PCB部落格 - 高速PCB板的通孔設計

In high speed 電路板 設計, 通孔設計是一個重要因素, 其中包括孔, 孔周圍的焊盤區域和功率層隔離區域, 通常分為3類：盲孔, 埋通孔和直通通孔. 在PCB設計過程中, 通過分析過孔的寄生電容和寄生電感, 總結了高速PCB過孔設計中的一些注意事項. 印刷電路板是一種重要的電子元件, 電子元件的支撐體, 以及電子元件電力連接的供應商. 因為它是由電子印刷製成的, 它被稱為“印刷”電路板. 現時, 高速PCB的設計廣泛應用於通信領域, 電腦, 圖形和圖像處理及其他領域. 所有高科技增值電子產品設計都在追求低功耗的特性, 低電磁輻射, 高可靠性, 小型化和輕量化. 實現上述目標, 過孔設計是高速PCB設計中的一個重要因素.

1. Via
Via is an important factor in multi-layer PCB design. 過孔主要由3部分組成, 一個是洞； 另一個是孔周圍的焊盤區域； 第3個是功率層隔離區. 通孔的過程是通過化學沉積在通孔孔壁的圓柱表面上塗覆一層金屬，以連接需要在中間層中連接的銅箔, 通孔的上下側做成普通墊. 形狀可以直接與上下兩側的線條連接, 或未連接. 通孔可用於電力連接, 固定或定位設備. 過孔通常分為3類：盲孔, 埋入過孔和穿過過孔. 盲孔, 位於印刷電路板的頂部和底部表面, 具有一定深度，用於連接表面電路和底層內部電路. 孔的深度和直徑通常不超過一定的比例. 埋孔是指位於印刷電路板內層的連接孔, 不會延伸到電路板表面. 盲孔和埋孔均位於電路板的內層, 並在層壓前通過通孔成型工藝完成. 在通孔形成過程中, 幾個內層可以重疊. 通孔, 穿過整個電路板, 可用於內部互連或作為組件的安裝孔. 因為通孔在過程中更容易實現，成本更低, 通孔通常用於印刷電路板中.

2. Parasitic capacitance of vias
The via itself has parasitic capacitance to the ground. 如果接地層上通孔的隔離孔直徑為D2, 通孔墊的直徑為D1, PCB的厚度為T, 板基板的介電常數為ε, 然後，通孔的寄生電容約為：C=1.41εTD1/(（D2-D1）). 通孔寄生電容對電路的主要影響是延長訊號的上升時間並降低電路速度. 電容值越小, 影響越小.

3. Parasitic inductance of vias
The via itself has parasitic inductance. 在高速數位電路設計中, 通孔寄生電感造成的危害通常大於寄生電容的影響. 通孔的寄生串聯電感將削弱旁路電容器的影響，並降低整個電力系統的濾波效果. 如果L是指通孔的電感, h是通孔的長度, d是中心鑽孔的直徑, 通孔的寄生電感約為：L=5.08h[ln(4h/d)+1]. 從公式中可以看出，通孔直徑對電感的影響很小, 而通孔的長度會影響電感.

4. Non-penetrating via technology
Non-through vias include blind vias and buried vias. 在非通孔科技中, 盲孔和埋入孔的應用可以大大减小PCB的尺寸和質量, 减少層數, 提高電磁相容性, 新增電子產品的特性, 降低成本, 同時也使設計工作更加簡單快捷. 在傳統的PCB設計和加工中, 通孔存在許多問題. 首先, 它們佔據了大量的有效空間, 其次, 大量通孔密集分佈在一個地方, 這也給多層PCB的內層佈線帶來了巨大障礙. 這些通孔佔據了佈線所需的空間, 它們密集地穿過電源和地面. 導線層的表面也會破壞電源地線層的阻抗特性, 使電源地線層無效. 常規機械鑽孔的工作量將是非穿透鑽孔科技的20倍. 在PCB設計中, 雖然焊盤和過孔的尺寸已逐漸减小, 如果板層的厚度沒有按比例减少, 過孔的縱橫比將新增, 過孔縱橫比的新增將降低可靠性. 隨著先進雷射打孔科技和电浆幹法刻蝕科技的成熟, 可以應用非穿透性小盲孔和小埋孔. 如果這些非穿透孔的孔徑為0.3毫米, 它們帶來的寄生參數是原始的常規孔約為1/10, 這提高了PCB的可靠性. 由於使用了非通孔科技, PCB上幾乎沒有大的過孔, 從而為痕迹提供更多空間. 剩餘空間可用於大面積遮罩，以改善電磁干擾/RFI效能. 同時, 更多剩餘空間也可用於內層，以部分遮罩設備和關鍵網絡電纜, 使其具有電力效能. 非通孔的使用更容易扇出設備引脚, making high-density pin devices (such as BGA packaged devices) easy to route, 縮短連接長度, 滿足高速電路的時序要求.

5. Via selection in ordinary PCB
In ordinary PCB design, 過孔的寄生電容和寄生電感對PCB設計影響不大. 用於1-4層PCB設計, 0.36毫米/0.61毫米/1.02mm (drilling/襯墊/POWER isolation area) is generally selected. ) vias are better. For some special signal lines (such as power lines, 接地線, 時鐘線, 等.), 0.41毫米/0.81毫米/1.可以選擇32mm過孔, 也可以根據實際情況選擇其他尺寸的通孔.

6. Via design in high speed PCB
Through the above analysis of the parasitic characteristics of vias, 我們可以在高速PCB設計中看到這一點, 看似簡單的通孔往往會給電路設計帶來很大的負面影響. 為了减少過孔寄生效應引起的不利影響, you can try to do as much as possible in the design:
(1) Select a reasonable via size. 用於一般密度的多層PCB設計, 最好使用0.25毫米/0.51毫米/0.91mm (drilling/襯墊/POWER isolation area) vias; for some high-density PCBs, 0.20毫米/0.46毫米通孔/0.86毫米, 您也可以嘗試非穿透過孔； 用於電源或地線的過孔, you can consider using a larger size to reduce the impedance;
(2) The bigger the POWER isolation area, 更好, 考慮到PCB上的通孔密度, generally D1=D2+0.41;
(3) The signal traces on the PCB should not be changed as much as possible, 也就是說, the vias should be minimized;
(4) Using a thinner PCB is conducive to reducing the two parasitic parameters of vias;
(5) The pins of the power supply and the ground should be close to the via hole. 通孔和引脚之間的導線越短, 更好, 因為它們會新增電感. 同時, the leads of power and ground should be as thick as possible to reduce impedance;
(6) Place some ground vias near the vias where the signal changes layers to provide a short-distance loop for the signal.
當然, 設計時需要詳細分析具體問題. 同時考慮成本和訊號質量, 在高速PCB設計中, 設計者總是希望通孔盡可能小, 這樣可以在電路板上留下更多的佈線空間. 寄生電容也較小, 哪個更適合高速電路. 在高密度PCB設計中, 非穿透過孔的使用和過孔尺寸的减小也帶來了成本的新增, 過孔的尺寸不能無限减小. 它受到PCB製造商鑽孔和電鍍工藝的影響. 由於科技限制, 應平衡考慮高速過孔設計 PCB板.