف به دست آورد.

پارامترهایی که نیاز هست در نرم افزار وارد کنیم:

1. Via Hole Diameter : قطرسوراخ.
2. Via Height : ارتفاع وایا هست که تقریبا برابر با ضخامت pcb است.
3. Via Plating Thickness : منظور ضخامت مسی هست که حین آبکاری داخل سوراخ Via می‌شود که تقریباً برابر 0.0254mm است.
4. Temp Rise : منظور تفاوت بین حداکثر دمایی است که کارکرد برد در آن دما درست و ایمن است و دمایی که برد معمولاً در آن دما کار می‌کند. (برای بحث Via عدد Temp Rise خیلی بحرانی نیست چون طول Via کم است و تلفات چندانی ندارد و خب گرمای کمی هم ایجاد می‌کند.)
5. Ambient Temp : دمای محیط
6. Material Selection : ماده سازنده برد که معمولا فایبرگلاس (FR-4 ) هست. (تغییر نوع ماده سازنده برد درمحاسبه میزان جریان دهی Via تاثیر خیلی کمی دارد.)

مثلا درشکل زیر می بیینیم که از یک Via با قطر سوراخ 0.5mm وارتفاع 1.6mm به اندازه 2.1035A جریان می تواند عبورکند.

استفاده از Via در مسیر تغذیه

مثل ترک‌های PCB، وایاهای یک PCB هم دارای ظرفیت خازنی و سلفی هستند که در موارد مختلفی مثل زمان تأخیر، Rise Time،Fall Time، یکپارچگی سیگنال و… روی عملکرد برد تأثیر می‌گذارند بهویژه دربردهای فرکانس بالا که تأثیرشان اهمیت بیشتری پیدا می‌کند و می توانند مشکلساز شوند.

میدانیم که سلف لختی دارد به این معناست که در مقابل تغییرات ناگهانی جریان مقاومت می‌کند.

حالا چرا سلف اینطوریه؟!

طبق قانون فارادی زمانی که جریان عبوری از سلف تغییر می‌کند، میدان مغناطیسی متغیر بازمان در سیمپیچ باعث القای ولتاژی در کویل می‌شود که طبق قانون لنز این ولتاژ القاشده با تغییرات جریان به وجود آورنده آن مخالفت می‌کند.

هم چنین می دانیم که با موازی کردن سلف ها، ظرفیت سلف معادل کاهش می یابد چون:

پس با موازی کردن چند Via با هم ظرفیت سلفی (اندوکتانس) معادل آنها نسبت به حالتی که تنها از یک Via استفاده می کنیم کمتر می شود.

در قسمت تغذیه برد اندوکتانس ناشی از Via خیلی اهمیت پیدا می‌کند چون با توجه به وضعیت برد و پردازنده‌ای که دارد، در زمان‌های مختلف میزان جریان کشی تغییر می‌کند و ما تغییرات ناگهانی جریان داریم و همان‌طور که گفتیم سلف با تغییرات لحظه‌ای جریان مشکل دارد و در برابر آن مقاومت می‌کند! پس وقتی می‌خواهیم با استفاده از Via جریان تغذیه را به لایه‌های دیگر انتقال دهیم بهتراست بهجای استفاده از یک Via بزرگ، چند Via کوچک‌تر را باهم موازی کنیم. با این کار هم اندوکتانس را کاهش داده‌ایم، هم اینکه ظرفیت جریان عبوری از چند Via موازی باهم از یک Via با قطر سوراخ بزرگ‌تر بیشتر است.

برای یک Via هرچقدر قطر سوراخ آن بزرگ‌تر و ارتفاعش کمتر باشد اندوکتانس متناظرش کوچک‌تر می‌شود (میتوانید داخل نرمافزار با تغییر دادن این دو پارامتر این نتیجه را ببینید) ولی چون رابطه اندوکتانس Via با قطر آنیک رابطه لگاریتمی هست، افزایش قطر Via تأثیر زیادی در کاهش اندوکتانس آن ندارد و بهترین گزینه برای کاهش اندوکتانس ناشی از Via موازی کردن چندین Via باهم دیگر است.

استفاده از Via برای انتقال حرارت 

بعضی از آی سی‌ها مثل رگولاتورها مثلاً LM2576 یا MP2565 در زیر پکیج خود Thermal Pad دارند که نقش هیت سینک را برای آن‌ها ایفا می‌کند که گرمای ناشی از این آی سی‌ها را به بیرون منتقل می‌کند.

از کاربردهای دیگر Via ها استفاده از آن‌ها برای انتقال حرارت است. به این صورت که زدن Via های متعدد روی پد مربوط به Thermal Pad در فوت پرینت این آی سی‌ها و کشیدن یک صفحه مسی در طرف دیگر (سمتی که آی سی مونتاژ نمی‌شود) با استفاده از ابزار Fill یا Solid Region در آلتیوم، باعث بهتر خنک شدن آنها می‌شود. چون حرارت از طریق Via ها به صفحه مسی که درلایه دیگر کشیده شده منتقل می‌شود و در سطح آن پخش می‌شود.

در نرم افزار در همان تب Via Properties قسمت information پارامتر Via Thermal Resistance مربوط به مقاومت گرمایی Via هست. درواقع هر المانی همان‌طور که رسانایی گرمایی و الکتریکی دارد، مقاومت گرمایی و الکتریکی نیز دارد.

مثلا مقدارمقاومت گرمایی 40 یعنی وایا به ازای هر یک وات انتقال توان، 40 درجه سانتی گراد افزایش دما پیدا می کند.

حال می‌خواهیم بررسی داشته باشیم که با تغییر پارامترهای وایا مقاومت حرارتی آن چطوری تغییر می‌کند.

این دو مورد رو باید در استفاده از Via برای کاربرد انتقال حرارت و تدارک Heat Sink دربرد در نظر داشت.

وقتی از Via های متعدد استفاده می‌کنیم و چند Via را باهم موازی می‌کنیم  (پارامتر Via Count در نرمافزار)  مقاومت حرارتی بر تعداد Via ها تقسیم می‌شود و درنتیجه مقاومت حرارتی متناظر با هر Via کاهش می‌یابد و خب انتقال گرما و حرارت خیلی بهتر انجام می‌شود.

در آخر نکته‌ای که باید در به کار بردن Via در PCB برای هر منظوری در نظر داشت، محدودیت‌هایی است که سازنده‌های برد در حداقل قطر سوراخ Via و حداقل فاصله Via ها از هم برای چاپ برد دارند.

دربردهای چندلایه اگر تعدادی Via بافاصله‌ی نزدیک به همروی برد گذاشته شود این‌ها تشکیل یک شکاف روی برد می‌دهند که خود این می‌تواند نقش یک آنتن رو روی برد داشته باشد و باعث ایجاد نویز و اختلال روی برد شود. بهترین حالت این است که Via ها فاصله مناسبی با یکدیگر داشته باشند و این فاصله کم‌تر از حداقل فاصله‌ای که سازنده گفته نباشد.