技術(shù)資訊 I 電路板 Layout 的 PCB 過孔設(shè)計規(guī)則

耀創(chuàng)深圳

本文要點

傳統(tǒng)通孔的使用位置和方法。

盲孔、埋孔和微孔的構(gòu)造和使用方法。

管理 PCB 設(shè)計中的過孔。

電路板可能包含數(shù)以千計的走線、焊盤和孔，用于在器件引腳之間傳導(dǎo)信號和輸送電源。電路板 layout 設(shè)計師的職責(zé)就是整理和設(shè)計這些元件，將它們正確地連接起來，避免與其他信號或電源網(wǎng)絡(luò)接觸。要做到這一點，就需要在電路板設(shè)計中布設(shè)走線，并在層與層之間用過孔（一種小孔）進行過渡。

雖然使用過孔似乎是一項簡單的操作，但在實際設(shè)計中，可能會用到許多不同類型的過孔。每種過孔都可能有不同的使用規(guī)則，作為設(shè)計人員，我們的職責(zé)就是讓過孔井然有序，并在 CAD 系統(tǒng)中為每種過孔應(yīng)用正確的規(guī)則。下面，我們將詳細介紹 PCB 過孔的設(shè)計規(guī)則，以及如何使用這些規(guī)則來保證電路板的性能和可制造性。

在空間有限的情況下， HDI 技術(shù)有助于實現(xiàn)緊湊型設(shè)計，為過孔、走線和器件留出空間又不增加電路板面積，滿足對小形狀參數(shù)的需求。

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傳統(tǒng)通孔：使用位置和方法

自第一塊雙層電路板投入量產(chǎn)以來，標準的電鍍通孔已成為 PCB 設(shè)計中的基本元素。可以按照所需的任何尺寸在電路板上鉆出通孔，使走線或銅皮可以連接到任何一層電路板上的過孔。通孔有多種用途，包括：

常規(guī)布線：通孔是將一個電路板層上的信號走線過渡到另一個電路板層的標準方法。

逃逸布線：表面貼裝元件通常需要將引腳立即連接到過孔，以便在多層電路板的內(nèi)部層上布線。這些逃逸或扇出過孔通常是在布設(shè)其他走線之前進行布線。逃逸過孔的擺放模式應(yīng)該是確定的，以便在其下方的電路板內(nèi)層中留出盡可能多的布線通道。

電源布線：過孔還用于將器件連接到電源/接地平面或走線。大多數(shù)電源過孔都比普通布線過孔要大，以適應(yīng)其中通過的更大的電流。

通孔還用于電路板上的特殊用途或特殊情況，包括以下幾種：

散熱孔：對于運行溫度較高的元件，通孔通常會嵌入到一個大的中央接地焊盤中，以便通過電路板接地平面有效散熱。要避免因熱量積聚而導(dǎo)致電路板上的其他部件出現(xiàn)故障，這些過孔至關(guān)重要。

縫合孔：這類過孔為電路板不同層上的多條電源走線所傳導(dǎo)的大電流電路提供了多個連接�？p合孔還有助于這些電路的散熱并降低連接的電感。

屏蔽孔：在敏感電路周圍布置多個接地孔時，會產(chǎn)生法拉第籠效應(yīng)。這種布線方式有助于抑制潛在的 EMI 問題對電路的影響。

接地傳輸孔：在高速設(shè)計中，當信號布線在層間過渡時，接地傳輸孔用于保留多個接地平面層之間的信號返回路徑。

盤中孔：可以將過孔放置在密集型表面貼裝元件（如球柵陣列封裝，BGA）的焊盤中。這樣做有助于解決間距問題，但對于在標準通孔中使用機械鉆頭的制造商來說，制造盤中孔可能會是一個難題。微孔是一種更好的解決方案。

與軸向引線器件的電鍍通孔一樣，通孔需要在每一層電路板上都有一個焊盤，焊盤要足夠大，以便使用鉆孔機，但又要足夠小，以免占用過多空間。通孔還需要在電路板的平面層上設(shè)置標準的隔離焊盤 (anti-pad)，其大小應(yīng)與鉆孔直徑相適應(yīng)。電路板外層通孔周圍的金屬環(huán)稱為環(huán)形，環(huán)形是決定電路板可靠性等級的主要因素之一。1 級電路板允許環(huán)形被鉆孔破壞，而 2 級則要求鉆孔和環(huán)形相切。3 級電路板的可靠性等級最高，鉆孔周圍任何一點的環(huán)形厚度均不得低于 5 密耳。


PCB 布線 3D 視圖中的通孔和微孔

通孔的另一個關(guān)鍵設(shè)計規(guī)則是根據(jù)鉆孔與電路板厚度的縱橫比選擇過孔尺寸。機械鉆頭的鉆孔深度有限，而縱橫比決定了鉆孔深度的極限。通常情況下，電路板制造商希望縱橫比不超過 10:1，這意味著在 62 密耳厚的電路板上，能可靠鉆出的最小尺寸的過孔是 6 密耳。

如果在 12 層電路板的前兩層使用通孔連接高速信號，大部分未使用的通孔筒體可能會起到天線的作用，造成信號完整性問題。為了解決這個問題，許多制造商會對未使用的過孔部分進行背面鉆孔。背鉆需要設(shè)計人員提供具體的說明和數(shù)據(jù)，指明應(yīng)該去除哪些過孔筒體。不過，背鉆會增加制造成本，通常更好的選擇是使用微孔或盲孔和埋孔來提高電路板的性能。


