PCB中過孔的設(shè)計(jì)介紹

中信華

　　PCB中過孔的設(shè)計(jì)介紹
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8 e% V' T8 Y, u( g　　過孔（via）是多層的重要組成部分之一，簡(jiǎn)單的說來(lái)，上的每一個(gè)孔都可以稱之為過孔，鉆孔的費(fèi)用通常占制板費(fèi)用的30%到40%。從作用上看，過孔可以分成兩類：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(lái)說，這些過孔一般又分為三類，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，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(huì)延伸到線路板的表面。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，在過孔形成過程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。第三種稱為通孔，這種孔穿過整個(gè)線路板，可用于實(shí)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(shí)現(xiàn)，成本較低，所以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，均作為通孔考慮。
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　　從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，一個(gè)過孔主要由兩個(gè)部分組成，一是中間的鉆孔（drill hole）,二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。很顯然，在高速,高密度的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)帶來(lái)了成本的增加，而且過孔的尺寸不可能無(wú)限制的減小，它受到鉆孔(drill)和電鍍（plating）等工藝技術(shù)的限制：孔越小，鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，也越容易偏離中心位置；且當(dāng)孔的深度超過鉆孔直徑的6倍時(shí)，就無(wú)法保證孔壁能均勻鍍銅。比如，現(xiàn)在正常的一塊6層板的厚度（通孔深度）為50Mil左右，所以廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8Mil。
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; ~1 L& I! p# ~* h0 I+ c* e　　過孔本身存在著對(duì)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,過孔焊盤的直徑為D1,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：C=1.41εTD1/(D2-D1)
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2 T! C; X9 f* Q8 V# M9 O. Q+ E　　過孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長(zhǎng)了信號(hào)的上升時(shí)間，降低了電路的速度。舉例來(lái)說，對(duì)于一塊厚度為50Mil的板，如果使用內(nèi)徑為10Mil，焊盤直徑為20Mil的過孔，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是：C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，這部分電容引起的上升時(shí)間變化量

$ O& |9 s4 E" t3 O5 |$ h3 m% X  A　　為：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2×0.517x(55/2)=31.28ps 。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個(gè)過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(jìn)行層間的切換，設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。
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) ?3 I; O3 ?; P0 A　　同樣，過孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，過孔的寄生電感帶來(lái)的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn)，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。我們可以用下面的公式來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算一個(gè)過孔近似的寄生電感：L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指過孔的電感，h是過孔的長(zhǎng)度，d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出，過孔的直徑對(duì)電感的影響較小，而對(duì)電感影響最大的是過孔的長(zhǎng)度。仍然采用上面的例子，可以計(jì)算出過孔的電感為：L=5.08×0.050[ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH 。如果信號(hào)的上升時(shí)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(shí)候需要通過兩個(gè)過孔，這樣過孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。
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