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PCB上的過孔需要留意

發(fā)布人:電巢 時間:2022-11-16 來源:工程師 發(fā)布文章

過孔(via)是多層PCB線路板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%。



簡單地說來,PCB上的每一個孔都可以稱之為過孔。


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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。





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,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置;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只能達到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,一般直徑小于等于6Mil 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),不是減?。?。




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。




過孔的寄生電容


過孔本身存在著對地的寄生電容,如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為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ε,則過孔的寄生電容大小近似于:C=1.41εTD1/(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,如果使用內(nèi)徑為10Mil,焊盤直徑為20Mil的過孔,焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil,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/(0.032-0.020)=0.517pF



這部分電容引起的上升時間變化量為:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps




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行層間的切換,EDA365電子論壇提醒設(shè)計者還是要慎重考慮的。





過孔的寄生電感


同樣,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,減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。




我們可以用下面的公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感:L=5.08h[ln(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=5.08x0.050[ln(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=πL/T10-90=3.19Ω




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,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。





高速PCB中的過孔設(shè)計


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)計中可以盡量做到以下幾方面:




  • 從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔。


  • 比如對6-10層的內(nèi)存模塊PCB設(shè)計來說,選用10/20Mil(鉆孔/焊盤)的過孔較好,對于一些高密度的小尺寸的板子,也可以嘗試使用8/18Mil的過孔。



  • 目前技術(shù)條件下,很難使用更小尺寸的過孔了。


  • 對于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗。



  • 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)。




  • 電源和地的管腳要就近打過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好,因為它們會導(dǎo)致電感的增加。同時電源和地面的引線要盡可能粗,以減少阻抗。




  • PCB板上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量減少不必要的過孔。




  • 在信號斷層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過孔。當(dāng)然,在設(shè)計時還需要靈活多變。前面討論的過孔模型是每層均有焊盤的情況,有的時候,我們可以將某些層的焊盤減小甚至去掉。




特別是在過孔密度非常大的情況下,可能會導(dǎo)致在鋪銅層形成一個隔斷回路的斷槽,解決這樣的問題除了移動過孔的位置,我們還可以考慮將過孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小。





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,看似簡單的過孔使用不當(dāng)往往也會給電路的設(shè)計帶來很大的負面效應(yīng)。


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