PCB技術 - 過孔對信號傳輸的影響

一、過孔的基本概念
過孔是多層PCB的重要部件之一，鑽孔成本通常佔PCB製造成本的30%~40%。簡單地說，PCB 上的每個孔都可以稱為過孔。從功能上看，過孔可以分為兩類：一類用於層間的電連接；另一個用於固定或定位裝置。從工藝上來說，這些過孔一般分為三類，即盲孔、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。它們用於連接表麵線和底層內線。孔的深度通常不超過一定比例（孔徑）。埋孔是指位於印製電路板內層的連接孔，不延伸到電路板表面。上述兩種孔位於電路板的內層，在疊層前通過通孔形成工藝完成，在過孔的形成過程中可以有多個內層重疊。

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件安裝定位孔。因為通孔在製程上更容易實現，成本也較低，所以大部分印刷電路板都用它來代替另外兩種通孔。以下提及的通孔，除非另有說明，均視為通孔。它不會延伸到電路板的表面。上述兩種孔位於電路板的內層，在疊層前通過通孔形成工藝完成，在過孔的形成過程中可以有多個內層重疊。因為通孔在製程上更容易實現，成本也較低，所以大部分印刷電路板都用它來代替另外兩種通孔。以下提及的通孔，除非另有說明，均視為通孔。

從設計的角度來看，過孔主要由兩部分組成，一是中間的鑽孔，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PCB設計中，設計人員總是希望過孔越小越好，這樣可以在板上留下更多的佈線空間。另外，過孔越小，其自身的寄生電容越小。越小越適合高速電路。但是，孔尺寸的減小也帶來了成本的增加，過孔的尺寸不能無限縮小。受限於鑽孔、

電鍍等工藝技術：孔越小，鑽孔越多，孔越長，越容易偏離中心位置；當孔深超過鑽孔直徑的6倍時，不能保證孔壁能均勻鍍銅。例如，如果一塊普通6層PCB板的厚度（通孔深度）為50Mil，那麼在正常情況下，PCB廠商提供的最小鑽孔直徑只能達到8Mil。隨著激光鑽孔技術的發展，孔的尺寸可以越來越小。通常，直徑小於或等於 6Mils 的過孔稱為微孔。微孔常用於 HDI（高密度互連結構）設計。Microvia技術允許直接在焊盤上打孔（Via-in-pad），大大提高了電路性能，節省了佈線空間。不能保證孔壁能均勻鍍銅。

Microvia技術允許直接在焊盤上打孔（Via-in-pad），大大提高了電路性能，節省了佈線空間。微孔常用於 HDI（高密度互連結構）設計。Microvia技術允許直接在焊盤上打孔（Via-in-pad），大大提高了電路性能，節省了佈線空間。微孔常用於 HDI（高密度互連結構）設計。Microvia技術允許直接在焊盤上打孔（Via-in-pad），大大提高了電路性能，節省了佈線空間。

過孔在傳輸線上表現為具有不連續阻抗的斷點，這會導致信號反射。通常，過孔的等效阻抗比傳輸線的等效阻抗低 12% 左右。例如，50歐的傳輸線在通過過孔時阻抗會降低6歐（具體來說，與過孔的大小和厚度有關，並不是絕對的降低）。但是，過孔阻抗不連續引起的反射實際上很小，其反射係數僅為：(44-50)/(44+50)=0.06。過孔引起的問題更多集中在寄生電容和電感上。影響。

 二、過孔的寄生電容和電感過

孔本身就有寄生雜散電容。若已知過孔接地層阻焊層直徑為D2，過孔焊盤直徑為D1，PCB板厚度為T，板基介電常數為ε，過孔的寄生電容約為：C=1.41εTD1/(D2-D1)

過孔寄生電容對電路的主要作用是延長信號的上升時間，降低電路速度。例如，對於一塊50Mil厚度的PCB板，如果過孔焊盤的直徑是20Mil（孔的直徑是10Mil），而阻焊層的直徑是40Mil，那麼我們可以近似估算出焊盤的尺寸。通過上式 寄生電容大致為：

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大致為：

T10-90=2.2C (Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps

從這些數值可以看出，雖然單個過孔的寄生電容引起的上升延遲的影響不是很明顯，但是如果在走線中多次使用過孔來進行層間切換，就會使用多個過孔，必須仔細考慮設計。在實際設計中，可以通過增加過孔與覆銅區的距離（Anti-pad）或減小焊盤的直徑來減小寄生電容。

寄生電容和寄生電感都存在於通孔中。在高速數字電路設計中，過孔寄生電感帶來的危害往往大於寄生電容的影響。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，削弱整個電力系統的濾波效果。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 是通孔的電感，h 是通孔的長度，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很小，過孔的長度對電感的影響最大。仍然使用上面的例子，過孔的電感可以計算為：

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=πL/T10-90=3.19Ω。當高頻電流通過時，這種阻抗不能再被忽略。需要特別注意的是，旁路電容在連接電源層和地層時需要經過兩個過孔，這樣過孔的寄生電感會翻倍。

三、如何使用過孔

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，設計中可以做到以下幾點：

1、綜合考慮成本和信號質量，選擇合理的過孔尺寸。如有必要，您可以考慮使用不同尺寸的過孔。例如，對於電源或接地過孔，您可以考慮使用更大的尺寸來降低阻抗，對於信號走線，您可以使用更小的過孔。當然，隨著過孔尺寸的減小，相應的成本也會增加。

2. 上面討論的兩個公式可以得出結論，使用更薄的PCB有利於減少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，即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盡量短。考慮並行打多個過孔以減少等效電感。

5. 在信號層的過孔附近放置一些接地過孔，以提供最接近信號的返回。您甚至可以在 PCB 上放置一些冗餘接地過孔。

6、對於密度更高的高速PCB板，可以考慮使用微過孔。