Through-Hole-Technologie für High-Speed-PCBs optimieren: Zuverlässigkeit, niedrige EMI & Stromsparen

Aktuell findet High-Speed-PCB-Design breite Anwendung in Telekommunikation, Computern, Grafik- und Bildverarbeitung – alle High-Tech-Mehrwertprodukte zielen auf geringen Stromverbrauch, niedrige elektromagnetische Strahlung, hohe Zuverlässigkeit, Miniaturisierung und Leichtgewicht. Um diese Ziele zu erreichen, sind Through-Hole-Technologie (THT) Design und Implementierung von extremer Bedeutung im High-Speed-PCB-Design.

Through-Hole-Technologie

Through-Hole ist essenzieller Bestandteil für Multilayer-PCB-Design. Ein Through-Hole besteht aus drei Teilen: Via, Pad und Isolierbereich der Power-Plane – wie im folgenden Bild demonstriert. THT wird durch Aufbringen einer Metallschicht auf Lochwand im chemischen Abscheidungsverfahren erzielt, sodass Kupferfolien jedes internen Layers oder Planes einer Leiterplatte miteinander verbunden werden können. Beide Seiten der Through-Holes haben Form eines gewöhnlichen Pads, beide können direkt mit Leiterführung auf Top- und Bottom-Layer verbunden werden oder unverbunden bleiben. Ein Through-Hole erfüllt elektrische Verbindung, Fixierung und Positionierung von Bauteilen.

Bei THT werden Through-Holes allgemein klassifiziert in:

• a. Through-Hole-Via: Durchdringt alle Lagen einer Leiterplatte, anwendbar für interne Vernetzung oder als Positionierloch. Da Through-Hole-Vias technologisch zugänglich und kostengünstig sind, werden sie von den meisten PCBs breit genutzt.
• b. Blind Via: Verbindet Oberflächenleiter mit internen Leitern darunter bei bestimmter Tiefe. Verhältnis Viatiefe zu Viasdurchmesser überschreitet meist nicht einen bestimmten Wert.
• c. Buried Via: Verbindungsvia in internen Lagen, von PCB-Oberfläche nicht sichtbar, da es nicht zur Leiterplattenoberfläche erweitert wird.

Sowohl Blind Vias als auch Buried Vias befinden sich in internen Lagen und werden vor der Lamination erzeugt.

Parasitäre Kapazität in THT

Through-Holes weisen parasitäre Kapazität zum Ground auf. Isoliervia-Durchmesser auf Ground-Plane: D₂; Through-Hole-Pad-Durchmesser: D₁; PCB-Dicke: T; Dielektrizitätskonstante Substratmaterial: ε. Dann berechnet sich parasitäre Kapazität: C = 1,41 ε T D₁ / (D₂ – D₁).

Hauptwirkung auf Schaltung: Verlängerung der Signal-Anstiegszeit und Verringerung der Schaltungsgeschwindigkeit. Je niedriger parasitäre Kapazität, desto besser.

Parasitäre Induktivität in THT

Through-Holes weisen auch parasitäre Induktivität auf. Im High-Speed-Digital-Schaltungsdesign sind Gefahren durch parasitäre Induktivität meist größer als durch parasitäre Kapazität. Parasitäre Reihenspule schwächt Bypass-Kondensator-Funktion und reduziert Filterwirkung des gesamten Powersystems. Bei Through-Hole-Induktivität L, Through-Hole-Länge h, Via-Durchmesser d: L = 5,08 h [ln(4h/d) + 1].

Basierend auf dieser Formel ist Through-Hole-Durchmesser selten mit Induktivität assoziiert – Haupteinflussfaktor ist Through-Hole-Länge.

Non-THT (inkl. Blind Via und Buried Via)

Anwendung von Blind Via und Buried Via reduziert PCB-Größe und -Qualität einschließlich Lagenanzahl dramatisch, verbessert elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und minimiert Kosten. Designaufgabe wird deutlich einfacher. Im traditionellen PCB-Design und -Fertigungsprozess bringen Through-Holes viele Probleme: Sie beanspruchen Großteil des effektiven Raums. Zweitens fordert zu hohe Through-Hole-Dichte internes Routing heraus.

Im PCB-Design werden Pad- und Through-Hole-Größe stetig reduziert, doch Aspect Ratio steigt, wenn Board-Dicke nicht proportional sinkt – Zuverlässigkeit sinkt bei steigendem Aspect Ratio. Mit Reifung von Lasbohrtechnologie und Plasma-Trockenätz-Technologie sind Non-THT kleine Blind Vias und Buried Vias eine weitere Möglichkeit. Bei 0,3 mm Durchmesser sind parasitäre Parameter ein Zehntel traditioneller Vias – PCB-Zuverlässigkeit steigt.

Mit Non-THT sinkt Anzahl großer Through-Holes auf PCB – mehr Platz für Routing. Restplatz kann als großflächige Abschirmung für verbesserte EMI/RFI-Leistung genutzt werden. Auch partielle Abschirmung für interne Bauteile und kritische Netze möglich – optimale elektrische Leistung. Non-THT-Vias erleichtern Bauteilpin-Durchführung, Routing für High-Density-Pin-Komponenten wie BGA (Ball Grid Array) wird einfacher.

THT-Design in Standard-PCBs

Parasitäre Kapazität und Induktivität beeinflussen Through-Holes im Standard-PCB-Design selten. Bei 1–4-Lagen-PCB-Design können Through-Holes mit Durchmessern 0,36 mm, 0,61 mm oder 1,02 mm für Via, Pad und Isolierbereich in Ground-Plane gewählt werden. Spezielle Signalführungen können Through-Holes mit 0,41 mm, 0,81 mm und 1,32 mm nutzen.

THT-Design in High-Speed-PCBs

Basierend auf parasitären THT-Eigenschaften: THT sieht einfach aus, bringt aber große negative Effekte im High-Speed-PCB-Design. Zur Reduzierung parasitären THT-Einflusses folgende Tipps als Referenz:

• a. Geeignete THT-Größe wählen. Bei Multilayer-PCB-Design mit Standarddichte: THT-Parameter 0,25 mm, 0,51 mm, 0,91 mm für Via, Pad, Isolierbereich. High-Density-PCBs: 0,20 mm, 0,46 mm, 0,86 mm. Non-THT auch wählbar. Für Power/Ground-Through-Holes große Größen wählen zur Impedanzreduzierung.
• b. Je größer Isolierbereich in Power-Plane, desto besser. Bei Through-Hole-Dichte: D₁ meist = D₂ + 0,41 mm.
• c. Optimal: Signalführungen nicht lagenübergreifend verlegen – Through-Hole-Anzahl minimieren.
• d. Dünneres PCB nutzen zur Reduzierung parasitärer Parameter.
• e. Through-Holes so nah wie möglich an Power- und Ground-Pins platzieren, Leiter zwischen THT und Pins so kurz wie möglich (erhöhen sonst Induktivität). Power-/Ground-Leiter so dick wie möglich für Impedanzreduzierung.

Natürlich müssen spezifische Probleme im PCB-Design spezifisch analysiert werden. Zwei Aspekte sind unvermeidbar: Kosten und Signalqualität. Ausgewogene Betrachtung im High-Speed-PCB-Design für optimale Signalqualität bei akzeptablen Kosten.

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