PCB设计中的过孔

过孔(Via)是多层 PCB 的重要组成部分之一,从作用上看,过孔可分成两类:一是用作各层间的电气连接;二是用作器件的固定或定位。从工艺制程上来说,过孔又分为: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,其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。通孔贯穿整个线路板,可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。文中所述过孔,无特殊说明,均作为通孔考虑。

1、过孔的组成

从设计的角度来看,一个主要由两部分组成,一是中间的钻孔(Drill Hole),二是钻孔周围的焊盘区。该两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。在高速、高密度的PCB设计时,设计者总是希望过孔越小越好,这样板上可以留更多的布线空间,此外,过孔越小,其自身的寄生电容亦越小,更适合于高速电路。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,其受到钻孔(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,亦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。

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 50Ω 的传输线在经过过孔时阻抗会减小 6Ω(具体和过孔的尺寸和板厚有关)。但过孔由于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集中于寄生电容和电感的影响。

2、过孔的承载电流

PCB 上的传输线铜箔,其厚度一般为 1.2mil(30μm)左右,而过孔内的铜箔厚度,一般都大于 2mil,故展开看,铜箔厚度大于传输线。而传输线打过孔时,传输线宽度一定会小于过孔直径,故过孔的铜箔宽度也会显著地大于传输线宽度。对传输线铜箔而言,厚度为 35μm 时,20mil线宽可通过电流是 1.35A。故对于信号过孔,承载电流能力的瓶颈不在过孔上面,而在传输线上面。对于电源过孔,一般的经验是 1A 对应一个过孔(Via10,Via12),如果以更安全的角度考虑,一个(Via10,Via12)的过孔通过电流 600mA是绝对安全的,一个(Via20)的过孔通过电流 1A 是绝对安全的。

3、过孔的寄生电容

过孔本身存在着寄生的杂散电容,如果已知过孔在铺地层上的阻焊区直径为 D2,过孔焊盘的直径为 D1,PCB 板的厚度为 H,板基材介电常数为 ε,则过孔的寄生电容大小近似于:其中参数的单位(H:inch,D1/D2:inch,计算结果单位 pF)

寄生电容引起的信号上升时间变量值公式:计算结果单位为 ps,从计算公式可以看出:过孔的寄生电容与过孔内径无关,与板厚成正比,与过孔外径成正比。即过孔外径越大,寄生电容越大;板厚越大,寄生电容越大;与地层的绝缘距离设的越大,寄生电容越小。

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。比如对于一块厚度为 50mil 的 PCB 板,如果使用内径为 10mil,焊盘直径为 20mil (钻孔直径为 10mil)的过孔,焊盘与地铺铜区的距离为 32mil,则通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是:这部分电容引起的上升时间变化量大致为: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,就会用到多个过孔,设计时就要慎重考虑。实际设计中可以通过增大过孔与铺铜区的距离(Anti-pad)或者减少焊盘的直径来减小寄生电容。

4、过孔的寄生电感

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。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:其中 L 指过孔的电感(单位 nH),H 是过孔的长度(对通孔即为板的厚度,单位 inch),d 是中心钻孔的直径(即过孔的内径,单位 inch)。从计算公式可以看出:过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是过孔的长度。过孔长度越大,寄生电感越大;过孔内径越小,寄生电感越大。仍然采用上面的例子,可以计算出 PCB 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:这样的阻抗如有高频电流通过已不能被忽略,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 PCB 过孔,这样 PCB 过孔的寄生电感就会成倍增加。

5、如何使用 PCB 过孔

通过上面对 PCB 过孔寄生特性的分析,可以看到在高速PCB设计中,看似简单的PCB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 PCB 过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到:

  • 从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的PCB过孔大小。必要时可以考虑使用不同尺寸的PCB过孔,比如对于电源或地线的PCB过孔,可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗,而对于信号走线,则可以使用较小的PCB过孔。当然随着PCB过孔尺寸减小,相应的成本也会增加。
  • 由以上两个公式得出,薄的PCB板有利于减小PCB过孔的两种寄生参数。
  • 在PCB设计中PCB上的信号走线尽量在同一层面上,以减少PCB过孔产生的寄生效应。
  • 在信号换层的PCB过孔附近放置一些接地的PCB过孔,以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地PCB过孔。
  • 电源和地的管脚要就近打过孔,PCB过孔和管脚之间的引线越短越好。可以考虑并联打多个PCB过孔,以减少等效电感。
  • 对于密度较高的高速PCB板,可以考虑使用微型PCB过孔。

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