Сшивка и экранирование переходными отверстиями

Главная страница: Завершение конструкции платы

Сшивка переходными отверстиями – это способ связать большие участки проводящего материала на разных слоях путем создания сильного вертикального соединения через структуру платы, что позволяет поддерживать малый импеданс и короткие возвратные петли. Сшивка переходными отверстиями также может использоваться для связывания участков проводящего материала, которые иначе были бы изолированы от своих цепей.

У экранирования переходными отверстиями другое назначение – в радиочастотных конструкциях оно помогает уменьшить перекрестные помехи и электромагнитные наводки в трассе, которая несет радиочастотный сигнал. Экран, или решетка из переходных отверстий создается путем размещения одного или множества рядов переходных отверстий вдоль пути трассы сигнала. В Altium Designer это называется экранированием переходными отверстиями.

Altium Designer поддерживает как сшивку, так и экранирование переходными отверстиями. На изображении подсвечено экранирование переходными отверстиями. Наведите курсор мыши на изображение, чтобы увидеть сшивку переходными отверстиями, которая была добавлена на эту же плату.

Используйте команды сшивки и экранирования переходными отверстиями, чтобы связать проводящие области на разных слоях и чтобы добавить "забор" из экранирующих переходных отверстий, прилегающий к пути трассы (наведите курсор мыши, чтобы подсветить экранирующие переходные отверстия).

Сначала рассмотрим сшивку переходными отверстиями, затем экранирование переходными отверстиями.

Добавление сшивки переходными отверстиями

Сшивка переходными отверстиями, запускаемая как пост-процесс, заполняет свободные проводящие области сшивающими переходными отверстиями. Чтобы сшивка переходными отверстиями была возможной, на разных слоях должны быть перекрывающиеся проводящие участки, которым назначена указанная цепь. Поддерживаемые проводящие участки включают в себя заполнения, полигоны и экраны питания.

Чтобы добавить определенной цепи сшивку переходными отверстиями, выберите команду Tools » Via Stitching/Shielding » Add Stitching to Net главного меню. Будет открыто диалоговое окно Add Stitching to Net для определения параметров сшивки (Stitching Parameters) и стиля переходных отверстий (Via Style). Исходя из выбранной цепи, алгоритм сшивания определяет все заполнения, полигоны и экраны питания этой цепи и пытается соединить их через плату с помощью указанных переходных отверстий и паттерна сшивки.

Алгоритм сшивки переходными отверстиями обрабатывает полигоны, заполнения и экраны следующим образом:

1. Полигоны и заполнения одной цепи сшиваются в местах их перекрытия на разных слоях. Если внутри этой области (на другом слое) есть полигоны или заполнения других цепей, сшивка к этой области не применяется. Сшивка происходит через перекрывающиеся области экранов других цепей.
2. Перекрывающиеся области экранов целевой цепи сшиваются всегда, независимо от наличия областей экранов других цепей (на других слоях). Если в одной области есть перекрывающиеся полигоны или заполнения, применяется правило выше.

Настройка параметров сшивки

Примечания о настройках в диалоговом окне Add Stitching to Net:

• Сначала выберите цепь (Net), которая будет использоваться для сшивки, поскольку это повлияет на другие опции, например, при нажатии кнопки Load values from Routing Via Style Rule. Выпадающее меню Net расположено в нижней средней части диалогового окна.
• Сеткой (Grid) является расстояние между центрами соседних сшивающих переходных отверстий, и она применяется в направлениях X и Y. Сшивающие переходные отверстия не будут размещены так, что это приведет к нарушению. Если место потенциального размещения переходного отверстия приведет к нарушению, это место будет пропущено.
• Если включена опция Stagger alternate rows, чередующиеся ряды сшивающих переходных отверстий будут смещены друг относительно друга на половину значения Grid.
• Опция Same Net Clearance управляет зазором между сшивающими переходными отверстиями и переходными отверстиями и контактными площадками той же цепи. Есть два способа управления зазором между объектами одной цепи: использование применимого правила проектирования Clearance или значения Default Via/Pad Clearance, указанного в диалоговом окне. Если существует применимое правило, то будет использоваться более строгое ограничение из этих двух настроек. Используйте кнопку Create new clearance rule, чтобы добавить в диалоговое окно правил новое правило проектирования Clearance на основе настроек, которые введены в поле Default Via/Pad Clearance.
• Стиль сшивающих переходных отверстий Via Style может быть настроен вручную, его можно выбрать из доступных шаблонов в выпадающем меню Template либо его можно импортировать из применимого правила проектирования Routing Via Style нажатием кнопки Load values from Routing Via Style Rule. Нажмите эту кнопку, чтобы загрузить настройки Preferred из правила.

