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PCB鉆孔

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PCB電路板過(guò)孔對(duì)高頻信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h1>

發(fā)布日期:2021-07-26

一、PCB過(guò)孔的基本概念


過(guò)孔(via)是多層PCB的重要組成部分之一,鉆孔的費(fèi)用通常占線(xiàn)路板制作費(fèi)用的30%到40%。大多數(shù)的PCB線(xiàn)路板廠都可以處理任何尺寸的鉆孔,只是需要注意的是,如果電路板上的所有孔的尺寸都相同,那生產(chǎn)過(guò)程,特別是鉆孔工序?qū)⑹欠浅8咝У模驗(yàn)檫@將使得鉆孔過(guò)程更加節(jié)省大量的時(shí)間。鉆孔的過(guò)孔從0.15mm開(kāi)始,0.3mm的焊盤(pán),都可以根據(jù)要求進(jìn)行鉆孔,但是,不同的尺寸可能需要手動(dòng)鉆孔,這無(wú)疑將增加生產(chǎn)成本。小于0.15mm的過(guò)孔只能用激光鉆孔。帶有 0.6 毫米孔和 1 毫米焊盤(pán)的通孔是大多數(shù) PCB電路板上最常見(jiàn)的尺寸。簡(jiǎn)單的說(shuō)來(lái),PCB 上的每一個(gè)孔都可以稱(chēng)之為過(guò)孔。

PCB電路板上的過(guò)孔

從作用上看,過(guò)孔可以分成兩類(lèi):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(lái)說(shuō),這些過(guò)孔一般又分為三類(lèi),即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。


盲孔位于印刷線(xiàn)路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線(xiàn)路和下面的內(nèi)層線(xiàn)路的連接,孔的深度通常不超過(guò)一定的比率(孔徑)。


埋孔是指位于印刷線(xiàn)路板內(nèi)層的連接孔,它不會(huì)延伸到線(xiàn)路板的表面。


上述兩類(lèi)孔都位于線(xiàn)路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過(guò)孔形成過(guò)程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。


第三種稱(chēng)為通孔,這種孔穿過(guò)整個(gè)線(xiàn)路板,可用于實(shí)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(shí)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(guò)孔。以下所說(shuō)的過(guò)孔,沒(méi)有特殊說(shuō)明的,均作為通孔考慮。


從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,一個(gè)過(guò)孔主要由兩個(gè)部分組成,一是中間的鉆孔(drill hole),二是鉆孔周?chē)暮副P(pán)區(qū)。


這兩部分的尺寸大小決定了過(guò)孔的大小。很顯然,在高速、高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)者總是希望過(guò)孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線(xiàn)空間,此外,過(guò)孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路。

PCB Vias

但孔尺寸的減小同時(shí)帶來(lái)了成本的增加,而且過(guò)孔的尺寸不可能無(wú)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(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng),也越容易偏離中心位置;且當(dāng)孔的深度超過(guò)鉆孔直徑的6倍時(shí),就無(wú)法保證孔壁能均勻鍍銅。


比如,如果一塊正常的6層線(xiàn)路板的厚度(通孔深度)為50Mil,那么,一般條件下PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)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(lái)越小,一般直徑小于等于6Mils 的過(guò)孔,我們就稱(chēng)為微孔。


在HDI(高密度互連結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到微孔,微孔技術(shù)可以允許過(guò)孔直接打在焊盤(pán)上(Via-in-pad),這大大提高了電路性能,節(jié)約了布線(xiàn)空間。


過(guò)孔在傳輸線(xiàn)上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn),會(huì)造成信號(hào)的反射。


一般過(guò)孔的等效阻抗比傳輸線(xiàn)低12%左右,比如50 歐姆的傳輸線(xiàn)在經(jīng)過(guò)過(guò)孔時(shí)阻抗會(huì)減小6 歐姆(具體和過(guò)孔的尺寸,板厚也有關(guān),不是絕對(duì)減?。?/p>


