關(guān)于PCB過(guò)孔設(shè)計(jì)的這些知識(shí)，你都掌握了嗎？

電子設(shè)計(jì)聯(lián)盟

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，印刷電路板（PCB）是核心組成部分，它承載著各種電子元器件并將它們通過(guò)電氣信號(hào)連接在一起。隨著電子設(shè)備的日益復(fù)雜，PCB的設(shè)計(jì)也變得更加精細(xì)和復(fù)雜。而在PCB的設(shè)計(jì)中，過(guò)孔（via）是不可或缺的元素，它在不同層之間傳輸信號(hào)和電源。合理設(shè)計(jì)過(guò)孔，不僅能夠提升PCB的電氣性能，還能夠降低生產(chǎn)成本，避免潛在的制造和使用問(wèn)題。本文將詳細(xì)講解PCB過(guò)孔的種類(lèi)、功能以及設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。
' p! w# }# q$ V8 I- P# S一、什么是PCB過(guò)孔？PCB過(guò)孔是用于將不同層的銅箔線路連接起來(lái)的導(dǎo)電通道。通常為多層結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的如雙層板、四層板，甚至可以達(dá)到幾十層。在這些層之間，過(guò)孔起到導(dǎo)電橋梁的作用。它是通過(guò)在電路板上鉆孔，再在孔壁上鍍銅而形成的導(dǎo)電通道。過(guò)孔的形狀可以是圓形、橢圓形等，但最常見(jiàn)的是圓形。

$ U( z" K  j4 y5 U7 Y+ l在PCB制造過(guò)程中，先開(kāi)料，即利用自動(dòng)開(kāi)料機(jī)將大尺寸的覆銅板切割成符合生產(chǎn)需求的特定規(guī)格基材。

然后，用數(shù)控鉆孔機(jī)在覆銅板上預(yù)定的位置精確鉆出孔。由于鉆頭是圓形的，所以無(wú)法鉆出方形的孔。
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打個(gè)比方，把一個(gè)圓形乒乓球放在直角墻角，球體圓弧與直角會(huì)存在一定的間距，稱(chēng)作“R角”。

如果是槽孔，最小鉆刀規(guī)格為0.65mm，這適合用來(lái)加工金屬化槽孔；最小槽孔鑼刀為1.0mm，適用于加工非金屬化鑼槽。
* ~$ M. [. L# P, E$ M% K所以，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，過(guò)孔不能設(shè)計(jì)成任意大小。
二、PCB過(guò)孔的種類(lèi)根據(jù)結(jié)構(gòu)和位置的不同，過(guò)孔可以分為以下幾種：
* i; p8 O6 L) B; ]  H8 r1. 通孔（Through-hole Via）通孔是pcb設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的一種過(guò)孔類(lèi)型，它貫穿了整個(gè)PCB的厚度，從最上層的銅箔一直延伸到最底層的銅箔。通孔不僅用于信號(hào)層間的連接，也常常用于電源層和接地層的連接。由于它貫穿所有層，因此制造成本較低，且工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。


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/ H0 q5 |; T; D8 U, ^# T/ \: h2. 盲孔（Blind Via）盲孔是一種只連接PCB表面層和中間某一層的過(guò)孔，它并不貫穿整個(gè)PCB。因此，盲孔在多層板設(shè)計(jì)中非常實(shí)用，特別是在高密度互連（HDI）設(shè)計(jì)中可以節(jié)省空間。不過(guò)，由于盲孔的鉆孔工藝更加復(fù)雜，因此相對(duì)于通孔成本更高。
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) f$ H1 G7 N8 Z' w& t3. 埋孔（Buried Via）埋孔與盲孔相似，但不同之處在于埋孔完全位于PCB的內(nèi)部層，外部看不到。它通常用于中間層信號(hào)的連接，主要用于高密度和高層數(shù)PCB的設(shè)計(jì)。由于埋孔的制造過(guò)程要求更高的精度，因此它的成本也高于通孔。
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4.微孔（Micro Via）微孔是一種孔徑非常小的過(guò)孔，直徑通常小于0.15毫米。它多用于高密度板（HDI）中，用于減小PCB面積和提升信號(hào)傳輸速度。微孔往往通過(guò)激光鉆孔工藝完成，成本相對(duì)較高。