Ограничение области сшивки переходными отверстиями

Сшивающие переходные отверстия могут занять всю плату, либо их область может быть ограничена пользователем. Когда сшивка находится внутри области, определенной пользователем, эту область переходных отверстий можно интерактивно перемещать и изменять ее размер нужным образом.

Включите опцию Constrain Area, чтобы задать пользовательское ограничение области сшивающих переходных отверстий.

Чтобы ограничить сшивку переходными отверстиями определенной областью, включите опцию Constrain Area в диалоговом окне Add Stitching to Net, как показано выше. После включения этой опции диалоговое окно закроется и курсор изменит свой вид на перекрестие для определения области – обратите внимание, что в строке состояния будет отображен запрос Select the first point of the area.

Процесс определения области сшивки переходными отверстиями аналогичен определению сплошного региона или полигона:

• Щелкайте ЛКМ для определения набора вершин (углов).
• Щелкните ПКМ, чтобы выйти из режима размещения и автоматически замкнуть и завершить область.

В процессе размещения доступен ряд различных режимов углов:

• Нажимайте сочетание клавиш Shift+Пробел для перебора режимов углов (возможно, режим прямого угла будет наиболее подходящим).
• Нажмите клавишу Пробел для переключения направления угла.
• Нажмите клавишу 1 для переключения между размещением одного и двух ребер за один щелчок ЛКМ.

Используйте Shift+Пробел для перебора режимов углов, Пробел для переключения направления угла, 1 для переключения между размещением одного и двух ребер за один щелчок ЛКМ.

После определения области вы вернетесь в диалоговое окно Add Stitching to Net, чтобы задать остальные настройки. Нажмите OK по завершении, и Altium Designer проанализирует эту область, определит места потенциального размещения переходных отверстий и разместит сшивающие переходные отверстия.

Изменение пользовательской области сшивки переходными отверстиями

Переходные отверстия каждой уникальной области сшивки собраны в объединение (Union – набор объектов, которые определяются редактором плат как единая группа). Вы можете перемещать объединение целиком и изменять размер области.

Чтобы изменить сшивку переходными отверстиями, которые ограничены областью:

• Переместите мышь с зажатой ЛКМ для выделения объектов внутри области (слева направо) так, чтобы рамка включала в себя одно или множество сшивающих переходных отверстий. Будет отображена граница области сшивки, как показано на анимации ниже.
• Чтобы переместить объединение сшивающих переходных отверстий, наведите курсор мыши на внутреннюю часть области, и когда курсор изменит свой вид на , зажмите ЛКМ и переместите область в новое место.
• Чтобы изменить размер объединения сшивающих переходных отверстий путем перемещения ребра, наведите курсор мыши на ребро, и когда курсор изменит свой вид на , зажмите ЛКМ и переместите ребро в новое место.
• Чтобы изменить размер объединения сшивающих переходных отверстий путем перемещения вершины, наведите курсор мыши на вершину, и когда курсор изменит свой вид на , зажмите ЛКМ и переместите вершину в новое место.
• Когда вы отпустите ЛКМ, будет отображен запрос Re-generate via stitching?. Нажмите Yes, чтобы обновить сшивку переходными отверстиями в соответствии с новым местом/формой области.

Выделите область сшивки с помощью рамки, затем наведите курсор в нужное место области и переместите или измените размер области.

