PCB制作中的過孔

?在高速PCB 設(shè)計中，過孔設(shè)計是一個重要因素，它由孔、孔周圍的焊盤區(qū)和POWER 層隔離區(qū)組成，通常分為盲孔、埋孔和通孔三類。在PCB 設(shè)計過程中通過對過孔的寄生電容和寄生電感分析，總結(jié)出高速PCB 過孔設(shè)計中的一些注意事項。

關(guān)鍵詞：過孔；寄生電容；寄生電感；非穿導(dǎo)孔技術(shù)
目前高速PCB 的設(shè)計在通信、計算機(jī)、圖形圖像處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，所有高科技附加值的電子產(chǎn)品設(shè)計都在追求低功耗、低電磁輻射、高可靠性、小型化、輕型化等特點，為了達(dá)到以上目標(biāo)，在高速PCB 設(shè)計中，過孔設(shè)計是一個重要因素。
1、過孔
過孔是多層PCB 設(shè)計中的一個重要因素，一個過孔主要由三部分組成，一是孔；二是孔周圍的焊盤區(qū)；三是POWER
層隔離區(qū)。過孔的工藝過程是在過孔的孔壁圓柱面上用化學(xué)沉積的方法鍍上一層金屬，用以連通中間各層需要連通的銅箔，而過孔的上下兩面做成普通的焊盤形狀，
可直接與上下兩面的線路相通，也可不連。過孔可以起到電氣連接，固定或定位器件的作用。過孔示意圖如圖1 所示。

過孔一般又分為三類：盲孔、埋孔和通孔。
盲孔：指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，孔的深度與孔徑通常不超過一定的比率。
埋孔：指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會延伸到線路板的表面。
盲孔與埋孔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重疊做好幾個內(nèi)層。
通孔：這種孔穿過整個線路板，可用于實現(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，所以一般印制電路板均使用通孔。過孔的分類如圖2 所示。

