PCB科技 - PCB通孔對訊號傳輸的影響

通孔是多層PCB板的重要組成部分之一，鑽孔成本通常占PCB板製造成本的30%至40%。 簡單地說，PCB上的每個孔都可以稱為通孔。

PCB通孔對訊號傳輸的影響

通孔（VIA）是多層PCB的重要組成部分，鑽孔成本通常占PCB板製造成本的30%至40%。 簡單地說，PCB上的每個孔都可以稱為通孔。 就功能而言，孔可分為兩類：一類用於層之間的電力連接。 另一種用於設備固定或定位。 從工藝上講，這些通孔通常分為三類，即盲孔、埋孔和通孔。 盲孔位於PRINTED電路板的上表面和下表面，並具有一定的深度，用於將表面電路連接到下麵的內部電路。 孔的深度通常不會超過一定的比例（孔徑）。 埋孔是印刷電路板內層的連接孔，不延伸到印刷電路板的表面。 這兩種類型的孔位於電路板的內層，這是在層壓之前通過通孔成型工藝完成的，並且在通孔的形成過程中，幾個內層可以重疊。

第三種類型稱為通孔，貫穿整個電路板，可用於內部互連或用作組件的安裝和定位孔。 因為通孔在工藝中更容易實現，成本更低，所以大多數印刷電路板都使用它，而不是其他兩種通孔。 以下通孔應視為通孔，無需特別說明。

從設計的角度來看，通孔主要由兩部分組成，一部分是中間的鑽孔，另一部分是鑽孔周圍的襯墊區域。 這兩個部分的大小决定了通孔的大小。 顯然，在設計高速、高密度PCB時，設計者總是希望孔盡可能小，這種樣品可以留下更多的佈線空間，此外，孔越小，其自身的寄生電容越小，更適合高速電路。 但孔尺寸的减小同時也帶來了成本的新增，而且孔的尺寸也不能無限制地减小，它受到鑽（鑽）和鍍（鍍）等科技的限制：孔越小，鑽的時間越長，越容易偏離中心； 當孔的深度大於孔直徑的6倍時，不可能保證孔壁的均勻鍍銅。 例如，如果正常的6層PCB板的厚度（通孔深度）為50Mil，那麼PCB製造商可以在正常條件下提供8Mil的孔徑。 隨著雷射鑽孔科技的發展，鑽孔的尺寸也可以越來越小。 通常，孔的直徑小於或等於6Mils，我們稱之為微孔。 在HDI（高密度互連結構）設計中經常使用微孔。 微孔科技允許孔直接打在焊盤上（焊盤中VIA），這大大提高了電路效能並節省了佈線空間。

傳輸線上的通孔是阻抗不連續的中斷點，會引起訊號的反射。 通常，通孔的等效阻抗比傳輸線的等效阻抗低約12%。 例如，當50歐姆的傳輸線穿過通孔時，其阻抗將减小6歐姆（具體與通孔的尺寸和板厚度有關，而不是减小）。 然而，阻抗的不連續性通過孔引起的反射實際上非常小，其反射係數僅為：（44-50）/（44+50）=0.06。 空穴引起的問題更多地集中在寄生電容和電感的影響上。

通過孔的寄生電容

通孔本身對地具有寄生電容。 如果鋪設層上隔離孔的直徑為D2，通孔焊盤的直徑為D1，PCB板的厚度為T，基板的介電常數為島，則通孔的寄生電容大致如下：C=1.41島TD1/（D2-D1）孔的寄生容量主要通過延長訊號上升時間和降低電路速度來影響電路。 例如，對於厚度為50Mil的PCB板，如果孔的內徑為10Mil，焊盤的直徑為20Mil，並且焊盤與銅地板之間的距離為32Mil，我們可以使用上面的公式來近似孔的寄生電容：C=1.41x4.4x0.050x0.020/（0.032-0.020）= 0.517pF，由這部分電容引起的上升時間變化為：T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.517x（55/2）=31.28ps。 從這些值可以清楚地看出，儘管單個空穴的寄生電容對上升延遲的影響並不明顯，但如果使用多個空穴進行層間切換，設計者應該小心。

通孔寄生電感

在高速數位電路的設計中，空穴的寄生電感往往比寄生電容更有害。 其寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，降低整個電力系統的濾波效率。 我們可以使用以下公式簡單地計算通孔近似的寄生電感：L=5.08h[ln（4h/d）+1]其中L是通孔電感，是通孔的長度，d是中心孔的直徑。 從方程中可以看出，孔的直徑對電感的影響很小，但孔的長度對電感有影響。 仍然使用上面的例子，孔外的電感可以計算為L＝5.08x0.050[ln（4x0.050/0.010）+1]＝1.015nh。 如果訊號的上升時間為1ns，則等效阻抗大小為：XL=ÍL/T10-90=3.19Í。 在存在高頻電流的情况下，該阻抗不能被忽略。 特別地，旁路電容器必須穿過兩個孔以將供應層連接到地層，從而使孔的寄生電感加倍。

PCB通孔對訊號傳輸的影響

通過以上對通孔寄生特性的分析，我們可以看出，在高速PCB設計中，看似簡單的通孔往往會給電路設計帶來很大的負面影響。 為了减少空穴寄生效應的不利影響，我們可以在設計中嘗試做到以下幾點：

1.從成本和訊號質量兩個方面，選擇合理的孔徑大小。 例如，對於6-10層MEMORY模塊PCB設計，最好選擇10/20mil（鑽孔/焊盤）過孔，對於一些高密度的小尺寸板，也可以嘗試使用8/18mil過孔。 以現時的科技，很難使用更小的孔。 對於電源或接地線通孔，可以考慮使用較大的尺寸來降低阻抗。

2.上面討論的兩個公式表明，使用更薄的PCB板有助於减少通過孔的兩個寄生參數。

3.電源和地面的引脚應在附近鑽孔。 引脚和孔之間的引線越短越好，因為它們會導致電感新增。 同時，電源和接地引線應盡可能厚，以降低阻抗。

4.PCB板上的訊號佈線應盡可能不改變層，也就是說，儘量不要使用不必要的孔。

5.在訊號層變化的孔附近放置一些接地孔，以便為訊號提供閉環。 你甚至可以在印刷電路板上加很多額外的接地孔。 當然，你的設計需要靈活。 上面討論的通孔模型是在每一層中都有焊盤的情况。 有時，我們可以减少甚至去除某些層的襯墊。 特別是在孔密度非常大的情况下，可能會導致在銅層中形成切斷電路凹槽，為了解决這樣的問題，除了移動孔的位置外，我們還可以考慮在銅層上形成孔，以减小焊盤的尺寸。

在高速PCB設計中，充分考慮並合理控制通孔的影響是確保電路效能穩定可靠的關鍵。 通過不斷的技術創新和設計優化，我們可以實現更高效、更可靠的高速電路設計。