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 ( i9 f& r8 k0 V. f5 E
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: . k- S/ Z$ C) x" e9 f
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
& Y4 J+ U" r8 M5 ]1 p- Z. `* z/ V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
: a J }( h: R. y& E$ m* v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, $ i. F, @2 @% o' F& K, s' u
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
3 d ~6 w5 O/ k, p5 a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
6 e ?4 w, v" i% T& k) g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 ' d" y* v2 J# P j
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
q4 d$ U, D" h0 s2 z3 f& Z1 g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, - i% v: e# L+ X0 G/ N
均作为通孔考虑.
( _( w" |0 C- x$ |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
+ G4 c7 P2 c" g6 O+ h2 j- w钻孔周围的焊盘区,见下图.这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小.很显然,在高速,高
0 J& e6 z0 P3 F' N5 y4 O+ \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 6 o. @) k' a# _# L3 P
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
u* s* \. j0 L$ _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
$ }5 _2 z8 x" @4 Z7 v; r; _* E(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
4 @( J/ \3 n% n" g# j% M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,现在正常的 4 {. K7 Y' @0 M# _' D0 V
一块6层PCB板的厚度(通孔深度)为50Mil左右,所以PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达 8 U! Q+ g2 }$ o' P
到8Mil.
( b' d* c' V+ ^, H1 V. e% {$ s# i3 q, v7 U& e# y; a
二、过孔的寄生电容
" _0 O) g+ S& [! G1 `$ A6 ?& L$ X% ?过孔本身存在着对地的寄生电容,如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的
2 i Q9 |: r/ _# G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: 0 ?8 U4 I" Y+ q" B1 s
C=1.41εTD1/(D2-D1)
! g! F* Z6 n- ~' D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 % U$ n; W" p6 W" }" ]
例来说,对于一块厚度为50Mil的PCB板,如果使用内径为10Mil,焊盘直径为20Mil的过孔,
1 T3 J0 L7 i+ r5 \) I0 n3 c焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,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 & C6 \9 } L! `7 V
是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF,这部分电容引起的上升时间变化量 $ z$ a7 A1 _5 Z9 E, U4 q
为:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps .从这些数值可以看出,尽管单个过 # G6 a% r0 ^6 x6 C# q
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
' R* z' a0 u; J- k7 P的切换,设计者还是要慎重考虑的.
! o8 M3 F; \6 p
v' g: q9 S! m7 E1 S6 ]三、过孔的寄生电感
, o; ]3 Q+ v' O: h% w4 h, {同样,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 3 G# i% {' u1 j. z1 B* f
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
1 X* }- h% o/ K8 W& E6 P4 a$ ]整个电源系统的滤波效用.我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感: 8 j! ~; g, a# z# e( G& j9 f
L=5.08h[ln(4h/d) 1]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
: g1 ^5 N8 r! | V( a5 N+ s$ o& g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
/ ^6 `8 X& n, E0 d的例子,可以计算出过孔的电感为 =5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010) 1]=1.015nH .如果
! \+ S/ A- q& C. v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 . G, X( X6 Y. s: V* v
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 & X+ Q( V3 Y+ Z: h) F6 k& X
过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加.0 w: X/ R8 g: r1 t8 r8 ]
H& w! C. }, ~7 K四、高速PCB中的过孔设计
' u$ `* [7 h* }# T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 . e0 \ Y8 N; N! R7 m3 [' d" W& X
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,
2 M1 }7 r/ s- X* {8 h |在设计中可以尽量做到: 6 N1 c9 I3 E2 H- t
1、从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小.比如对6-10层的内
, \- ^! u$ |# h( a9 O存模块PCB设计来说,选用10/20Mil(钻孔/焊盘)的过孔较好,对于一些高密度的小尺寸的
+ j) O4 t. _; t8 Q$ f9 U0 K% x板子,也可以尝试使用8/18Mil的过孔.目前技术条件下,很难使用更小尺寸的过孔了.对
0 @) p. i0 K ^6 X% x于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗. + y9 i# c0 u. z8 N
2、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 6 V7 n& x0 H n- g" Y! J3 J6 w4 Y
生参数. ) ?; M/ T$ R2 R5 O
3、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. 5 c1 ]9 P4 J. R7 v
4、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,因为它们会
4 u# N6 M3 l8 U* j导致电感的增加.同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗.
# @8 E) P3 p' m. _- q# i9 t5 |5、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 : J+ p7 g8 E0 Y
PCB板上大量放置一些多余的接地过孔.当然,在设计时还需要灵活多变.前面讨论的过孔 # y1 X" k; ]9 B" U% a2 X
模型是每层均有焊盘的情况,也有的时候,我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉.特别是
! e/ m, D+ s* B: k. d4 b在过孔密度非常大的情况下,可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽,解决这样的问 7 p( y* U2 `& l) \
题除了移动过孔的位置,我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小.* Q: c& F. C4 T1 A% l2 N7 t( O
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