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過孔(via)是多層PCB的重要組成部分之一,鉆孔的費用通常占PCb制板費用的30到
3 X) r. O' O) a# Q: y0 x' p" }40.簡單的說來,PCB上的每一個孔都可以稱之為過孔.從作用上看,過孔可以分成兩類:
+ l& h* z8 a4 a1 U8 U% B& ]) K一是用作各層間的電氣連接;二是用作器件的固定或定位.如果從工藝制程上來說,這些過 . ?# d$ G; W' X3 T9 P
孔一般又分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via).盲孔位
7 E" I8 t3 K# X) H O, e于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接,
: W; k) U8 O/ `. _) H$ ^孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑).埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會延
( Z9 G8 m8 E# {! a: X! ~; ^9 s伸到線路板的表面.上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過 # A- i3 j! D/ M
孔形成過程中可能還會重疊做好幾個內(nèi)層.第三種稱為通孔,這種孔穿過整個線路板,可用 4 m( k2 Y+ n& y/ e( C* b- i
于實現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔.由于通孔在工藝上更易于實現(xiàn),成本較低,所以 1 d* e& r; T5 ~1 J6 v3 a
絕大部分印刷電路板均使用它,而不用另外兩種過孔.以下所說的過孔,沒有特殊說明的,
8 E1 Q* _/ \5 r: k' r7 y1 r8 b均作為通孔考慮.
, c J- L1 A8 O- f從設(shè)計的角度來看,一個過孔主要由兩個部分組成,一是中間的鉆孔(drill hole),二是 6 A) Z. H; s0 r
鉆孔周圍的焊盤區(qū),見下圖.這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小.很顯然,在高速,高 5 L, B& B7 ]/ Q/ s) g
密度的pcb設(shè)計時,設(shè)計者總是希望過孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此 1 o" H7 D& U4 H3 p- \
外,過孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路.但孔尺寸的減小同時帶來 9 g2 A4 \, v# F" C
了成本的增加,而且過孔的尺寸不可能無限制的減小,它受到鉆孔(drill)和電鍍 " x; k( |* v/ k' a8 l4 a' q
(plating)等工藝技術(shù)的限制:孔越小,鉆孔需花費的時間越長,也越容易偏離中心位
/ D0 \5 b9 e$ l* Z* ~1 |置;且當孔的深度超過鉆孔直徑的6倍時,就無法保證孔壁能均勻鍍銅.比如,現(xiàn)在正常的
$ k; J6 L2 i, X5 v6 J5 e9 r) d一塊6層PCB板的厚度(通孔深度)為50Mil左右,所以PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達 $ B" |5 W1 Y- j/ H7 z
到8Mil.
. L2 }$ v' n- p' w4 r3 Z- Q0 R. Z; C5 d
二、過孔的寄生電容
_# @$ Z, |" L; z# _3 J- Z) J過孔本身存在著對地的寄生電容,如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2,過孔焊盤的 : O# b/ z( e3 m
直徑為D1,PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:
( K7 j8 T0 ?. YC=1.41εTD1/(D2-D1)
1 \9 t/ Q9 d* ]( f5 x/ Y過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間,降低了電路的速度.舉 / V+ I) i1 F$ b8 ^" \1 R9 U
例來說,對于一塊厚度為50Mil的PCB板,如果使用內(nèi)徑為10Mil,焊盤直徑為20Mil的過孔,
2 K, z0 Z+ |. P6 Q4 }1 b, ~# H焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致 : h# c, h9 ]% l9 G" U' T
是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF,這部分電容引起的上升時間變化量
% B9 n" A+ G0 a! C9 r為:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps .從這些數(shù)值可以看出,盡管單個過 + C# K' I8 x' \9 C( a; b
孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯,但是如果走線中多次使用過孔進行層間 0 K; }* f9 i* t6 N2 x: A; x* f5 O
的切換,設(shè)計者還是要慎重考慮的.: D5 r2 M. u" c A2 {
. @# F: ^- {2 r- h" ]三、過孔的寄生電感
4 G- p1 @! l& ^! S* R. \同樣,過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計中,過孔的寄生 / I& m4 b5 J" w& a3 }7 c
電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響.它的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的貢獻,減弱
% ]) K7 ]2 ?$ j) c$ q# I$ X, u7 r整個電源系統(tǒng)的濾波效用.我們可以用下面的公式來簡單地計算一個過孔近似的寄生電感:
4 V6 z9 v! W, RL=5.08h[ln(4h/d) 1]其中L指過孔的電感,h是過孔的長度,d是中心鉆孔的直徑.從式中可
c1 o! x( E h# Q$ ~以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響最大的是過孔的長度.仍然采用上面 3 v v2 u0 }2 o: u# m' @
的例子,可以計算出過孔的電感為 =5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010) 1]=1.015nH .如果
: B$ B8 j- M& y& j: h信號的上升時間是1ns,那么其等效阻抗大小為:XL=πL/T10-90=3.19Ω.這樣的阻抗在有高 1 p- ]4 H2 W7 Z! `4 }! e6 \6 Q
頻電流的通過已經(jīng)不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時候需要通 ! g5 k" x+ k) K4 ]7 ~1 v% R C
過兩個過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加.
% `+ E+ d% a/ s1 B# v" b; V8 f% |1 k, {; R4 r, M# _
四、高速PCB中的過孔設(shè)計
5 t5 B, s M! |9 F: ?0 V通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設(shè)計中,看似簡單的過
4 I ~, c. Y7 X& d1 U/ @8 Q d( @孔往往也會給電路的設(shè)計帶來很大的負面效應(yīng).為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響, ; b8 d2 R& h: d- O# F: p5 I
在設(shè)計中可以盡量做到:
0 M8 i Q9 O$ i4 z7 b" M1、從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔大小.比如對6-10層的內(nèi) # K$ S% A. F T* c5 o
存模塊PCB設(shè)計來說,選用10/20Mil(鉆孔/焊盤)的過孔較好,對于一些高密度的小尺寸的
4 Q1 B6 B3 ?1 e; D, j板子,也可以嘗試使用8/18Mil的過孔.目前技術(shù)條件下,很難使用更小尺寸的過孔了.對 . ] U# ~, M: |+ b, {" a1 @
于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗.
9 Y3 J$ w; ~, i: s" ^2、上面討論的兩個公式可以得出,使用較薄的PCB板有利于減小過孔的兩種寄 7 } {& j0 Z1 u$ K
生參數(shù).
2 N3 M4 C. Q6 Q/ v. B% b$ n3、PCB板上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量不要使用不必要的過孔. ! L) L3 V9 g( t$ y5 {
4、電源和地的管腳要就近打過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好,因為它們會
! p; {8 h2 P. i5 n6 j W導(dǎo)致電感的增加.同時電源和地的引線要盡可能粗,以減少阻抗. 4 a' t& \& u: m# {* b; [0 m; r: H
5、在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供最近的回路.甚至可以在
# ?; A& U5 Z* A- S$ jPCB板上大量放置一些多余的接地過孔.當然,在設(shè)計時還需要靈活多變.前面討論的過孔
8 b1 h+ Q! N z7 E+ Y; _模型是每層均有焊盤的情況,也有的時候,我們可以將某些層的焊盤減小甚至去掉.特別是
) H3 e/ t, j( \* x7 g在過孔密度非常大的情況下,可能會導(dǎo)致在鋪銅層形成一個隔斷回路的斷槽,解決這樣的問
1 o. Z6 j4 @ z; H+ Q! v t題除了移動過孔的位置,我們還可以考慮將過孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小.
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