最后，如有必要，可以覆蓋或填充通孔，但與背鉆一樣，這種操作也需要 PCB 設(shè)計人員向制造商提供具體說明：

過孔蓋油：使用阻焊層覆蓋過孔，實際上不會填充通孔，但必須注意避免焊接加熱時在筒體中產(chǎn)生氣泡，進而導(dǎo)致氣體外泄。通常，在過孔蓋油的中心位置會留有一個小孔，以便排出熱空氣。過孔蓋油有助于使過孔更接近表面貼裝焊盤圖案，而不會使焊料從孔中流下。

導(dǎo)電漿料塞孔：使用環(huán)氧樹脂結(jié)合金、銀或銅等金屬物質(zhì)填充通孔。這種塞孔方式有助于提高過孔的電流容量和散熱性能，但價格昂貴。

非導(dǎo)電漿料塞孔：這種塞孔方式可保護過孔，無需進行表面處理，但對散熱或電流容量沒有任何幫助。這種塞孔方式通常使用阻焊層或其他類似材料。



CAD 系統(tǒng)中的過孔及其布線的 3D 視圖

接下來，我們將了解有關(guān)電路板盲孔和埋孔的 PCB 過孔設(shè)計規(guī)則。

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盲孔和埋孔的 PCB 過孔設(shè)計規(guī)則

為了在電路板上創(chuàng)造更多的布線空間，制造商想出了一種方法來限制通孔所能穿透的電路板層數(shù)。這些過孔被稱為盲孔或埋孔，但設(shè)計人員需要注意的是，它們的加工成本要高于標準通孔。

盲孔
盲孔始于電路板的外層，只穿過電路板疊層的一部分。因為盲孔是機械鉆孔，所以盲孔的鉆孔尺寸限制與通孔相同，但在電路板疊層中，盲孔的下方或上方允許有額外的布線通道。這一點使盲孔與背鉆的通孔相比具有絕對優(yōu)勢，因為通孔由于孔筒的緣故，其下方或上方都不允許布線。

盲孔是按順序制造的，這意味著要先對層對進行鉆孔和電鍍，然后再將它們粘合在一起。因為盲孔在制造過程中需要額外的步驟，所以成本效益不高，但出于信號完整性或電氣性能的考慮，可能需要使用盲孔。PCB 設(shè)計人員應(yīng)謹慎使用盲孔，只有在必要時并在與制造商確定制作細節(jié)后才可使用。

埋孔
埋孔與盲孔一樣都是機械鉆孔，但它們的起止點在電路板的內(nèi)部層，而不在表面。埋孔對于布線密集的 PCB 非常有用，允許在埋孔的上方和下方設(shè)置布線通道。不過，與盲孔一樣，埋孔的成本也很高，除非使用埋孔能顯著減少電路板的層數(shù)，否則其性價比不高。

除了機械鉆孔的盲孔和埋孔外，更好的選擇是使用激光鉆孔的微孔。



微孔物理結(jié)構(gòu)的詳細視圖

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PCB 設(shè)計中的微孔揭秘

微孔是指直徑小于 6 密耳的孔，通常使用激光鉆孔。由于微孔尺寸很小，通常只穿過一層，但可用于外部和內(nèi)部電路板層。由于尺寸小，微孔適用于許多無法使用通孔的情況，但其制造成本要高得多。與微孔相關(guān)的其他 PCB 過孔設(shè)計規(guī)則包括：

縱橫比：微孔尺寸小，因此很難對孔內(nèi)進行電鍍，最佳做法是使其直徑大于深度。

焊盤尺寸：由于微孔直徑較小，PCB 設(shè)計人員可以使用更小的焊盤尺寸，小至 12 密耳，從而留出更多的布線通道。

塞孔：通常還會對微孔進行塞孔和電鍍，使其與其他金屬元件齊平。這種塞孔方式使得微孔非常適合盤中孔應(yīng)用。

微孔在 PCB layout 中的應(yīng)用非常廣泛，是高密設(shè)計的關(guān)鍵元素。如果不在高密度 BGA 的小焊盤中放置微孔，這些引腳數(shù)很多的處理器和存儲器件就無法布線。微孔還可以與其他類型的過孔結(jié)合使用。微孔不僅可以相互堆疊，還可以與埋孔或盲孔堆疊。

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了用于 PCB 布線的不同類型的過孔及其設(shè)計規(guī)則，下面我們來看看 PCB 設(shè)計人員如何在設(shè)計中管理這些過孔。


Cadence allegro X PCB Designer 中的編輯過孔列表

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管理 PCB 設(shè)計中的過孔

在管理設(shè)計中的過孔之前，首先要在 PCB CAD 數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建過孔。為此，我們可以自己構(gòu)建過孔對象，也可以從其他來源導(dǎo)入。大多數(shù) CAD 系統(tǒng)都提供構(gòu)建過孔的工具和功能，例如 Cadence Allegro X PCB Designer中的 padstack Editor。一旦構(gòu)建了過孔，就可以將其保存到公司庫中，以便在未來的設(shè)計中使用。

現(xiàn)在，過孔已經(jīng)構(gòu)建完成并可供使用，我們可以從上圖所示的列表中選擇要使用的過孔。這類工具可以直觀地顯示過孔的構(gòu)造，因此我們可以清楚地知道自己正在使用哪種過孔。在 Cadence Allegro X PCB Designer 的 Constraint Editor 中，我們可以將合適的過孔分配給單個網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)類，以便對電路板進行布線。借助 PCB 過孔設(shè)計規(guī)則，設(shè)計人員可以管理設(shè)計中使用的不同過孔，而無需為每個新網(wǎng)絡(luò)手動更改過孔。一旦設(shè)置正確，設(shè)計規(guī)則將自動為正在布線的網(wǎng)絡(luò)選擇正確的過孔，從而減輕設(shè)計人員的工作量。

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原文由Cadence楷登PCB及封裝資源中心整理撰寫。
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