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盲孔、埋孔、通孔…PCB過孔都要留意哪些事~愛特維等離子清洗機廠家為您解析

發布日期:2022-01-26 00:00 來源:http://www.kfada.com 點擊:

盲孔、埋孔、通孔…PCB過孔都要留意哪些事~愛特維等離子清洗機廠家為您解析

過孔(via)是多層PCB線路板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
    如果從工藝制程上來說,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層。


通孔

這種孔穿過整個線路板,可用于實現內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,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。


從設計的角度來看,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。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PCB設計時,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只能達到8Mil。


隨著激光鉆孔技術的發展,鉆孔的尺寸也可以越來越小,一般直徑小于等于6Mil 的過孔,我們就稱為微孔。在HDI(高密度互連結構)設計中經常使用到微孔,微孔技術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,節約了布線空間。


過孔在傳輸線上表現為阻抗不連續的斷點,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,不是減?。?。


但過孔因為阻抗不連續而造成的反射其實是微乎其微的,其反射系數僅為:

(44-50)/(44+50)=0.06

過孔產生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。


過孔的寄生電容

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,過孔焊盤的直徑為D1,PCB板的厚度為T,板基材介電常數為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。


舉例來說,對于一塊厚度為50Mil的PCB板,如果使用內徑為10Mil,焊盤直徑為20Mil的過孔,焊盤與地鋪銅區的距離為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=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF


這部分電容引起的上升時間變化量為:

T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 


從這些數值可以看出,盡管單個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行層間的切換,EDA365電子論壇提醒設計者還是要慎重考慮的。


過孔的寄生電感

同樣,過孔存在寄生電容的同時也存在著寄生電感,在高速數字電路的設計中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻,減弱整個電源系統的濾波效用。


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:

L=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。從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響的是過孔的長度。


仍然采用上面的例子,可以計算出過孔的電感為:

L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH


如果信號的上升時間是1ns,那么其等效阻抗大小為:

XL=πL/T10-90=3.19Ω


這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時候需要通過兩個過孔,這樣過孔的寄生電感就會成倍增加。


高速PCB中的過孔設計

通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設計中,看似簡單的過孔往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應,為了減小過孔的寄生效應帶來的不利影響,在設計中可以盡量做到以下幾方面:

  • 從成本和信號質量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔。比如對6-10層的內存模塊PCB設計來說,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板子,也可以嘗試使用8/18Mil的過孔。
    目前技術條件下,很難使用更小尺寸的過孔了。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。
  • 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生參數。
  • 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,因為它們會導致電感的增加。同時電源和地的引線要盡可能粗,以減少阻抗。
  • PCB板上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量減少不必要的過孔。
  • 在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過孔。當然,在設計時還需要靈活多變。
  • 前面討論的過孔模型是每層均有焊盤的情況,有的時候,我們可以將某些層的焊盤減小甚至去掉。
特別是在過孔密度非常大的情況下,可能會導致在鋪銅層形成一個隔斷回路的斷槽,解決這樣的問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。

如何使用過孔:通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB 設計中,看似簡單的過孔使用不當往往也會給電路的設計帶來很大的負面效應。

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