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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 ) L" b* }% n1 f9 t; S
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: 8 }8 L p& w' l( x! \
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 ( ~1 N9 _6 n3 x, s+ G) Y+ b2 g, T8 @
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
5 w6 L% i* z% x2 f1 ]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,
) n8 P* r* x, I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 * S( F: X, ?9 Z% Y6 z4 x' p
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
4 J. Z5 ^5 X# U9 t. [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
- U/ c7 A2 q' C# n6 H) ]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
/ h- D& A t5 g1 _: n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,
* T: I3 s! L3 j) z均作为通孔考虑. % D$ M4 q: x& Y, `9 }
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 \' W5 M, F% F
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
$ z. O; V% t- k5 R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 R# T6 T0 E$ c: W 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 " b" m) G2 a7 G( d4 s. H8 }
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 z/ B+ }$ p6 E6 d, I
(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 1 o: z! p# f. [# ?. c9 W
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 s' o0 j x; J& E' ~. k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
. a( T+ K. i7 Q0 v7 ] x* t到8Mil.
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二、过孔的寄生电容
$ n' ]7 \! u( l. c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 3 [2 j, @9 h. ^* f/ u
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:
7 S8 `- V8 Z8 k JC=1.41εTD1/(D2-D1)
2 p/ k7 G1 b* C2 V5 X2 K$ I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 . b1 K2 ~7 S0 ^; 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, * }: f* g3 } q+ G f
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
- e9 K+ {) L# Q) A6 E9 J+ [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
" ~! f% Y* W4 b% G' W& H1 i( P8 \( c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 , \# h, a5 w( t! h' w5 M8 W9 t
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
8 k, B3 P: c% f的切换,设计者还是要慎重考虑的.( ]' q) V0 l0 T- Q
* d1 R o7 h# o三、过孔的寄生电感
$ P6 ^, U6 |" k) Z8 I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 2 S1 j) B8 S) p. c3 r
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
- j0 g% L/ ~% D& q4 ~4 {2 F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: # b0 x% t% G& K+ g3 W5 H: U; k
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
; `& A" E0 e: C: Z' h( W% ]3 X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
1 U: m/ z7 h( d5 d4 O, {) n% b* |8 }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 2 N4 R* d4 v) w( X
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
% o# T* h# q. u. H J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 0 n7 b8 b) ~/ d( x; p
过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加.
, U; R7 Q2 l/ m: ]9 H$ H% ]$ C
0 h ^" c! w% N4 V; Q四、高速PCB中的过孔设计
2 e8 M% ]6 F9 H0 e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
; I% W8 t$ C: u; T# [4 ~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, ( N) i! M9 {4 H$ A v% T
在设计中可以尽量做到: 6 `0 n I2 ?" a$ x# _$ D$ @
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 # M' z S: y. y# }; r
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 0 D/ q& C2 P# {% q2 y
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
1 H: i* w+ [$ j- R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.
4 z% u% [6 M" V8 U2 o: c0 g2、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
@1 C; k% H. n' }1 o生参数.
' _* B5 T* P2 v2 k3、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.
/ Y5 E0 L, H4 A4、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 v! U; l9 t) s1 Y/ x6 ^
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. , b5 T# |/ t B, g A9 R0 `" s) k9 J* B
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
. s V- b% a( pPCB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
2 Z- H" y5 p J/ A/ 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
! U+ g: \! z% H4 t3 ]2 b4 C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 8 z7 g1 m, o9 J1 e' F
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.8 q* H: |% v8 }2 Y7 \% b
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