高速PCB中的過孔設(shè)計(jì)

過孔（via）是多層PCB線路板的重要組成部分之一，鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%到40%。簡單的說來，PCB上的每一個(gè)孔都可以稱之為過孔。

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(huì)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(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。

通孔

這種孔穿過整個(gè)線路板，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(jì)的角度來看，一個(gè)過孔主要由兩個(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(jì)時(shí)，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(shí)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(fèi)的時(shí)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(shí)，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(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(jì)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(diǎn)，會(huì)造成信號(hào)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(shí)阻抗會(huì)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?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(duì)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(huì)給電路造成的主要影響是延長了信號(hào)的上升時(shí)間，降低了電路的速度。

舉例來說，對(duì)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(shí)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(gè)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(jìn)行層間的切換，EDA365電子論壇提醒設(shè)計(jì)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(shí)也存在著寄生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)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(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。

我們可以用下面的公式來簡單地計(jì)算一個(gè)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(duì)電感的影響較小，而對(duì)電感影響的是過孔的長度。

仍然采用上面的例子，可以計(jì)算出過孔的電感為：

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)候需要通過兩個(gè)過孔，這樣過孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。

高速PCB中的過孔設(shè)計(jì)

通過上面對(duì)過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB設(shè)計(jì)中，看似簡單的過孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)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(jì)中可以盡量做到以下幾方面：

從成本和信號(hào)質(zhì)量兩方面考慮，選擇合理尺寸的過孔。比如對(duì)6-10層的內(nèi)存模塊PCB設(shè)計(jì)來說，選用10/20Mil（鉆孔/焊盤）的過孔較好，對(duì)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(duì)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(gè)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?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線要盡可能粗，以減少阻抗。

PCB板上的信號(hào)走線盡量不換層，也就是說盡量減少不必要的過孔。

在信號(hào)換層的過孔附近放置一些接地的過孔，以便為信號(hào)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(jì)時(shí)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(shí)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(huì)導(dǎo)致在鋪銅層形成一個(gè)隔斷回路的斷槽，解決這樣的問題除了移動(dòng)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(duì)過孔寄生特性的分析，我們可以看到，在高速PCB 設(shè)計(jì)中，看似簡單的過孔使用不當(dāng)往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。

編輯：黃飛

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