PCB过孔的基本概念

fordies1

1 过孔的基本概念

) Z; w( R: K) [+ I& ^  C; ^过孔(via)是多层PCB的重要组成部分之一，钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。简单的说来，PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。从作用上看，过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接;二是用作器件的固定或定位。如果从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以绝大部分印刷电路板均使用它，而不用另外两种过孔。以下所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。
/ B# g3 r4 ]* e' T
, `6 i8 [) Z; k5 Z* h从设计的角度来看，一个过孔主要由两个部分组成，一是中间的钻孔(drill hole)，二是钻孔周围的焊盘区。这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。很显然，在高速，高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔(drill)和电镀(plating)等工艺技术的限制：孔越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置;且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。比如，如果一块正常的6层PCB板的厚度(通孔深度)为50Mil.

9 X; i8 t( j+ O; {" \那么，一般条件下PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。随着激光钻孔技术的发展，钻孔的尺寸也可以越来越小，一般直径小于等于6Mils的过孔，我们就称为微孔。在HDI(高密度互连结构)设计中经常使用到微孔，微孔技术可以允许过孔直接打在焊盘上(Via-in-pad)，这大大提高了电路性能，节约了布线空间。

9 |) q  I2 h; c* d过孔在传输线上表现为阻抗不连续的断点，会造成信号的反射。一般过孔的等效阻抗比传输线低12%左右，比如50欧姆的传输线在经过过孔时阻抗会减小6欧姆(具体和过孔的尺寸，板厚也有关，不是绝对减小)。但过孔因为阻抗不连续而造成的反射其实是微乎其微的，其反射系数仅为：(44-50)/(44+50)=0.06，过孔产生的问题更多的集中于寄生电容和电感的影响。
/ U5 e6 q" a8 @5 F+ v8 ~3 _
) x# F9 p9 g1 W! b4 c2 过孔的寄生电容和电感

$ _4 o- n/ v! Z过孔本身存在着寄生的杂散电容，如果已知过孔在铺地层上的阻焊区直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于：C=1.41εTD1/(D2-D1)
5 q. ?/ K/ `5 c( n
过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用的过孔焊盘直径为20Mil(钻孔直径为10Mils)，阻焊区直径为40Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：
1 p+ f) Y* b1 Y) f: ~1 ~
' F& i: N7 ?1 S0 bC=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF

- E- K" `, c$ `$ z. x这部分电容引起的上升时间变化量大致为：

T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps

从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，就会用到多个过孔，设计时就要慎重考虑。实际设计中可以通过增大过孔和铺铜区的距离(Anti-pad)或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。

过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的经验公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：
- t4 ?% q& O/ c7 p
L=5.08h[ln(4h/d)+1]
* x) c! O+ b$ K, R
9 _: ~8 b  O' h) {3 y/ C其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：

! W: V- o/ E7 i# r0 T( oL=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
4 P: x& U% g8 `- E% j( Y: ^
! G7 R% e4 y& y4 j3 x' B如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
& M# S( c$ O( Q4 j
9 K0 _3 U# ?  Q$ ^) A, A: j3 如何使用过孔

通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：

( h$ o. w/ |% d3 J" AA 从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。必要时可以考虑使用不同尺寸的过孔，比如对于电源或地线的过孔，可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗，而对于信号走线，则可以使用较小的过孔。当然随着过孔尺寸减小，相应的成本也会增加。

5 e/ g# D% O6 o1 e+ w2 F; `8 G5 ?B 上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。

C PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
& P& k3 e9 O: u* ~. F2 x$ f
D 电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好。可以考虑并联打多个过孔，以减少等效电感。
  }6 g  @0 `  N) `- {9 r
E 在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地过孔。

4 M& ~2 P: A% s+ A# ~- Z, CF 对于密度较高的高速PCB板，可以考虑使用微型过孔。

8 m+ F  A( W: c6 i' H. C# |- d! m2 H

weqewq

过孔的寄生电容和电感是很重要的小知识点

lhprjj

T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps计算公式怎么来的？？？

522353184@qq.co

很有用的知识点，感谢