但過(guò)孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微的,其反射系數(shù)僅為:(44-50)/(44+50)=0.06,過(guò)孔產(chǎn)生的問(wèn)題更多的集中于寄生電容和電感的影響。


二、過(guò)孔的寄生電容和電感


過(guò)孔本身存在著寄生的雜散電容,如果已知過(guò)孔在鋪地層上的阻焊區(qū)直徑為D2,過(guò)孔焊盤(pán)的直徑為D1,PCB 板的厚度為T(mén),板基材介電常數(shù)為ε,則過(guò)孔的寄生電容大小近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)。


過(guò)孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間,降低了電路的速度。舉例來(lái)說(shuō),對(duì)于一塊厚度為50Mil 的PCB 板,如果使用的過(guò)孔焊盤(pán)直徑為20Mil(鉆孔直徑為10Mils),阻焊區(qū)直徑為40Mil,則我們可以通過(guò)上面的公式近似算出過(guò)孔的寄生電容大致是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF 這部分電容引起的上升時(shí)間變化量大致為:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps。


從這些數(shù)值可以看出,盡管單個(gè)過(guò)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(xiàn)中多次使用過(guò)孔進(jìn)行層間的切換,就會(huì)用到多個(gè)過(guò)孔,設(shè)計(jì)時(shí)就要慎重考慮。


實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過(guò)增大過(guò)孔和鋪銅區(qū)的距離(Anti-pad)或者減小焊盤(pán)的直徑來(lái)減小寄生電容。


過(guò)孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,過(guò)孔的寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容的影響。


它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn),減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算一個(gè)過(guò)孔近似的寄生電感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L 指過(guò)孔的電感,h 是過(guò)孔的長(zhǎng)度,d 是中心鉆孔的直徑。


從式中可以看出,過(guò)孔的直徑對(duì)電感的影響較小,而對(duì)電感影響最大的是過(guò)孔的長(zhǎng)度。仍然采用上面的例子,可以計(jì)算出過(guò)孔的電感為:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 如果信號(hào)的上升時(shí)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(guò)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(shí)候需要通過(guò)兩個(gè)過(guò)孔,這樣過(guò)孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。


三、如何使用過(guò)孔


通過(guò)上面對(duì)過(guò)孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB 設(shè)計(jì)中,看似簡(jiǎn)單的過(guò)孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的負(fù)面效應(yīng)。為了減小過(guò)孔的寄生效應(yīng)帶來(lái)的不利影響,在設(shè)計(jì)中可以盡量做到:

線(xiàn)路板中的通孔

1.從成本和信號(hào)質(zhì)量?jī)煞矫婵紤],選擇合理尺寸的過(guò)孔大小。必要時(shí)可以考慮使用不同尺寸的過(guò)孔,比如對(duì)于電源或地線(xiàn)的過(guò)孔,可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗,而對(duì)于信號(hào)走線(xiàn),則可以使用較小的過(guò)孔。當(dāng)然隨著過(guò)孔尺寸減小,相應(yīng)的成本也會(huì)增加。

2.上面討論的兩個(gè)公式可以得出,使用較薄的PCB板有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數(shù)。

3.PCB 板上的信號(hào)走線(xiàn)盡量不換層,也就是說(shuō)盡量不要使用不必要的過(guò)孔。

4.電源和地的管腳要就近打過(guò)孔,過(guò)孔和管腳之間的引線(xiàn)越短越好??梢钥紤]并聯(lián)打多個(gè)過(guò)孔,以減少等效電感。

5.在信號(hào)換層的過(guò)孔附近放置一些接地的過(guò)孔,以便為信號(hào)提供最近的回路,甚至可以在PCB 板上放置一些多余的接地過(guò)孔。

6.對(duì)于密度較高的高速PCB 板,可以考慮使用微型過(guò)孔。

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