Добавление экранирования переходными отверстиями для цепи

Чтобы разместить экран из переходных отверстий вокруг растрассированной цепи, выберите команду Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net главного меню. Будет открыто диалоговое окно Add Shielding to Net для определения параметров экранирования (Shielding Parameters) и стиля переходных отверстий (Via Style). Переходные отверстия будут размещены по обеим сторонам от выбранной цепи, где это это возможно в соответствии с применимыми правилами проектирования.

Настройка параметров экранирования

Примечания о настройках в диалоговом окне Add Shielding to Net и использованию экранирующих переходных отверстий:

• Сначала выберите цепь (Net), которая будет экранироваться, поскольку это повлияет на другие опции, например, при нажатии кнопки Load values from Routing Via Style Rule.
• Если вы не хотите экранировать всю цепь, сначала выделите нужный сегмент трассы, выберите команду Add Shielding to Net и включите опцию Selected Objects.
• Для экранирования дифференциальной пары добавьте экранирование к каждой цепи в паре.
• Используйте опцию Add shielding copper, чтобы добавить полигон поверх экранирующих переходных отверстий. Включите опцию Add clearance cutout, чтобы обрезать полигон так, чтобы он включал в себя только переходные отверстия. Узнайте больше об этих опциях в разделе Добавление экранирующей меди к сшивке ниже.
• Стиль экранирующих переходных отверстий (Via Style) может быть настроен вручную, его можно выбрать из доступных шаблонов в выпадающем меню Template либо его можно импортировать из применимого правила проектирования Routing Via Style нажатием кнопки Load values from Routing Via Style Rule. Нажмите эту кнопку, чтобы загрузить настройки Preferred из правила.

• Нет принципов определения точных размеров и размещения экранирующих переходных отверстий, но существуют рекомендации, выведенные на основе эмпирических испытаний.

  • Как было отмечено на одном из дискуссионных форумов⁽⁵⁾ при обсуждении платы с антенной, "расстояние между переходными отверстиями должно составлять не более 1/4 от резонансной длины волны" ("the distance between vias should be 1/4 your resonant wavelength at the most").
  • Обсуждение на этом форуме также ссылается на техническое указание⁽⁶⁾, где утверждается, что "распространенным эмпирическим правилом является расположение сшивающих переходных отверстий на расстоянии не больше λ/10 друг от друга, предпочтительнее – λ/20" ("the common rule of thumb is to locate stitch vias no further apart than λ/10 and preferably as often as λ/20").

Добавление экранирующей меди к сшивке

Помимо добавления экранирующих переходных отверстий вдоль каждой из сторон трассы, вы также можете добавить экранирующую медь, как показано на изображении ниже. Для этого включите опцию Add shielding copper. Медь будет создана полигоном, так что она будет следовать применимым правилам проектирования Clearance и Polygon Connect Style.

Опция Add shielding copper добавит полигон поверх экранирующих переходных отверстий. Граница полигона, которая расположена дальше от экранируемой цепи, будет касаться края переходных отверстий. Граница полигона, которая расположена рядом с экранируемой цепью, будет иметь отступ от этой цепи в соответствии с правилом проектирования Clearance. Если также включена опция Add clearance cutout, полигон будет иметь отступ от экранируемой цепи в соответствии с настройкой Distance в диалоговом окне Add Shielding to Net. Наведите курсор мыши на изображение, чтобы увидеть различия.

Экранирующие переходные отверстия вокруг цепи с включенной опцией размещения выреза. Наведите курсор мыши на изображение, чтобы увидеть результат, когда эта опция отключена.

Определение переходных отверстий, входящих в массив сшивки или экранирования

Каждое переходное отверстие в массиве сшивки или экранирования отличается добавленной строкой в названии цепи, например [VS1], как показано на изображении ниже, где:

• VS – Via Stitching (Сшивка переходными отверстиями); число указывает, что это переходное отверстие принадлежит тому же объединению сшивающих переходных отверстий, что и остальные переходные отверстия с тем же номером.
• VSH – Via SHielding (Экранирование переходными отверстиями); число указывает, что это переходное отверстие принадлежит тому же объединению экранирующих переходных отверстий, что и остальные переходные отверстия с тем же номером.

