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PCB上的过孔需要留意哪些?

2021-7-15 16:56:52 显示全部楼层
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%。

简单地说来,PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。

PCB上的过孔需要留意

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;且当孔的深度超过钻孔直径的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。

过孔的寄生电感

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: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。

从式中可以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响的是过孔的长度。

仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH

如果信号的上升时间是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过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

高速PCB中的过孔设计

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,在设计中可以尽量做到以下几方面:

    从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔。

    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,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。

    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。

    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。同时电源和地面的引线要尽可能粗,以减少阻抗。

    PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量减少不必要的过孔。

    在信号断层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。当然,在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况,有的时候,我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。

特别是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。

如何使用过孔: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,看似简单的过孔使用不当往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。

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