PCB技術 - 如何避免高速PCB設計中過孔的負面影響

一、過孔的基本概念

過孔是多層PCB最重要的部分之一. 鑽孔成本通常佔PCB生產成本的30%～40%。簡而言之，PCB 上的每個孔都可以稱為通孔。就功能而言，過孔可分為兩種：一種用於層間的電連接；另一個用於固定或定位設備。從工藝上來說，這些過孔一般分為三類：盲孔、埋孔和通孔。盲孔位於印刷電路板的上下表面，具有一定的深度。用於連接表面電路和下面的內部電路。孔的深度通常不超過一定比例（孔徑）。埋孔是指印製電路板內層的連接孔，不延伸到電路板表面。以上兩種孔都位於PCB的內層。在層壓之前，採用通孔成型工藝完成該工藝，並且在形成通孔的過程中可能會重疊多個內層。

第三種稱為通孔，貫穿整個電路板，可用於內部互連或作為元器件的安裝定位孔。因為通孔更容易實現，成本更低，所以大多數印刷電路板都使用它而不是另外兩個。下面提到的過孔，如果沒有特殊說明，都被認為是通孔。

從設計上看，通孔主要由兩部分組成，一是中間鑽孔，二是鑽孔周圍的焊盤區域。這兩部分的大小決定了過孔的大小。顯然，在高速、高密度的PCB設計中，設計者總是希望過孔越小越好，這樣才能在板上留出更多的佈線空間。另外，過孔越小，其自身的寄生電容越小，更適合高速電路。然而，孔徑的減小帶來成本的增加，通孔的尺寸不能無限制地減小。它受鑽孔和電鍍技術的限制：孔越小，鑽孔時間越長，越容易偏離中心位置。而且，當孔的深度大於孔直徑的6倍時，就不能保證孔壁鍍銅均勻。例如，如果一塊普通6層PCB的厚度（通孔深度）為50Mil，那麼在正常情況下，PCB廠商提供的鑽孔直徑只能達到8mil。隨著激光鑽孔技術的發展，鑽孔的尺寸也可以越來越小。一般直徑小於或等於6mil的通孔稱為微孔。微孔常用於HDI（高密度互連結構）設計。微孔技術可以直接在焊盤上打孔，大大提高了電路性能，節省了佈線空間。無法保證孔壁鍍銅均勻。例如，如果一塊普通6層PCB的厚度（通孔深度）為50Mil，那麼在正常情況下，PCB廠商提供的鑽孔直徑只能達到8mil。隨著激光鑽孔技術的發展，鑽孔的尺寸也可以越來越小。一般直徑小於或等於6mil的通孔稱為微孔。微孔常用於HDI（高密度互連結構）設計。微孔技術可以直接在焊盤上打孔，大大提高了電路性能，節省了佈線空間。無法保證孔壁鍍銅均勻。例如，如果一塊普通6層PCB的厚度（通孔深度）為50Mil，那麼在正常情況下，PCB廠商提供的鑽孔直徑只能達到8mil。隨著激光鑽孔技術的發展，鑽孔的尺寸也可以越來越小。一般直徑小於或等於6mil的通孔稱為微孔。微孔常用於HDI（高密度互連結構）設計。微孔技術可以直接在焊盤上打孔，大大提高了電路性能，節省了佈線空間。PCB廠家提供的鑽孔直徑只能達到8mil。隨著激光鑽孔技術的發展，鑽孔的尺寸也可以越來越小。一般直徑小於或等於6mil的通孔稱為微孔。微孔常用於HDI（高密度互連結構）設計。微孔技術可以直接在焊盤上打孔，大大提高了電路性能，節省了佈線空間。PCB廠家提供的鑽孔直徑只能達到8mil。隨著激光鑽孔技術的發展，鑽孔的尺寸也可以越來越小。一般直徑小於或等於6mil的通孔稱為微孔。微孔常用於HDI（高密度互連結構）設計。微孔技術可以直接在焊盤上打孔，大大提高了電路性能，節省了佈線空間。

