過孔(via)是多層PCB的重要組成部分之一,鉆孔的費(fèi)用通常占PCb制板費(fèi)用的30到
1 @8 R7 H7 w8 q' [& V$ {4 Q40.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:
8 e/ E$ s) Q$ X( d+ \9 c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 9 M+ s, _ B$ N
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 ; [1 c' b% ?+ H; O' ]
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, " @9 K3 i+ M: n' y
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 & R, T0 i3 @! l9 z+ a4 W
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
1 ]" N4 e# h$ X& q0 j' I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
* a! C+ z0 q+ \( ~) s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
# ?* f. Q8 [# r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, 4 v* G4 L% ^- U
均作為通孔考慮. ( W6 n( E* H7 I- g; s2 r" 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 / y# D0 q [; v |: W5 n* H
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
$ i! P9 T* x* b k7 ]7 a; T+ @7 Z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
+ i/ o' q" S2 o. ]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
; [3 i8 K2 p( L0 b3 \7 I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
: E) |! Y5 o* e(plating)等工藝技術(shù)的限制:孔越小,鉆孔需花費(fèi)的時間越長,也越容易偏離中心位 . e& `) a7 Y; C$ x+ D: Q
置;且當(dāng)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
) O( i/ S; w+ \ z* j- O! e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(dá)
5 X2 C' n* [& o$ h到8Mil.+ W1 j, ~, h! b
9 | E8 N {" ~# N+ t二、過孔的寄生電容 # o& [) v1 h$ z/ T& [. O
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
+ ?+ J% S# B) }+ i( S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: 9 A" h/ o" ^7 o5 B$ J: L
C=1.41εTD1/(D2-D1)
, Y- W8 U* }' ~" x! A; ~3 z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
3 u6 r; k! K& l+ 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,
& a" X$ p$ x! g" Z) _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 1 g( r7 w% Z& v# A
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 ) W3 C2 F7 ~4 u1 B
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 & e! y" X8 l; }; L+ v, u
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 & ?1 x' V& @' N h! X
的切換,設(shè)計者還是要慎重考慮的.# a8 B% T, d. B/ M& y0 @( b1 T
2 R: K! W# |- \, a. ?
三、過孔的寄生電感
' {- m2 R4 H3 Q9 T2 z) L$ J+ e) J# d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
+ V2 W6 A5 b4 P$ Z- V* e. F* b, V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(xiàn),減弱 7 I: m7 ]4 n% w$ J5 b! T
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:
8 S+ F# q' w( e$ n- CL=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 7 ~0 G9 Y* E7 S' M4 t4 Y& V8 ?
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
( C0 I) O4 ?* v8 e# \8 q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 5 [8 X. w& Z: ^) H: 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 8 O! N2 N# f. H/ a
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 * Z2 e; L; R- W. N% b& t; m' u
過兩個過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加.4 k- N6 ^2 W k' N9 T
5 u% N/ E$ T# M
四、高速PCB中的過孔設(shè)計 ! m H. I0 G/ l
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 f" m. m. V$ |) }( B$ p" U5 F* y
孔往往也會給電路的設(shè)計帶來很大的負(fù)面效應(yīng).為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響,
, W8 N/ J% \$ U" y0 H3 k- Z在設(shè)計中可以盡量做到:
" E! M. [% F' \1 F1、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) 5 G1 Y8 N' Q) V2 R9 }, K
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
+ W/ d$ s) I- P& @/ K/ E' M( 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
8 E) j! Q6 ` x h4 ^) K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. 4 Q3 s# C2 X/ h q' D# M
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
J/ C1 k6 G) ^6 G8 P生參數(shù). 5 I" J4 r3 S! j/ s/ P* T+ k
3、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. ! F, c$ \1 ^7 d& s+ C
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?yàn)樗鼈儠?
! S2 f/ o0 U+ o1 k4 ~4 A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.
& V$ V- E* |4 d x% s6 \3 g3 a l1 l5、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
1 X3 m, n/ H2 nPCB板上大量放置一些多余的接地過孔.當(dāng)然,在設(shè)計時還需要靈活多變.前面討論的過孔
% ]7 w. j9 E5 l( Y0 E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
) j! V0 ?4 c( l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 - a8 l) \6 S1 V0 s. n8 J
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.# F) U- C, u% \9 N2 C, Y. N
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