高速PCB設計中，如何避免過孔帶來的負面效應

　　一、過孔的基本概念

　　過孔（via）是多層PCB 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%。簡單的說來，PCB 上的每一個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。

　　第三種稱為通孔，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設計時，設計者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。隨著激光鉆孔技術的發(fā)展，鉆孔的尺寸也可以越來越小，一般直徑小于等于6Mils 的過孔，我們就稱為微孔。在HDI（高密度互連結(jié)構(gòu)）設計中經(jīng)常使用到微孔，微孔技術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，不是減?。５^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。

　　二、過孔的寄生電容和電感

　　過孔本身存在著寄生的雜散電容，如果已知過孔在鋪地層上的阻焊區(qū)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，如果使用的過孔焊盤直徑為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/（0.040-0.020）=0.31pF 這部分電容引起的上升時間變化量大致為：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，就會用到多個過孔，設計時就要慎重考慮。實際設計中可以通過增大過孔和鋪銅區(qū)的距離（Anti-pad）或者減小焊盤的直徑來減小寄生電容。

　　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。我們可以用下面的經(jīng)驗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。

　　三、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 設計中，看似簡單的過孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響，在設計中可以盡量做到：

　　1．從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮，選擇合理尺寸的過孔大小。必要時可以考慮使用不同尺寸的過孔，比如對于電源或地線的過孔，可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗，而對于信號走線，則可以使用較小的過孔。當然隨著過孔尺寸減小，相應的成本也會增加。

　　2．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)。

　　3．PCB 板上的信號走線盡量不換層，也就是說盡量不要使用不必要的過孔。

　　4．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?？梢钥紤]并聯(lián)打多個過孔，以減少等效電感。

　　5．在信號換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 板上放置一些多余的接地過孔。

　　6．對于密度較高的高速PCB 板，可以考慮使用微型過孔。