三、PCB過(guò)孔的作用過(guò)孔在PCB中主要有以下幾個(gè)作用：
1. 電氣連接過(guò)孔最核心的功能就是電氣連接，它將不同層的信號(hào)通過(guò)過(guò)孔進(jìn)行傳遞，確保電子元件之間的電氣連接。特別是在多層PCB中，過(guò)孔是不同層之間的“電氣橋梁”。

2 d) x3 m/ D  f' p7 W3 O" M& x% Y2. 電源和接地層的連接在多層PCB設(shè)計(jì)中，通常有專(zhuān)門(mén)的電源層和接地層。通過(guò)過(guò)孔，可以將電源和接地層之間連接起來(lái)，從而使得整個(gè)電路的電源供應(yīng)更加穩(wěn)定，減小了電源噪聲和干擾。
  p. M" \% {4 \+ J! V% X3. 散熱功能在某些功率較高的電路中，過(guò)孔還可以起到散熱的作用。通過(guò)將熱量從PCB的元器件層傳導(dǎo)到散熱層或外部散熱器，過(guò)孔能夠有效地幫助降低PCB的整體溫度，保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
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關(guān)于過(guò)孔的承載電流值，這里有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值供大家參考。在25℃的環(huán)境下，允許溫升10℃，不同過(guò)孔與推薦最大電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系:
3 x: N; y0 X1 H9 V- l+ H; k過(guò)孔孔徑電流推薦值(A)10mil112mil1.216mil1.420mil1.524mil1.640mil2.380mil3.6這些數(shù)值僅為粗略估算，實(shí)際設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮其他因素如散熱、工作溫度、PCB布局等。
四、PCB過(guò)孔的設(shè)計(jì)考量在實(shí)際設(shè)計(jì)中，過(guò)孔的設(shè)計(jì)需要考慮到多個(gè)因素，包括機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能以及制造工藝等。以下是一些主要的設(shè)計(jì)考量。
1. 過(guò)孔的尺寸選擇過(guò)孔的直徑和焊盤(pán)尺寸需要根據(jù)信號(hào)類(lèi)型、電流強(qiáng)度等因素來(lái)確定。較大的過(guò)孔有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和電流承載能力，但占據(jù)空間更多。較小的過(guò)孔則適用于高密度設(shè)計(jì)，但會(huì)增加制造難度和成本。
% Y4 e/ y, Y7 q' [( S$ O關(guān)于小孔
4 m5 t% V3 B2 a! Q0 W多大的孔稱(chēng)為小孔？從PCB制造角度來(lái)說(shuō)，0.3mm為分界點(diǎn)，小于0.3mm的孔被稱(chēng)為小孔。
過(guò)孔越小，越難加工，尤其是過(guò)孔大小接近工藝極限時(shí)。
, Q5 R( e, o5 J: r/ B2 R因此，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，盡量將過(guò)孔尺寸設(shè)計(jì)為大于0.3mm，以確保加工效率和降低成本。只有在空間受限的情況下，才考慮使用小孔。
/ i4 t' b# m4 ]5 q/ k2 T外徑尺寸的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)導(dǎo)通孔或焊接孔時(shí)，需要考慮內(nèi)徑和外徑的尺寸要求。這些參數(shù)直接影響PCB的制造工藝。



: \2 q" h; V3 V& I' _  W9 \合理設(shè)計(jì)焊環(huán)尺寸并考慮制造公差，對(duì)于保證PCB的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要，一般設(shè)計(jì)的時(shí)候，過(guò)孔焊盤(pán)與孔徑的可設(shè)計(jì)為2n+2，也就是過(guò)孔直徑為10mil，焊盤(pán)可設(shè)計(jì)為22mil,這個(gè)不固定，大家根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)即可。
2. 信號(hào)完整性在高速電路中，過(guò)孔會(huì)影響信號(hào)的完整性。過(guò)孔的寄生電感和寄生電容可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射、阻抗失配，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)失真。因此，在高速設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者需要優(yōu)化過(guò)孔的數(shù)量、位置和尺寸，以減少這些負(fù)面影響。
3. 層疊結(jié)構(gòu)的選擇在多層PCB設(shè)計(jì)中，過(guò)孔的層疊結(jié)構(gòu)也需要特別考慮。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)盡量將盲孔和埋孔的使用控制在必要的范圍內(nèi)，避免過(guò)度使用導(dǎo)致生產(chǎn)復(fù)雜化和成本上升。同時(shí)，合理安排電源層和接地層的位置，以確保過(guò)孔的電氣性能。
4. 熱量管理對(duì)于高功率的電路設(shè)計(jì)，過(guò)孔的散熱功能非常重要。通過(guò)合理的過(guò)孔布局和數(shù)量，可以有效地將熱量導(dǎo)出電路板，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。特別是在功率放大器或LED照明設(shè)計(jì)中，散熱過(guò)孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
5. 制造工藝限制不同的過(guò)孔設(shè)計(jì)對(duì)制造工藝有不同的要求。例如，微孔由于孔徑較小，需要更高精度的鉆孔設(shè)備和鍍銅工藝。設(shè)計(jì)者需要考慮到制造商的設(shè)備能力，避免設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜的過(guò)孔結(jié)構(gòu)，以免增加生產(chǎn)難度和成本。

