PCB過孔的基本概念及注意事項

1、PCB過孔的基本概念及注意事項一 過孔 的基本概念過孔(via )是多層PCB的重要組成部分之一，鉆孔的費 用通常占PCB制板費用的30%到40%簡單的說來，PCB 上的每一個孔都可以稱之為過孔。 從作用上看， 過孔可以 分成兩類： 一是用作各層間的電氣連接； 二是用作器件的 固定或定位。 如果從工藝制程上來說， 這些過孔一般又分 為三類，即盲孔 (blind via) 、埋孔 (buried via) 和通孔 (through via) 。盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面， 具有一定深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接， 孔的深度通常不超過一定的比率 (孔徑)。埋孔是指位于印 刷線路板

2、內(nèi)層的連接孔， 它不會延伸到線路板的表面。 上 述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層， 層壓前利用通孔成型工藝 完成， 在過孔形成過程中可能還會重疊做好幾個內(nèi)層。 第 三種稱為通孔， 這種孔穿過整個線路板， 可用于實現(xiàn)內(nèi)部 互連或作為元件的安裝定位孔。 由于通孔在工藝上更易于 實現(xiàn)， 成本較低， 所以絕大部分印刷電路板均使用它， 而 不用另外兩種過孔。以下所說的過孔，沒有特殊說明的， 均作為通孔考慮。從設(shè)計的角度來看， 一個過孔主要由兩個部分組成， 一是 中間的鉆孔( drill hole ) , 二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。很顯然，在高速 , 高密度的PCB設(shè)計時，設(shè)計者

3、總是希望過孔越小越好，這樣板上可以留有更多的布線空間， 此外， 過孔越小， 其自 身的寄生電容也越小， 更適合用于高速電路。 但孔尺寸的 減小同時帶來了成本的增加， 而且過孔的尺寸不可能無限 制的減小，它受到鉆孔 (drill) 和電鍍( plating )等工 藝技術(shù)的限制： 孔越小， 鉆孔需花費的時間越長， 也越容 易偏離中心位臵；且當(dāng)孔的深度超過鉆孔直徑的 6 倍時， 就無法保證孔壁能均勻鍍銅。比如，如果一塊正常的 6 層PCB板的厚度(通孔深度)為 50Mil，那么，一般條件 下PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到 8Mil。隨著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展， 鉆孔的尺寸也可以越來越小， 一般

4、 直徑小于等于 6Mils 的過孔，我們就稱為微孔。在 HDI (高密度互連結(jié)構(gòu)) 設(shè)計中經(jīng)常使用到微孔， 微孔技術(shù)可 以允許過孔直接打在焊盤上( Via-in-pad )，這大大提 高了電路性能，節(jié)約了布線空間。 過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點， 會造成信號的 反射。 一般過孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右， 比如 50歐姆的傳輸線在經(jīng)過過孔時阻抗會減小6 歐姆(具體和過孔的尺寸，板厚也有關(guān)，不是絕對減小)。 但過孔因為阻 抗不連續(xù)而造成的反射其實是微乎其微的， 其反射系數(shù)僅 為： (44-50)/(44+50)=0.06 ，過孔產(chǎn)生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響二、過孔的寄生

5、電容和電感 過孔本身存在著寄生的雜散電容， 如果已知過孔在鋪地層 上的阻焊區(qū)直徑為 D2,過孔焊盤的直徑為D1,PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為&,則過孔的寄生電容大小近似于：C=1.41 & TD1/(D2-D1)過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號 的上升時間， 降低了電路的速度。 舉例來說， 對于一塊厚 度為50Mil的PCB板，如果使用的過孔焊盤直徑為20Mil(鉆孔直徑為 10Mils )，阻焊區(qū)直徑為 40Mil, 則我們可 以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.3

6、1pF 這部分電容引起的上升時間變化量大致為：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps 從這些數(shù)值可以看出， 盡管單個過孔的寄生電容引起的上 升延變緩的效用不是很明顯， 但是如果走線中多次使用過 孔進(jìn)行層間的切換， 就會用到多個過孔， 設(shè)計時就要慎重 考慮。實際設(shè)計中可以通過增大過孔和鋪銅區(qū)的距離 ( Ant i -pad )或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容。 過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感， 在高速數(shù)字 電路的設(shè)計中， 過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生 電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的貢獻(xiàn)， 減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。 我們

7、可以用下面的經(jīng)驗公 式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感： L=5.08hln(4h/d)+1其中 L 指過孔的電感， h 是過孔的長度， d 是中心鉆孔的 直徑。從式中可以看出，過孔的直徑對電感的影響較小， 而對電感影響最大的是過孔的長度。仍然采用上面的例 子，可以計算出過孔的電感為：L=5.08x0.050ln(4x0.050/0.010)+1=1.015nH 如果信號的上升時間是 1ns ，那么其等效阻抗大小為： XL= n L/T10-90=3.19 Q。這樣的阻抗在有高頻電流的通過已 經(jīng)不能夠被忽略， 特別要注意， 旁路電容在連接電源層和 地層的時候需要通過兩個過孔， 這樣過孔的寄生

8、電感就會 成倍增加。三、如何使用過孔通過上面對過孔寄生特性的分析， 我們可以看到， 在高速PCB設(shè)計中，看似簡單的過孔往往也會給電路的設(shè)計帶來 很大的負(fù)面效應(yīng)。 為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影 響，在設(shè)計中可以盡量做到：1 從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮，選擇合理尺寸的過孔 大小。必要時可以考慮使用不同尺寸的過孔， 比如對于電 源或地線的過孔，可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗， 而對于信號走線， 則可以使用較小的過孔。 當(dāng)然隨著過孔 尺寸減小，相應(yīng)的成本也會增加。2. 上面討論的兩個公式可以得出，使用較薄的PCB板有 利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。3. PCB板上的信號走線盡量不換層，也就是說盡量不要 使用不必要的過孔。4. 電源和地的管腳要就近打過