高速PCB过孔要注意哪些事（上）

时间：2022-05-18作者：深圳市造物工场科技有限公司浏览：198

高速PCB过孔要注意哪些事（上）

过孔（via）是多层PCB线路板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**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**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。




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。




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，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**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，那么，一般条件下PCB 厂家能提供的钻孔直径只能达到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6Mil 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。




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。




过孔的寄生电容

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）




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，如果使用内径为10Mil，焊盘直径为20Mil的过孔，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，EDA365电子论坛提醒设计者还是要慎重考虑的。




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