五、過(guò)孔設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，過(guò)孔的設(shè)計(jì)可能會(huì)遇到以下問(wèn)題：
2 g* ~1 e0 `% q9 y% B* R5 M% ~3 Z1. 過(guò)孔堵塞在PCB制造過(guò)程中，如果過(guò)孔中的雜質(zhì)沒(méi)有清理干凈，可能會(huì)導(dǎo)致電鍍不均勻，進(jìn)而影響過(guò)孔的導(dǎo)電性。這種情況下，過(guò)孔可能會(huì)堵塞或電氣性能不佳，影響整個(gè)電路的正常工作。
9 O+ Z" Y/ U4 h% l% F9 [! i  K2. 信號(hào)反射高速信號(hào)在經(jīng)過(guò)過(guò)孔時(shí)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射。為了避免這種情況，設(shè)計(jì)師可以通過(guò)調(diào)整過(guò)孔的數(shù)量、優(yōu)化阻抗匹配等手段來(lái)減少信號(hào)失真。
# ~: d* Q! {  G( f- d3. 熱膨脹問(wèn)題在高溫工作環(huán)境下，PCB材料的熱膨脹系數(shù)不同于銅的膨脹系數(shù)，可能導(dǎo)致過(guò)孔附近的銅箔斷裂。為了避免這種情況，設(shè)計(jì)師可以選擇熱膨脹系數(shù)更匹配的材料或通過(guò)多層結(jié)構(gòu)分散熱應(yīng)力。
過(guò)孔（Via）和元件孔（Pad）有何區(qū)別？在PCB中，孔徑分為過(guò)孔（Via）和元件孔（Pad），一定不要混用。
2 s0 C2 o1 h' i- u+ r過(guò)孔一般是起到兩面導(dǎo)通的作用，加工過(guò)程常規(guī)是選擇蓋油處理。
. G) U2 c4 N5 F* n* F# o元件孔（Pad）通常是設(shè)計(jì)成插件孔，在插件焊接時(shí)使用。
& h6 R: V0 V9 |如果混用過(guò)孔（Via）和元件孔（Pad），一種情況是誤將過(guò)孔（Via）屬性用于插件封裝中當(dāng)做元件孔。選擇過(guò)孔蓋油時(shí)，插件孔會(huì)被油墨蓋住或者堵住，且大小無(wú)法達(dá)到有效控制。
另一種情況是誤將元件孔（Pad）當(dāng)做過(guò)孔使用，那么軟件自動(dòng)關(guān)閉過(guò)孔開(kāi)窗時(shí)，無(wú)法有效識(shí)別，會(huì)導(dǎo)致需要蓋油的過(guò)孔無(wú)法蓋油。
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- M# t. ~, y, n8 W% O7 s. g) `結(jié)論P(yáng)CB過(guò)孔設(shè)計(jì)是一門(mén)涉及電氣、機(jī)械和材料科學(xué)的綜合性學(xué)科。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，合理選擇過(guò)孔類(lèi)型和尺寸，同時(shí)兼顧信號(hào)完整性、散熱、制造工藝等多方面的因素。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，過(guò)孔設(shè)計(jì)的復(fù)雜性將不斷增加，只有通過(guò)持續(xù)的學(xué)習(xí)和優(yōu)化，才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越、成本合理的PCB。

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8 S! [. s1 J3 z, X; l                                                                                        少走彎路！這些公眾號(hào)你的工程師同行也在關(guān)注！
                                                                               
                                                                       
                                                               
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