Manufacturer of Ultra-precision PCB, High Frequency, High Speed PCB, IC Substrate and Multilayer PCB.
iPcb is a professional supplier of high-quality PCB Prototype and PCB Assembly! Contact Us
0
PCB技術

PCB技術

PCB技術

PCB技術

如何避免高速PCB設計中過孔的負面影響
2020-09-12
View:311
Author:Dag      Share


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

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。