2、過孔的寄生電容
過孔本身存在著對地的寄生電容，若過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2，過孔焊盤的直徑為D1，PCB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)
??? 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，電容值越小則影響越小。
3、過孔的寄生電感
過孔本身就存在寄生電感，在高速數(shù)字電路的設(shè)計中，過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。過孔的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容的作用，減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用。若L指過孔的電感，h是過孔的長度，d是中心鉆孔的直徑，
過孔的寄生電感近似于：
??????? L=5.08h[ln(4h/d)+1]
從式中可以看出，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。
4、非穿導(dǎo)孔技術(shù)
非穿導(dǎo)孔包含盲孔和埋孔。
在非穿導(dǎo)孔技術(shù)中，盲孔和埋孔的應(yīng)用，可以極大地降低PCB的尺寸和質(zhì)量，減少層數(shù)，提高電磁兼容性，增加電子產(chǎn)品特色，降低成本，同時也會使得設(shè)計工作
更加簡便快捷。在傳統(tǒng)PCB設(shè)計和加工中，通孔會帶來許多問題。首先它們占居大量的有效空間，其次大量的通孔密集一處也對多層PCB內(nèi)層走線造成巨大障
礙，這些通孔占去走線所需的空間，它們密集地穿過電源與地線層的表面，還會破壞電源地線層的阻抗特性，使電源地線層失效。且常規(guī)的機(jī)械法鉆孔將是采用非穿
導(dǎo)孔技術(shù)工作量的20倍。
在PCB設(shè)計中，雖然焊盤、過孔的尺寸已逐漸減小，但如果板層厚度不按比例下降，將會導(dǎo)致通孔的縱橫比增大，通孔的縱橫比增大會降低可靠性。隨著先進(jìn)的激
光打孔技術(shù)、等離子干腐蝕技術(shù)的成熟，應(yīng)用非貫穿的小盲孔和小埋孔成為可能，若這些非穿導(dǎo)孔的孔直徑為0.3mm，所帶來的寄生參數(shù)是原先常規(guī)孔的
1/10左右，提高了PCB的可靠性。
由于采用非穿導(dǎo)孔技術(shù)，使得PCB上大的過孔會很少，因而可以為走線提供更多的空間。剩余空間可以用作大面積屏蔽用途，以改進(jìn)EMI/RFI性能。同時更
多的剩余空間還可以用于內(nèi)層對器件和關(guān)鍵網(wǎng)線進(jìn)行部分屏蔽，使其具有最佳電氣性能。采用非穿導(dǎo)孔，可以更方便地進(jìn)行器件引腳扇出，使得高密度引腳器件（如
BGA 封裝器件）很容易布線，縮短連線長度，滿足高速電路時序要求。
5、普通PCB 中的過孔選擇
在普通PCB 設(shè)計中，過孔的寄生電容和寄生電感對PCB 設(shè)計的影響較小，對1-4層PCB
設(shè)計，一般選用0.36mm/0.61mm/1.02mm（鉆孔/ 焊盤/POWER
隔離區(qū)）的過孔較好，一些特殊要求的信號線（如電源線、地線、時鐘線等）可選用0.41mm/0.81mm/1.32mm
的過孔，也可根據(jù)實際選用其余尺寸的過孔。
6、高速PCB 中的過孔設(shè)計
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，在設(shè)計中可以盡量做到：
（1）選擇合理的過孔尺寸。對于多層一般密度的PCB 設(shè)計來說，選用0.25mm/0.51mm/0.91mm（鉆孔/ 焊盤/ POWER
隔離區(qū)）的過孔較好；對于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm
的過孔，也可以嘗試非穿導(dǎo)孔；對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；
（2）POWER 隔離區(qū)越大越好，考慮PCB 上的過孔密度，一般為D1=D2+0.41；
（3）PCB 上的信號走線盡量不換層，也就是說盡量減少過孔；
（4）使用較薄的PCB 有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)；
（5）電源和地的管腳要就近過孔，過孔和管腳之間的引線越短越好，因為它們會導(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；
（6）在信號換層的過孔附近放置一些接地過孔，以便為信號提供短距離回路。
當(dāng)然，在設(shè)計時還需具體問題具體分析。從成本和信號質(zhì)量兩方面綜合考慮，在高速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。在高密度PCB設(shè)
計中，采用非穿導(dǎo)孔以及過孔尺寸的減小同時帶來了成本的增加，而且過孔的尺寸不可能無限制地減小，它受到PCB
廠家鉆孔和電鍍等工藝技術(shù)的限制，在高速PCB 的過孔設(shè)計中應(yīng)給以均衡考慮。


PCB設(shè)計中過孔的概念和分類
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：一是用作各層間的電氣連接；二是用作器件的固定或定位。
從工藝制程上來說，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，所以絕大部分印刷電
路板均使用它，而不用另外兩種過孔。
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）,二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)，小決定了過孔的大小。很顯然，在高速,高密度的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（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，如果一塊正常的6層PCB板的厚度（通孔深度）為50Mil，那么，一般條件下PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能
達(dá)到8Mil。隨著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展，鉆孔的尺寸也可以越來越小，一般直徑小于等于6Mils的過孔，我們就稱為微孔。在HDI（高密度互連結(jié)構(gòu)）設(shè)計
中經(jīng)常使用到微孔，微孔技術(shù)可以允許過孔直接打在焊盤上（Via-in-pad），這大大提高了電路性能，節(jié)約了布線空間。過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連
續(xù)的斷點，會造成信號的反射。一般過孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右，比如50歐姆的傳輸線在經(jīng)過過孔時阻抗會減小6歐姆（具體和過孔的尺寸，板厚也有
關(guān)，不是絕對減?。?。但過孔因為阻抗不連續(xù)而造成的反射其實是微乎其微的，其反射系數(shù)僅為：(44-50)/(44+50)=-0.06，過孔產(chǎn)生的問題
更多的集中于寄生電容和電感的影響。