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藤井树

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原创 PCB设计指南(7)过孔via

 2010-1-26 17:09  13401 11 20 分类: PCB

PCB设计指南(1)PCB板材料<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

Via(过孔)

“过孔”通常指印刷电路板上的镀锡过孔。在许多应用中要求通孔足够大以适应直插元件的管脚，而在高速电路板主要用过孔来改变走线所走的信号层，或者用过孔来连接SMT(表面贴元件)到所要求的参考平面，也有的是用过孔来连接相同电位的参考平面。

过孔的分类

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盲孔(Blind Via)：指位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，孔的深度与孔径通常有一定的比率。

埋孔(Buried Via)：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。

通孔）：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。通孔在工艺上好实现，成本较低，所以一般印制电路板均使用通孔。

通常如果是用于走线变换信号层的过孔一般采用绿油覆盖或绿油填充过孔，而用于测试的过孔通常要露出镀锡焊盘。BGA芯片扇出的过孔，一般情况下是要用绿油覆盖的，而不管PCB板的设计怎么或者你是否有要求，BGA球之间本来就很靠近，过孔焊盘的裸露很容易就会导致BGA焊球与过孔短路。采用Protel或Allegro等PCB设计软件时，修改相应的过孔绿油层即可，或在最后出gerber文件时不出绿油层gerber即可。

过孔的容性(Capacitance of Via)

由于受成本的限制，一般的PCB板设计都只使用通孔，本文下面所说的过孔(via)都是指通孔(Through Via)。

每个过孔都有对地的寄生电容。寄生电容的近似计算公式如下：

D₂=(Anti Pad)地平面的绝缘直径，单位inch

D₁=(Regular Pad)过孔周围的焊盘直径，单位inch

ε_r=电路板材料的介电常数

C=过孔的寄生电容，单位pF因为这个电容与过孔的大小成正比，所以高速电路设计中走线过孔必须尽可能小，以避免由于大电容负载而使得信号衰减。由上边公式也可以知道，如果焊盘尺寸(D₁)接近于绝缘孔直径(D₂)，过孔的寄生电容就会更大。因此绝缘孔直径要比过孔焊盘尺寸要大得多，一般取值：(可参考Allegro学习笔记之7——焊盘设计)

Regular Pad >= DRILL_SIZE + 16MIL (DRILL_SIZE<50)（<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />0.4mm 1.27）
Regular Pad >= DRILL_SIZE + 30MIL (DRILL_SIZE>=50)（0.76mm 1.27）
Regular Pad >= DRILL_SIZE + 40MIL (钻孔为矩形或椭圆形时)（1mm）

Anti Pad直径＝Regular Pad直径＋10mil

过孔的电感(Inductance of Vias)

当过孔连接去耦电容到地平面或通过过孔把地平面之间连起来时，过孔的电感变得比它的电容更重要。每个过孔都有寄生串联电感。过孔的物理结构很小，就像电路连接到一个元件。寄生串联电感的首要影响在于它减弱电流旁路电容的作用，这将危害整个电源滤波的设计。

电感的大小近似：

L=过孔的电感，单位nH

h=过孔的长度，单位inch(通孔Through Via的话，h相当于板厚board thickness)

d=过孔的直径，单位inch(电镀通孔的内表面直径，等于Drill Size+Via Plating Thickness)，其中如果采用直插元件

DRILL_SIZE >= PHYSICAL_PIN_SIZE + 10MIL

因为这个等式用到了对数，所以改变过孔的孔径对电感的影响很小。

减小过孔的长度(电路板板厚)或并联使用多过孔(相当于并联多几个电感)能使电感的值减小。因此，在每个器件的管脚端用两个并联的过孔连接去耦电容到地平面。板上每隔一段距离打多个过孔连接到地平面，能得到很小对地寄生电感。

还要注意的是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，钻孔加工工艺越难，需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置；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，现在正常的一块6层PCB板的厚度（通孔深度）为50Mil左右，所以一般PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。下图是北京普林拓展的PCB的技术指标：

http://www.plpcb-fpc.com/yxdlb.asp

过孔电容电感计算例子：

D₂=50mil

D₁=28mil

ε_r=4.7

过孔的电容为

h=63mil

d=16mil(镀锡过孔的内径)

这部分电容引起的上升时间变化量为

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，设计者还是要慎重考虑的。

过孔的电感为

如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：

这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略

关于过孔电容和电感的就算也可以用Saturn PCB Design Toolkit软件计算，Saturn PCB Design Toolkit下载地址：

http://www.saturnpcb.com/pcb_toolkit.htm

可以看到软件计算的结果与手算的结果一致。

Saturn PCB Design Toolkit的软件帮助如下

http://www.saturnpcb.com/toolkit_help.htm

连续返回电路路径

尽管推荐不要改变高速信号走线的所在的信号层，但有时候还是需要改变走线的层，这时候必须确保连续的返回电流路径。下图的图(1)显示了单层信号层改变，图(2)显示了多层信号层改变。

(1)单层改变的返回电流路径

如果只有一层参考平面(Ground plane)的话，返回电流路径如上图所示。

(2)多层改变的返回电流路径

如果有两层参考平面都是Ground plane的话，在这种情况下，应该在信号过孔旁边放置一个连接两个地平面的过孔，确保返回电流路径连续。返回电流路径如上图所示。

如果参考平面是两个不同的电位，如一层是电源，一层是地平面，如上图，这样的话，电流返回路径变得很乱，因为这需要三个过孔和一个去耦电容。回路电流路径从电源层开始，再穿过电源过孔，通过去耦电容流到地过孔，最后回到地平面。

电流的返回路径有多个过孔和去耦电容组成，形成好大的电感，因此破坏了信号完整性和增加了电磁干扰(EMI)。如果可能，高速走线尽量避免变换叠层，不然的话，会使板子性能恶化使设计变复杂，和增加了生产成本。

高速PCB中的过孔设计

根据过孔的寄生特性分析，可以看到在高速PCB设计中，Via的使用回个电路设计带来了很大的负面效应，为了减小过孔的寄生效应，我们在实际设计PCB板的时候要注意：

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板子(如有BGA封装)，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。

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生参数。

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。

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。

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PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。

过孔的应用实例分析

PCB板的过孔，按其作用分类，可以分为以下几种：

1) 信号过孔(过孔结构要求对信号影响最小)

2) 电源、地过孔(过孔结构要求过孔的分布电感最小)

3) 散热过孔(过孔结构要求过孔的热阻最小)

上图的过孔是接地过孔，在走线的Via孔附近加接地Via孔德作用是给信号提供一个最短的回流路径。信号在换层的过孔，就是一个阻抗的不连续点，信号的回流路径将从这里断开，为了减少信号的回流路径所包围的面积，必须在信号过孔的周围打一些地过孔提供最短的信号回流路径，减少信号的EMI辐射。这种辐射随信号的频率的提高而明显增加。