高速PCB設計

過孔是傳輸線上不連續的阻抗斷點，會導致信號反射。一般來說，過孔的等效阻抗比傳輸線的等效阻抗低12%左右。例如50歐傳輸線的阻抗在通過過孔時會降低6歐（與過孔尺寸和板厚有關，但與減少無關）。但是via的阻抗不連續引起的反射其實很小，它的反射係數只有(44-50) / (44 + 50) = 0.06，而via引起的問題主要集中在寄生電容的影響和電感。

2、過孔的寄生電容和電感

若過孔阻焊面積直徑為D2，過孔焊盤直徑為D1，PCB厚度為t，基板介電常數為ε，則過孔寄生電容約為C = 1.41 ε TD1 / ( d2-d1)

過孔寄生電容對電路的主要影響是延長信號的上升時間，降低電路的速度。例如，對於厚度為50mil的PCB，如果過孔焊盤直徑為20MIL（鑽孔直徑為10mils），而阻焊層直徑為40mil，那麼我們可以通過上面的公式近似計算出過孔的寄生電容： C = 1.41x4.4x0.050x0.020 / (0.040-0.020) = 0.31pf。此電容引起的上升時間變化為：t10-90 = 2.2c (Z0 / 2) = 2.2x0.31x (50 / 2) = 17.05ps

從這些值可以看出，雖然單個過孔寄生電容的影響不明顯，但如果在佈線中重複使用過孔進行層切換，就會使用多個過孔，在設計中應慎重考慮。設計。在實際設計中，可以通過增加過孔與銅層（反焊盤）之間的距離或減小焊盤直徑來減小寄生電容。

在高速數字電路設計中，通孔寄生電感帶來的危害往往大於寄生電容。其寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻和整個電源系統的濾波效率。我們可以用下面的經驗公式來簡單計算一個過孔的寄生電感：l = 5.08h [ln (4h / D) + 1]，其中l是過孔的電感，h是過孔的長度，而D 是中心孔的直徑。從公式可以看出，過孔的直徑對電感的影響不大，而過孔的長度對電感有影響。仍然使用上面的例子，我們可以計算出過孔電感如下：l = 5.08x0.050 [ln (4x0.050 / 0.010) + 1] = 1.015nh。如果信號的上升時間為 1ns，那麼其等效阻抗為：XL = π L / t10-90 = 3.19 Ω。當有高頻電流通過時，這個阻抗是不可忽視的。需要注意的是，在連接電源層和地層時，旁路電容需要經過兩個過孔，因此過孔的寄生電感會成倍增加。

三、過孔的使用方法

通過以上對過孔寄生特性的分析，我們可以看出，在高速PCB設計中，看似簡單的過孔往往會給電路設計帶來很大的負面影響。為了減少過孔寄生效應帶來的不利影響，我們可以在設計中盡量做到以下幾點：

1、從成本和信號質量兩個方面，選擇合理的過孔尺寸。如有必要，可以考慮不同尺寸的過孔。例如，對於電源或地線的過孔，可以使用較大尺寸的過孔來降低阻抗，而較小的過孔可以用於信號佈線。當然，隨著過孔尺寸的減小，相應的成本也會增加。

2、從上面討論的兩個公式可以得出結論，使用更薄的PCB有利於降低過孔的兩個寄生參數。

3、盡量不要改變PCB板上信號走線的層數，也就是說盡量不要使用不必要的過孔。

4、電源和地的管腳要在附近鑽孔，過孔和管腳之間的引線越短越好。為了降低等效電感，可以考慮並聯多個過孔。

5. 在信號層變化的過孔附近放置一些接地過孔，為信號提供閉環。甚至可以在 PCB 板上放置一些冗餘接地過孔。

6、對於高密度的高速PCB，可以考慮微通孔。