У переходных отверстий, которые принадлежат массиву, в названии цепи есть дополнительная строка, например [VS1] для первой группы сшивающих переходных отверстий или [VSH4] для четвертой группы экранирующих переходных отверстий.

Выделение и редактирование сшивающих и экранирующих переходных отверстий

Чтобы упростить процесс работы с массивами сшивающих/экранирующих переходных отверстий, они группируются в объединения.

Выделение с помощью панели PCB

Для выделения массива переключите панель PCB в режим Unions и выберите нужное объединение Via Stitching или Via Shielding. Если в панели включена опция Select (как показано на изображении ниже), будут выделены все переходные отверстия, которые входят в массив. Либо дважды щелкните ЛКМ по переходному отверстию в массиве, чтобы открыть панель Properties в режиме Via Stitching или Via Shielding и внести изменения в массив.

Используйте панель PCB в режиме Unions, чтобы выделить все переходные отверстия в сшивающем или экранирующем массиве. На этом изображении выделены все четыре объединения экранирующих переходных отверстий.

Интерактивное выделение

Работа выделения:

• Можно выделить и удалить отдельное сшивающее/экранирующее переходное отверстие.
• Если на странице PCB Editor - General диалогового окна Preferences включена опция Popup Selection Dialog, при щелчке ЛКМ по отдельному переходному отверстию, которое принадлежит объединению, будет открыт список, который включаете в себя это объединение, как показано на изображении выше. Когда объединение выделено, его можно удалить.

• Если диалоговое окно Popup Selection не включено, то при щелчке ЛКМ по отдельному переходному отверстию, которое принадлежит объединению, произойдет следующее:

  • При первом щелчке ЛКМ будет выделено отдельное переходное отверстие.
  • При втором и последующих щелчках ЛКМ будет выделен следующий объект в порядке выделения, используемом при наличии перекрывающихся объектов, например: компонент, полигон, объединение переходных отверстий (если эти объекты находятся под курсором).
  • Либо после первого щелчка ЛКМ для выбора отдельного переходного отверстия нажмите сочетание клавиш Shift+Tab, чтобы вызвать команду Select Overlapping. Продолжайте нажимать Shift+Tab для перебора перекрывающихся объектов, выделяя их по очереди.
• Объединение сшивающих переходных отверстий, которое ограничено областью, можно выделить с помощью рамки выделения для объектов внутри (перетащив мышь с зажатой ЛКМ слева направо), поместив в рамку любое переходное отверстие в объединении, как показано на видео в разделе Изменение пользовательской области сшивки переходными отверстиями этой страницы.

Редактирование сшивающих или экранирующих переходных отверстий

Свойства сшивающего или экранирующего переходного отверстия могут быть изменены в панели Properties в режиме Via Stitching или Via Shielding после его выделения.

Пример внесения изменения в экранирование переходными отверстиями.

При изменении какого-либо свойства в панели, в ее нижней части будет отображено сообщение Changes pending и кнопки – используйте нужную кнопку, чтобы завершить изменение.

Обновление полигонов после изменения объединения сшивающих/экранирующих переходных отверстий

По завершении определения сшивки необходимо перезалить полигоны, если в применимом правиле проектирования Polygon Connect Style указан стиль подключения термобарьером. Это можно сделать с помощью команд в меню Tools » Polygon Pours.

Для дальнейшего чтения

1. Для получения информации обо всех аспектах конструирования плат перейдите на сайт Printed Circuit Design and Fab Magazine. Это превосходный ресурс на различные технические темы, такие как важность решетки переходных отверстий ("via fence" – используйте кавычки, чтобы улучшить качество результатов поиска).
2. Статья Wikipedia: Via Fence
3. Studies on Via Coupling on Multilayer Printed Circuit Boards
4. Документ о базовых принципах распространения электромагнитных волн в структуре платы: Best practice in circuit board design
5. Дискуссионный форум, где был задан вопрос Via fences for noise reduction of a chip antenna?
6. PCB design techniques for lowest-cost EMC compliance: part 1’ M K Armstrong. Electronics & Communications Engineering Journal Vol 11 No 4. IEE, August 1999