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PCB技術

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過孔對信號傳輸的影響
2020-09-16
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Author:Annie      Share


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。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。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。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。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。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。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。

6L剛柔板(1).jpg

 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。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。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。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。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。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。

pcb-3 (1).jpg

 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。

相機PCB板(1).jpg

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。